Достоинства и недостатки железобетона как строительного материала

Достоинства и недостатки железобетона как строительного материала

Армированный стальными стержнями бетон называют железобетоном. Каменные конструкции, армированные металлом, были известны давно, но в современном виде железобетон появился лишь во второй половине XIX в., когда было освоено промышленное производство портландцемента. Патент на изобретение железобетона был выдан французу Ж. Монье в 1867 г., хотя известны попытки использования железобетона и до него (например, в 1849 г. инженером Г. Е. Паукером в России и в 1845 г. В. Уилкинсоном в Англии).

Интересно знать: Галилео. Истории изобретений. Железобетон

Первоначально железобетон применялся довольно ограниченно. В настоящее время это основной конструкционный материал и в жилищном, и в промышленном строительстве. Наиболее выгодно применять железобетон для строительных конструкций, работающих на изгиб.

Взаимодействие столь различных материалов, когда совместно работают бетон и расположенная в нём арматура, весьма эффективно. Бетон при твердении прочно сцепляется со стальной арматурой и надежно защищает ее от коррозии. Бетон хорошо работает на сжатие, но плохо сопротивляется изгибу и растяжению. Это затрудняет его применение в плитах перекрытий, балках, где возникают не только сжимающие напряжения, но и растягивающие. Если в растянутую зону поместить стальную арматуру, которая значительно превосходит бетон по прочности, то несущая способность конструкции увеличится в 10-20 раз. При работе таких элементов возникают два противоположных напряжения – растягивающее, воспринимаемое сталью, и сжимающее, воспринимаемое бетоном, и железобетонная конструкция успешно противостоит изгибающим нагрузкам.

Кроме того, бетон как сравнительно плохой проводник теплоты защищает сталь от сильного нагревания при пожарах. Стальные конструкции при пожаре быстро нагреваются, сталь размягчается и вся конструкция начинает деформироваться даже под собственным весом. В железобетонных конструкциях стальная арматура защищена от огня слоем бетона. Так, опыты показали, что при температуре поверхности бетона 1000°С арматура, находящаяся на глубине 50 мм, через 2 ч нагреется лишь до 500°С.

Преимущества железобетона:

1. Изделия из железобетона долговечны.
2. Высокая сопротивляемость атмосферным воздействиям.
3. Изделия из железобетона отличаются высокой прочностью.
4. Конструкции из ЖБИ огнеустойчивы.
5. Высокая сейсмостойкость.
6. Низкая себестоимость.

Но, несмотря на популярность данного строительного материала, в его использовании есть и недостатки:

1. Изделия из железобетона имеют очень большой вес.
2. Высокая тепло- и звукопроводность.
3. Трудно что-то изменить или укрепить.
4. Нужны квалифицированные рабочие для работы с таким материалом.
5. Появление трещин на бетоне.
6. Повышенные затраты во время транспортировки.

Из железобетона выполняют разнообразные строительные конструкции и изделия. Плиты из железобетона – это самый популярный из строительных материалов как в жилищном строительстве, так и в промышленном строительстве, даже, несмотря на выше перечисленные недостатки.

13.2. Классификация конструкций из железобетона

Железобетонные конструкции и изделия по способу производства разделяют на:

• монолитные (изготавливают непосредственно на месте строительства, укладывая бетонную смесь в опалубку);
• сборные (производят в виде крупноразмерных элементов на специализированных заводах, транспортируют к месту строительства и затем монтируют в сооружение);
• сборно-монолитные (представляют собой сочетание сборных элементов с монолитным бетоном).

По виду применяемого бетона различают конструкции из тяжёлого, лёгкого, ячеистого и специальных бетонов.

По способу армирования и состоянию арматуры конструкции могут быть:

• обычные;
• предварительно напряженные.

Монолитные железобетонные конструкции изготавливают непосредственно на месте строительства: подготавливают опалубку из металла, древесины или других материалов, затем укрепляют арматуру, производят подачу, укладку и уплотнение бетонной смеси. Распалубливание конструкции производят после твердения и достижения бетоном необходимой проектной прочности (Рис.13.1).

Рис. 13.1. Монолитные железобетонные конструкции

Преимущества: монолитные конструкции обладают высокой жесткостью; архитектурные формы зданий и сооружений из монолитного железобетона разнообразны, отличаются индивидуальностью и своеобразной пластикой.

Недостатки: при бетонировании монолитных конструкций в зимнее время возникают значительные трудности, затрачиваются материалы на изготовление опалубки и большое количество ручного труда.

Рис. 13.2. Сборные железобетонные изделия

Сборные железобетонные изделия и конструкции изготавливают на специализированных заводах, где производят сборные материалы для всех видов строительства (Рис.13.2). Они поставляются на строительство в готовом виде; значительно сокращается трудоемкость бетонных и железобетонных работ, ускоряются темпы и снижается стоимость строительства.

В настоящее время сборные бетонные и железобетонные изделия и конструкции изготавливают для всех основных частей современных зданий и сооружений:

• фундаментные плиты и блоки
• элементы каркаса зданий и междуэтажных перекрытий;
• стеновые панели и блоки;
• лестничные марши и площадки;
• элементы для специальных видов строительства (подземного, дорожного, гидротехнического, мостостроения) и т.д.

Сборно-монолитный железобетон – комбинация каркаса и монолита. В зависимости от типа и этапа работы они могут собираться как на заводской, так и на строительной площадке. Это, например, лестничные пролеты или блоки фундамента.

Самая высокая скорость возведения капитальных сооружений: все элементы здания прибывают в готовом виде, а монтаж занимает куда меньше времени, чем изготовление на месте (Рис.13.3).

Типовые размеры элементов исключают технические и проектные ошибки, отсутствуют работы по подгонке блоков.

Рис. 13.3. Сборно-монолитное перекрытие

Значительно повышает прочность материала предварительное натяжение арматуры. Для этого в форме перед заливкой бетона стержни, канаты, прутки растягивают до величины, не превышающей предела упругости, и в таком виде заливают бетоном. После того как бетон достигает нужной твердости, нагрузку снимают. Арматура стремится вернуться в первоначальное состояние и обжимает сцепленный со сталью бетон. Таким образом, получают блок, в котором каркас растянут, а бетон сжат.

Интересно знать: Схема монтажа сборно-монолитного здания

13.3. Виды арматурных сталей

В зависимости от своего функционального назначения существуют следующие виды арматуры:

• рабочая арматура (воспринимает усилия, возникающие под действием нагрузок на конструкцию и ее собственной массы);
• продольная рабочая арматура (воспринимает усилия растяжения или сжатия, действующие по продольной оси элемента);
• поперечная рабочая арматура (воспринимает усилия, действующие поперек оси балки);
• конструктивная или распределительная арматура (обеспечивает цельность конструкции) (Рис.13.4).

Рис.13.4. Виды арматуры

а – арматурные стержни; б – плоский каркас; в – пространственный каркас; г – арматурные сетки: 1–плоская; II – рулонная; д – арматурный блок; е – стержневая арматурная горячекатаная сталь: /–гладкая; //–периодического профиля; ж – каркас колонны из стержневой арматуры; з –то же, из жесткой арматуры; 1 – рабочие стержни прямые; 2 – то же, отогнутые; 3 – монтажные стержни; 4 – хомуты; 5 – распределительные стержни; 6 – сетки; 7 – пространственный каркас; 8 – арматурный выпуск; 9– уголок; 10– раскос.

По способу изготовления арматура бывает стержневая, холоднотянутая проволочная, проволочная обыкновенная.

Стержневая арматура бывает гладкой – с поперечным сечением, имеющим правильную круглую форму, и периодического профиля – с круглым сечением, но имеющую на поверхности рифление определенного узора, которое улучшает взаимное сцепление арматуры с затвердевшим бетоном (Рис.13.5).

Рис. 13.5. Стержневая арматура: а – гладкого профиля; б – периодического профиля.

13.4. Арматурные изделия и закладные детали

К арматурным изделиям относятся сварные сетки и каркасы, проволочные пучки и отдельные мерные стержни (Рис.13.6).

Рис.13.6. Виды арматурных изделий: а – плоские сетки; б, в – плоские каркасы; г, д, е – пространственные каркасы; ж, и – гнутые сетки; к – закладные детали

Сварные сетки – изготавливают из обыкновенной проволки Вр-I диаметром 3-5 мм и стержневой арматуры класса А – III диаметом 6-10мм.

Сварные каркасы могут быть плоскими и пространственными. Плоские каркасы состоят из одного или двух продольных рабочих стрежней, монтажного стержня и привариваемых к ним поперечных стержней. Пространственные каркасы получают путем сварки плоских каркасов.

Закладные детали служат для соединения сборных элементов при монтаже конструкций. Их приваривают к арматуре ж/б элемента или заанкеривают в бетоне.

Монтажные петли – за них зацепляют конструкцию крюками стропов при складировании, перемещении, монтаже, распалубке.

13.5. Предварительно напряжённые железобетонные конструкции

Применяют два способа создания предварительного напряжения: натяжение арматуры на упоры и натяжение арматуры на бетон.

При натяжении арматуры на упоры ее помещают в форму, один конец закрепляют в упоре, а другой натягивают домкратом до заданного напряжения. Затем производят бетонирование. После приобретения бетоном заданной прочности арматуру освобождают из упора; происходит так называемый отпуск натяжения. В результате усилие натяжения арматуры передается на бетон (Рис. 13.7). Также применяют электротермический способ. Для этого разогревают стержни до температуры 300-500°С, пропуская через них электрический ток, заводят в форму и закрепляют на упорах. В процессе остывания длина стержней сокращается, что приводит к возникновению в арматуре необходимого натяжения.

При натяжении арматуры на бетон сначала изготавливают бетонную конструкцию, в которой предусмотрены каналы или пазы для напрягаемой арматуры. После того, как бетон наберет необходимую прочность, в каналы вводят арматуру и натягивают ее непосредственно на бетон конструкции. Затем под давлением в каналы вводят цементное тесто или цементно-песчаный раствор, которые после затвердевания создают необходимое сцепление арматуры с основным массивом бетона в конструкции (Рис.13.8).

Рис.13.7. Схема создания предварительного натяжения арматуры методом натяжения на упоры: I – натяжение арматуры и армирование элемента; II – готовый элемент; 1 – упор; 2 – домкрат.

Рис.13.8. Натяжение арматуры на бетон: I – элемент во время натяжения арматуры; II – готовый элемент; 2 – домкрат; 3 – анкер.

Защитный слой бетона создают размещением арматуры на некотором удалении от поверхности конструкций.

Назначение защитного слоя:

• закрепление армирования в толще конструкции;
• обеспечение совместного нагружения армирования и бетона;
• эффективная защита армирования от внешнего воздействия (атмосферной, химической или другой коррозии, повышенной влажности, мороза и других вредных факторов).

Толщина защитного слоя назначается в зависимости от вида и диаметра арматуры, размера сечения конструкции и класса по условиям эксплуатации (от 20 до 50мм) (Рис.13.9).

Рис.13.9. Защитный слой бетона

Железобетонные изделия и конструкции значительно превосходят бетонные по несущей способности и другим механическим свойствам. Особенно эффективны предварительно напряжённые конструкции (Рис. 13.10). В сравнении с обычными они обладают более высокой трещиностойкостью, лучше сопротивляются динамическим нагрузкам, хорошо противостоят коррозионным воздействиям [2, с.324].

Рис. 13.10. Армирование бетонной конструкции

БЛОК САМОКОНТРОЛЯ

Для повторения и закрепления теоретического материала ознакомьтесь с презентациями:

Презентация «Глава 13.Понятие о железобетоне, его преимущества и недостатки»

Презентация «Глава 13. Предварительно напряжённые железобетонные конструкции»

Дайте ответ на следующие вопросы по теме:

1. Какой строительный материал называют железобетоном?
2. В чём проявляется эффективность железобетона?
3. Перечислите преимущества железобетона.
4. Назовите виды изготавливаемых железобетонных конструкций и изделий.
5. Перечислите преимущества и недостатки монолитных железобетонных конструкций?
6. Какие преимущества перед монолитными железобетонными конструкциями имеют сборные железобетонные изделия?
7. Что представляет собой сборно-монолитный железобетон?
8. Какие существуют виды арматурных сталей в зависимости от функционального назначения?
9. Что улучшает взаимное сцепление арматуры с затвердевшим бетоном?
10. Перечислите виды арматурных изделий.
11. Какие различают конструкции по способу армирования и состоянию арматуры?
12. Как создаётся предварительное натяжение арматуры методом натяжения на упоры?
13. Опишите процесс натяжения арматуры на бетон.
14. Каково назначение защитного слоя бетона?
15. Перечислите свойства железобетонных конструкций.

Достоинства и недостатки железобетона

Железобетон представляет собой комплексный строительный материал, который был искусственно создан человеком на основе бетона и стали. Первоначально запатентованное в середине девятнадцатого столетия французом Жозефом Монье изобретение находило применение лишь при ручном изготовлении емкости для домашних растений. Однако спустя время люди смогли оценить все его преимущества, и в наши дни железобетон стал наиболее востребованным строительным материалом во многих отраслях. На основе композиции из бетонного раствора из стали создают прочные и долговечные многоэтажные здания, сооружения, объекты, а также прочные и практичные железобетонные изделия.

Секрет популярности

Железобетон занимает лидирующие позиции на рынке строительства среди всех материалов, пользуясь огромным спросом в наши дни. Секрет его популярности заключается в сочетании ряда экономических и технологических достоинств, которые выделяют его среди прочих конкурирующих материалов. Благодаря доступной стоимости материала, удается снизить затраты на строительство многоэтажных зданий и сооружений, мостов, причалов промышленных объектов. При этом железобетонные конструкции позволяют обеспечить необходимую прочность, долговечность и надежность конструкций.

Достоинства железобетона

В настоящее время железобетон находит применение в виде отдельного материала для монолитных конструкций, которые заливаются непосредственно на строительной площадке. Модули и элементы, которые производятся на заводах-изготовителях, выступают в качестве унифицированных железобетонных изделий (ЖБИ), которые отличаются особыми возможностями и характеристиками. При этом железобетон, как материал обладает рядом преимуществ, которыми обусловлена экономическая эффективность его практического применения. Среди них:

• высокий уровень огнестойкости. Бетон и сталь не являются горючими материалами, а потому готовые здания и сооружения не подвержены горению и не поддерживают распространение огня;
• готовый раствор может быть приготовлен не только на предприятии, но и на строительной площадке, не требуя большого числа работников;
• железобетон имеет высокую механическую прочность, высокую сопротивляемость нагрузкам. Целостность конструкции обеспечивается за счет армирования, при помощи которого связывается раствор, не допуская появления разрушений;
• материал является стойким к окислению и устойчивым к появлению коррозии.
• продолжительность срока службы железобетона насчитывает не менее 70 лет, позволяя строить долговечные здания и сооружения;
• железобетон является инертным и не вступает в реакцию с другими веществами, оказываясь не подверженным гниению и распространению грибка;
• материал выделяется невысокой стоимостью;
• наличие разнообразных видов арматуры для упрочнения, видов растворов, обладающих разными свойствами;
• монолитное бетонирование с применением стальных конструкций позволяет возводить сооружения сложной формы и конструкции;
• склонность к самоуплотнению. При воздействии влаги на химический состав бетонный раствор не только может сохранять свои прочностные показатели, но и увеличивают их с течением времени;
• устойчивость ко всем видам динамических и статических нагрузок;
• высокая степень гигиеничности материала;
• небольшие расходы на обслуживание в процессе эксплуатации. По сравнению с прочими видами строительных материалов, а именно: деревом, железом, железобетон является не требовательным и наиболее устойчивым ко всем видам воздействия;
• наличие широкого разнообразия заполнителей с различной фракцией и свойствами для производства растворов с необходимыми характеристиками;
• способность к сдерживанию радиации и излучений;
• доступность сырьевой базы.

Отдельные преимущества вдобавок к вышеуказанным имеют готовые железобетонные изделия:

• здания и сооружения, выполненные из ЖБИ, имеют высокую сейсмическую устойчивость;
• богатый ассортимент блоков, узлов, деталей, конструкций позволяет производить строительство в любое время года, вне зависимости от климатических и температурных условий, способствуя снижению сроков монтажа;
• удобные блоки имеют высокую прочность, надежность и долговечность, благодаря соблюдению технологии производства в заводских условиях;
• высокая трещиностойкость;
• возможность для проведения контроля над всеми стадиями работы;
• практичность и универсальность. Блоки позволяют строить любые дома, строения и сооружения;

Недостатки железобетона

К числу недостатков железобетона и изделий, созданных на его основе можно отнести:

• большой вес. Все железобетонные конструкции отличаются высокой массой, которая повышает требования к фундаменту и расходы на его строительство;
• высокий уровень теплопроводности, необходимость утепления зданий из железобетона;
• затрудненный процесс демонтажа зданий и сооружений, выполненных на основе железобетона;
• трудоемкость при строительстве опалубки при возведении монолитных конструкций;
• необходимость соблюдения определенных температурных условий для застывания бетонного раствора;
• высокий уровень звукопроводности материала и необходимость использования звукоизоляции;
• необходимость наличия квалифицированного персонала и кадров для приготовления раствора по технологии и его практического применения при проведении монолитного строительства, а также при изготовлении ЖБИ;
• возможность растрескивания поверхностей вследствие усадки основания;
• трудоемкость работ связанных с необходимым усилением конструкций зданий и сооружений из железобетона, а также их доработками и изменениями;
• необходимость привлечения специальной грузоподъемной техники для проведения монтажных и погрузочно-разгрузочных работ при транспортировке железобетонных изделий.

Классификация ЖБИ, виды конструкций и бетонов

В настоящее время в индустрии строительства востребованы различные виды бетонов, которые дифференцируются по ряду признаков и критериев

Разновидности ЖБИ

В зависимости от методики, используемой при изготовлении, железобетонные конструкции разделяются на следующие категории:

• железобетон монолитного типа – сооружения, построенные по данной технологии, отличаются тем, что раствор обретает необходимую форму благодаря опалубке. При этом формы заливаются непосредственно на строительной площадке на месте возведения объекта;
• конструкции сборные. Изготовление таких изделий реализуется на заводе-изготовителе. При этом к месту установки их транспортируют в готовом виде;
• железобетонные изделия сборно-монолитной конструкции, которым свойственны характеристики, как сборных, так и монолитных типов изделий.

Целесообразность использования любого из упомянутых видов ЖБИ устанавливается специалистами проектных организаций индивидуально на основании расчетов и анализа условий строительства объекта.

Типы бетона

При изготовлении железобетонных конструкций находят применение различные типа бетонных растворов, которые отличаются включением в их состав специальных и вяжущих компонентов. Среди них:

• ячеистые бетоны – растворы, выполненные на основе кремнеземистого заполнителя и минеральных вяжущих веществ;
• легкие и тяжелые бетоны – силикатные растворы, выполненные на основе песка, цемента, воды и пористых заполнителей с крупной фракцией, а также цемента и воды с крупными и мелкими заполнителями увеличивающими плотность соответственно;
• специальные разновидности растворов, которые отличаются заданными характеристиками в области огневой стойкости, химической устойчивости, с ярко выраженными декоративными свойствами и т. д.

Богатый выбор добавок и материалов позволяет изготовителям обеспечить изделия необходимыми качествами и эксплуатационными характеристиками.

Виды конструкций

Изделия и конструкции, выполненные из железобетона, разделяются в зависимости от типа примененной в процессе изготовления арматуры:

• с жесткой арматурой изготавливаются наиболее прочные и массивные несущие конструкции и закладные детали;
• с использованием гибкой предварительно напряженной, а также ненапряженной арматуры

Область применения

Одним из глобальных преимуществ железобетона является его широкая сфера использования, которая охватывает различные направления строительства. Среди них:

• использование железобетона для строительства многоэтажных жилых домов, комплексов, заведений, торговых центров;
• возведение сельскохозяйственных объектов;
• применение в гидротехни­ческом строительстве при конструировании объектов высокой ответственности дамб и плотин гидроэлектростанций, корпусов и оснований под атомные реакторы, тепловые электростанции;
• строительство объектов транспортной инфраструктуры: причалов, эстакад, набережных, мостов, подземных тоннелей, путепрово­дов, метрополитенов, объектов инфраструктуры железных и автомобильных доро­г, оснований и покрытий дорог, аэродромов, изготовление железобетонных шпал, опор контактной сети;
• сооружение инженерных сооружений, в числе которых водонапорные башни, различные резервуары, тру­бы и. т. д.;
• использование в сфере энергетики для обустройства фундаментов, корпусов объектов, для изготовления опор для прокладки ЛЭП, крепления и фиксации осветительных приборов наружного освещения;
• возведение зданий и сооружений транспортного, гражданского, сельскохозяйственного и промышленного назначения;
• ведения промышленного строительства в машиностроении, судостроении, горнодобывающей, металлургической, химической и других отраслях промышленности для возведения объектов, фундаментов, креплений подземных выработок и т. д.;
• применение бетонных растворов для изготовления саркофагов, в нефтедобывающей промышленности;
• использование железобетона для строительства малоэтажной недвижимости, конструирования загородных домов, объектов ландшафтного дизайна.

Выводы

Невзирая на наличия ряда недостатков, железобетонные изделия были и продолжают оставаться перспективными для современного строительства. Высокие технико-экономические показатели армированного бетона позволяют не только сохранить лидирующие позиции материала на рынке, но и расширять сферу его применения. Подавляющее большинство архитектурных проектов современности включает в себя железобетонные компоненты, а в ряде случаев преимущественно базируются на прочности армированного бетона. Высокая популярность монолитного строительства и железобетонных изделий влечет за собой повышение ассортимента продукции в этом сегменте.

Источник https://esychev.github.io/MaterialsScienceMCW/chapters/chapter_13/chapter13.html

Источник https://oz-gbi.ru/stati/dostoinstva-i-nedostatki-zhelezobetona/