Бетон має недолік, властивий всім кам'яним як природним, так і штучних матеріалів, - він добре працює на стиск, але погано чинить опір вигину і розтягування. Міцність бетону при розтягуванні складає всього близько '/ ю-Vis-його міцності на стиск. Щоб підвищити міцність бетонних конструкцій на розтягнення і вигин, в бетон укладають сталевий дріт або стержні, називаючи-
260
ються арматурою. Арматури-ра в перекладі з латинсько-го означає «озброєнь-ня», т. Е. Сталева арматури-туру як би озброює, зміцнює бетон. Армі-ний сталевими стрижнями бетон називаючи-ють залізобетоном.
Мал. 13.1. Неармована бетонна (а) і армуються-ванна залізобетонна (6) балка:
Кам'яні конструк-ції, армовані ме-них металів, були відомі давно, але в сучасному вигляді залізобетон співаючи-вився лише в другій по-Ловін XIX в. коли було освоєно промислове виробництво портландцементу. Патент на винахід залізобетону був виданий французу Ж. Моньє в 1867 р хоча відомі спроби використання залізобетону і до нього (наприклад, в 1849 р інженером Г. Е. Паукер в Росії і в 1845 р В. Уїлкинсоном в Англії). Спочатку залізобетон застосовувався досить обмежено. В даний час це основний конструкційний матеріал в жител-ном і промисловому будівництві.
Залізобетон - це не два різнорідних матеріалу: бетон і сталь, а новий матеріал, в якому сталь і бетон працюють спільно, допомагаючи один одному. Це пояснюється наступним. Бетон при твердінні на повітрі зменшується в об'ємі, щільно охоплюючи арматуру. Міцність зчеплення арматури з бетоном досягає великих значень. Так, щоб висмикнути з бетону стрижень діаметром 30 мм, введений в бетон на глибину 300 мм, потрібна сила не менше 10 кН. Зчеплення сталі з бетоном не порушується і при сильних перепадах температури, так як коефіцієнти теплового розширення сталі і бетону майже однаковий-ви. Хороше зчеплення стали з бетоном призводить до того, що під навантаженням ці два матеріали працюють як одне ціле.
Сенс армування можна пояснити на елементах, що працюють на вигин (балках, ригелях). У таких елементах частина поперечного перерізу елемента піддається стиску, а інша - розтягування. Якщо балку виготовити з неармированного бетону, то внаслідок низької його міцності на розтяг (1-4 МПа) вже під невеликим навантаженням бетон в розтягнутій зоні розтріскується (рис. 13.1, а) і балка руйнуючої-шітся. Якщо ж в розтягнуту зону ввести сталеву арматуру, то вона прийме на себе розтягують напруги (міцність сталі при розтягуванні більше 200 МПа), і балка, хоча на ній можуть з'явитися тріщини, які не зруйнується навіть при великих навантаженнях (рис. 13.1, б). В
ряді випадків армують елементи, що працюють і на стиск (колони. палі), так як і на стиск сталь в 5. 10 разів міцніше бетону.
Причиною, чому арматура приймає на себе більшу частину навантаження, є відмінність в модулях пружності стали 2 • 105 МПа і бетону (2. 3) х 104 МПа. Через те, що модуль пружності стали в 10 разів вище модуля пружності бетону, при навантаженні залізобетонного елемента напруги, що виникають в стали, приблизно в 10 разів вище, ніж напруги в бетоні, т. Е. В матеріалі відбувається як би перерозподіл навантаження.
Бетон завдяки своїй щільності та водонепроникності, з одного боку, і лужної реакції цементного каменю в бетоні, з іншого, захищає сталь від корозії. Крім того, бетон як порівняно поганий провідник теплоти захищає сталь від швидкого нагрівання при пожежах. Сталеві конструкції під час пожежі швидко нагріваються, сталь розм'якшується і вся конструкція починає деформуватися навіть під власною вагою. У залізобетонних конструкціях сталева арматури-туру захищена від вогню шаром бетону. Так, досліди показали, що при температурі поверхні бетону 1000 ° С арматура, яка перебуває на глибині 50 мм, через 2 год нагріється лише до 500 ° С.
У сучасному будівництві все більше застосування знаходить напружено-армований бетон. Спробуємо пояснити, чому по-з'явився такий метод армування. Як вже говорилося, міцність бетону на розтяг в 10. 20 разів нижче, ніж на стиск. У залізобетоні цей недолік усувають введенням в розтягнуту зону арматури. Однак через недостатню розтяжності бетону в розтягнутій його зоні виникають тріщини, після чого все навантаження сприймає тільки арматура. Поки ширина тріщини менше 0,1. 0,2 мм (так звані волосяні тріщини), вони не є небезпечними з точки зору зчеплення арматури з бетоном і корозії арматури.
При застосуванні для армування високоміцних сталей повне використання їх міцності супроводжується відносно великим подовженням арматури, що призводить до сильного розтріскування бе-тону, а це, в свою чергу, - до корозії арматури через оголення її поверхні. Звідси випливає, що при звичайному способі армован-ня застосування високоміцної арматури нераціонально. При армування-ровании такий арматурою застосовують метод попереднього натягу арматури.
Сутність цього методу полягає в тому, що до завантаження залізобе-тонної конструкції корисним навантаженням її арматуру розтягують на зразок гумового джгута; упором при цьому служить бетон. Естест-венно, що чим сильніше розтягнута арматура, тим більше буде стиснутий бетон. Коли ж до конструкції прикладена корисне навантаження, напругу вання від неї, що виникають в розтягнутій зоні бетону, частково компенсуються попередньо створеними стискають напруги-нями. Тому в розтягнутій зоні бетону не виникнуть тріщини, а
попередньо напружена арматура отримає від навантаження додаткового-тельное напруга і її висока міцність буде реалізована в великій мірі.
В даний час застосовують два способи отримання напружений-но-армованого бетону. Один з них полягає в тому, що арматуру натягують і закріплюють на спеціальних анкерах, а потім укладають бетон. Після того як бетон досить затвердіє, арматуру звільняються-дають і вона, стискаючи, стискає бетон. Інший спосіб: в бетоні залишають спеціальні канали для напруженої арматури. Після затвердіння бетону арматуру вводять в канали і натягують, викорис-чаплі в якості опори затверділий бетон. При цьому в бетоні виникають стискають напруги. Після натягу арматури канали заповнені-ють цементним розчином.
У попередньо напружених залізобетонних конструкціях більш повно використовується міцність сталі і бетону, тому зменшується маса виробів. Крім того, попереднє обтиснення бетону, перешкоджаючи утворенню тріщин, підвищує його долговеч-ність.
Завдяки універсальності і комплексу цінних властивостей залізо-бетон на важкому і легкому бетоні використовують для будівництва всіх типів будівель та інженерних споруд. Так, масове будівництво житлових будинків здійснюється зі збірного залізобетону, причому з нього виконують всі елементи будівлі. У багатоповерхових цегляних будинках фундаменти і перекриття - залізобетонні. Промисло-ні будівлі та інженерні споруди в основному зводять з желе-зобетона.
Залежно від способу виготовлення залізобетонні конструк-ції можуть бути монолітними або збірними.