Железобетон

Железобето́н

Сочетание бетона и стальной арматуры, монолитно соединённых и совместно работающих в конструкции. Термин «Ж.» нередко употребляется как собирательное название железобетонных конструкций и изделий (См. Железобетонные конструкции и изделия). Идея сочетания в Ж. двух крайне различающихся своими свойствами материалов основана на том, что прочность Бетона при растяжении значительно (в 10—20 раз) меньше, чем при сжатии, поэтому в железобетонной конструкции он предназначается для восприятия сжимающих усилий; сталь же, обладающая высоким временным сопротивлением при растяжении и вводимая в бетон в виде арматуры (см. Арматурная сталь), используется главным образом для восприятия растягивающих усилий. Взаимодействие столь различных материалов весьма эффективно: бетон при твердении прочно сцепляется со стальной арматурой и надёжно защищает её от коррозии, т. к. в процессе гидратации цемента образуется щелочная среда; монолитность бетона и арматуры обеспечивается также относительной близостью их коэффициентов линейного расширения (для бетона от 7,5•10-6 до 12•10-6, для стальной арматуры 12∙10-6); в пределах изменения температуры от —40 до 60°С основные физико-механические характеристики бетона и арматуры практически не изменяются, что позволяет применять Ж. во всех климатических зонах.

Основа взаимодействия бетона и арматуры — наличие сцепления между ними. Значение сцепления или сопротивления сдвигу арматуры в бетоне зависит от следующих факторов: механического зацепления в бетоне специальных выступов или неровностей арматуры, сил трения от обжатия арматуры бетоном в результате его усадки (уменьшения в объёме при твердении на воздухе) и сил молекулярного взаимодействия (склеивания) арматуры с бетоном; определяющим является фактор механического зацепления. Применение арматуры периодического профиля (см. Арматура железобетонных конструкций), сварных каркасов и сеток, устройство крюков и анкеров увеличивают сцепление арматуры с бетоном и улучшают их совместную работу.

Нарушение структуры и заметное снижение прочности бетона наступает при температуре свыше 60°С; при кратковременном воздействии температуры в 200°С прочность бетона снижается на 30%, а при длительном — на 40%. температура в 500—600°С является для обычного бетона критической, при которой он разрушается в результате обезвоживания и разрыва скелета цементного камня. Поэтому обычный Ж. рекомендуется применять при температуре не выше 200°С. В тепловых агрегатах, работающих при температурах до 1700°С, используется Жаростойкий бетон. Для предохранения арматуры от коррозии и быстрого нагревания (например, при пожаре), а также надёжного её сцепления с бетоном в железобетонных конструкциях предусматривается устройство защитного слоя бетона толщиной от 10 до 30 мм; в агрессивной среде толщина защитного слоя увеличивается.

Большое значение для Ж. имеют усадка и ползучесть бетона. В результате сцепления арматура препятствует свободной усадке бетона, что приводит к возникновению начальных напряжений растяжения в бетоне и сжимающих напряжений в арматуре. Ползучесть бетона вызывает перераспределение усилий в статически неопределимых системах (См. Статически неопределимая система), увеличение прогибов в изгибаемых элементах, перераспределение напряжении между бетоном и арматурой в сжатых элементах и т. д. Эти свойства бетона учитываются при проектировании железобетонных конструкций. Усадка и низкая предельная растяжимость бетона (0,15 мм на 1 м) приводят к неизбежному появлению трещин в растянутой зоне конструкций при эксплуатационных нагрузках. Практика показывает, что при нормальных условиях эксплуатации трещины шириной раскрытия до 0,3 мм не снижают несущей способности и долговечности Ж. Однако низкая трещиностойкость ограничивает возможности дальнейшего совершенствования Ж. и, в частности, использования для арматуры более экономичных высокопрочных сталей. Избежать образования трещин в Ж. можно методом предварительного напряжения, при котором бетон в растянутых зонах конструкции подвергается искусственному обжатию (см. Предварительно напряжённые конструкции) за счёт предварительного (механического или электротермического) растяжения арматуры. Дальнейшим развитием предварительно напряжённого Ж. являются самонапряжённые железобетонные конструкции, в которых обжатие бетона и растяжение арматуры достигаются в результате расширения бетона (изготовленного на т. н. напрягающем цементе) при определенной температурно-влажностной обработке. Благодаря своим высоким технико-экономическим показателям (выгодное использование высокопрочных материалов, отсутствие трещин, сокращение расхода арматуры и др.) предварительно напряжённый Ж. успешно применяется в несущих конструкциях зданий и инженерных сооружений. Существенный недостаток Ж. — большая объёмная масса — в значительной мере устраняется при использовании лёгких бетонов (См. Лёгкий бетон) (на искусственных и природных пористых заполнителях) и ячеистых бетонов (См. Ячеистый бетон).

Широкое распространение Ж. в современном строительстве обусловлено его большими техническими и экономическими преимуществами по сравнению с др. материалами. Сооружения из Ж. огнестойки и долговечны, не требуют специальных защитных мер от разрушающих атмосферных воздействий; прочность бетона со временем увеличивается, а арматура не поддаётся коррозии, будучи защищенной окружающим её бетоном. Ж. обладает высокой несущей способностью, хорошо воспринимает статические и динамические (в т. ч. сейсмические) нагрузки. Из Ж. относительно легко создавать сооружения и конструкции самых разнообразных форм, достигающих большой архитектурной выразительности. Основной объём Ж. составляют повсеместно распространённые материалы — щебень, гравий, песок. Применение сборного Ж. позволяет значительно повысить уровень индустриализации строительства; конструкции изготовляются заранее на хорошо оснащенных заводах, а на строительных площадках выполняется только монтаж готовых элементов механизированными средствами. Тем самым обеспечиваются высокие темпы возведения зданий и сооружений, а также экономия денежных и трудовых затрат.

Принято считать, что начало применения Ж. связано с именем парижского садовника Ж. Монье, получившего ряд патентов на изобретения по Ж. во Франции и в др. странах; первый его патент на цветочную кадку из проволочной сетки, покрытой цементным раствором, относится к 1867. Фактически конструкции из бетона со стальной арматурой возводились и раньше. Заметную роль в строительной технике России, Западной Европы и Америки Ж. начал играть лишь в конце 19 в. Большая заслуга в развитии Ж. в России принадлежит профессору Н. А. Белелюбскому, под руководством которого был возведён ряд сооружений и проведены испытания различных железобетонных конструкций. В начале 20 в. вопросы технологии бетона, бетонных и железобетонных работ, проектирования сооружений с применением Ж. разрабатывали видные русские учёные — профессора И. Г. Малюга, Н. А. Житкевич, С. И. Дружинин, Н. К. Лахтин. Появились оригинальные конструкции, предложенные инженерами Н. М. Абрамовым, А. Ф. Лолейтом и др. Первым крупным сооружением, выполненным из бетона и Ж. в Советском Союзе, была Волховская ГЭС, явившаяся большой практической школой для советских специалистов по Ж. В последующие годы Ж. применялся во всё возрастающих размерах. Расширению производства Ж. способствовали серьёзные достижения в развитии теории расчёта конструкций из этого нового строительного материала. В СССР с 1938 получил практическое применение прогрессивный метод расчёта Ж. на прочность по стадии разрушения, разработанный советскими учёными А. А. Гвоздевым, Я. В. Столяровым, В. И. Мурашёвым и др. на основе предложений А. Ф. Лолейта. Всестороннее развитие этот метод получил в расчёте железобетонных конструкций по предельным состояниям (См. Предельное состояние). Достижения советской школы теории Ж. получили всеобщее признание и используются в большинстве зарубежных стран. Дальнейшее совершенствование Ж. и расширение областей его применения связаны с проведением широкого круга научно-исследовательских работ. Предусматривается значительное повышение технического уровня Ж. за счёт уменьшения его объёмной массы, использования высокопрочных бетонов и арматуры, развития методов расчёта Ж. при сложных внешних воздействиях, повышения долговечности Ж. при воздействии коррозионной среды и др.

Лит.: Столяров Я. В., Введение в теорию железобетона, М. — Л., 1941; Гвоздев А. А., Расчёт несущей способности конструкций по методу предельного равновесия, в. 1, М., 1949; Мурашов В. И., Трещиноустойчивость, жёсткость и прочность железобетона, М., 1950; Берг О. Я., Физические основы теории прочности бетона и железобетона, М., 1961; Развитие бетона и железобетона в СССР, под ред. К. В. Михайлова, М., 1969; Cent ans de béton armé. 1849—1949, P., 1949.

К. В. Михайлов.