В мире железобетонных изделий: история создания, виды ЖБИ

Железо и бетон. Два класса веществ с существенно различными физико-химическими свойствами. Порознь человечество использовало их на протяжении тысячелетий - бетоном пользовались древние римляне. Но только сравнительно недавно, соединив их , мы получили железобетон - искусственный материал, превосходящий своими возможностями каждый из компонентов. Сталь неизмеримо прочнее бетона, но она дорога и подвержена коррозии. Бетон хорошо противостоит напряжениям сжатия, но 10-15 раз слабее при нагрузках на растяжение. Сталь имеет очень высокую прочность на растяжение, она и воспринимает на себя растягивающие напряжения в ЖБИ. При использовании ЖБИ в изделиях, работающих на изгиб, т. е. одновременно и с растягивающими, и с сжимающими напряжениями, сталь воспринимает на себя первые, а бетон - вторые нагрузки. Таким образом, по механической прочности железобетон сопоставим со свойствами стали, а стойкость к химически агрессивным средам он унаследовал от бетона.

Это счастливое сочетание стало возможным благодаря следующим обстоятельствам: во-первых, значения важнейшего физического параметра, коэффициента термического расширения стали и бетона практически совпадают, и в результате железобетон монолитен; во-вторых, бетон очень прочно соединяется с арматурой, и оба материала при нагружении работают совместно; в-третьих, бетонная оболочка защищает арматуру от коррозии.

Таким образом, железобетон не только дешев, огнеупорен, прочен, долговечен, но и может эксплуатироваться в широчайшем диапазоне температурных режимов. Из него формируют изделия любого размера и формы, массой от нескольких килограммов до тысяч тонн.

Железобетон используется не только в производстве строительных конструкций - хотя это, конечно, основная область его применения. Железобетон может быть даже материалом для произведений искусства. Так, знаменитая статуя Христа Спасителя, простирающая руки над Рио-де-Жанейро, является гигантской железобетонной конструкций высотой около 40 метров и весом 1200 тонн! В будущем году, 12 октября, исполнится 80 лет со дня установки памятника. Он расположен на высоком холме и поэтому каждый год в него ударяет множество молнии. Но только сейчас будут проводиться работы, связанные с реставрацией статуи, причем в основном это касается с восстановления ее облицовки мыльным камнем...

Немного истории

Многие считают, что железобетон появился где-то на грани XIX-XX веков. Это понятно, потому что этот материал ассоциируется с массовый застройкой середины прошлого столетия, где он широко использовался. Но на самом деле его изобрели раньше, еще в 1848 году. Первым изделием из железобетона - цемента с арматурной сеткой внутри - была... лодка! Ее изготовил французский адвокат ж. Л. Ламбо. В 1855 году он показал её на Всемирной Парижской выставке, и это была сенсация. Причем железобетонная лодка после этого прослужила почти полвека.

Хотя адвокат Ламбо запатентовал свое плавсредство из нового материала, как таковой железобетон был запатентован другим человеком, также далеким от области строительства. Им стал... садовник из Версаля Ж. Монье. Его детищем стала цементная кадка для пальм, армированная железной сеткой. Он получил патент в 1867 году и стал активно его продвигать. Так что именно 1867 год официально считается город рождения железобетона. Садовник проявил незаурядные деловые качества и вскоре уже изготавливал железобетонные конструкция для мостов и зданий.

Третье имя в истории создания ЖБИ - Франсуа Куанье. Он запатентовал в 1855 году способ перекрестного армирования бетона, прекрасно приспособленного для нужд строительства и первый указал на то, что бетон и арматура в ЖБИ работают совместно. Париж начала 1850-х годов массово, целыми кварталами, застраивался зданиями из железобетона Куанье. А в 1864 году он выстроил первую железобетонную церковь.

Что касается Англии, то там в 1875 году запатентован первый дом из сборного железобетона, а в 1903 году сооружен первый железобетонный мост.

Начало применения нового материала в России происходило в этот же период.

Виды ЖБИ

Изделия из железобетона могут быть «изделиями» -ЖБИ и «конструкциями» - ЖБК.

Все железобетонные изделия, вне зависимости от других параметров, разделяются на два основных класса: монолитные и сборные. Первые возводятся прямо на том месте, где запроектирована их установка, вторые изготавливают на заводах ЖБИ и специализированных полигонах. Далее мы будем рассматривать только сборные ЖБИ.

Сборные ЖБИ различаются по следующим типам:

• по виду армирования;
• виду применяемого бетона;
• внутреннему строению.

1. Железобетонные изделия бывают с обычным армированием, в которое не наводится искусственно предварительное напряжение, и предварительно напряженные. Предварительное напряжение - растяжение - арматуры производят в тех местах, которые будут работать на изгиб. Растянутая арматура, сокращаясь, сожмет бетон, компенсируя разницу коэффициентов деформации стали и бетона (при одинаковой нагрузке сталь растягивает примерно в 5 раз больше, чем бетон). Поэтому трещины в готовом изделии смогут появиться только если растягивающие нагрузки превысят уровень нагрузки предварительного сжатия.

В свою очередь, предварительно напряженные ЖБИ подразделяются на:

• а) те, в которых напряжение арматуры производят до затвердения бетона,
• б) те, которые напрягают уже когда бетон достиг определенной степени затвердения.

В первом случае арматура одним концом закрепляется в форме, а с другого к ней прикладывается растягивающее напряжение. Когда форму заполнят раствором и он затвердеет, арматуру освобождают и она, сокращаясь, обжимает элемент, в котором находится. Во втором случае арматуру монтируют внутри канала. Когда бетон затвердеет, арматуру натягивают и заполняют канал раствором. Полностью затвердевшее изделие будет напряженным.

Метод предварительного напряжения прогрессивен, он позволяет не только увеличить прочность и долговечность изделия, но и снизить его вес (а значит, и цену).

2. Применяемые в ЖБИ бетоны различаются:

а. по плотности (ρ). Это могут быть бетоны особотяжелые (ρ > 2,5 т/м3), тяжелые (ρ от 1,8 до 2,5 т/м3), легкие (ρ в пределах от 0,5 до 1,8 т/м3) и особолегкие (ρ < 0,5 т/м3).

б. по видам. Виды применяемых бетонов могут быть разнообразными: и обычные цементные, и силикатные, и специальные - жаростойкие, декоративные и т. д. Большое разнообразие в свойства бетонов вносят применяемые добавки, вяжущие и пластификаторы.

3. По внутренней структуре ЖБИ могут быть сплошными, с пустотами, однородными по применяемому бетону и многослойными; включающие дополнительные материалы.

Номенклатура ЖБИ

Огромное многообразие сборных железобетонных изделий определяется сферами их применения. В зависимости от сферы своего применения сборные железобетонные изделия подразделяют на четыре основные группы: ЖБИ для жилых и прочих общественных зданий, ЖБИ для промышленных зданий; ЖБИ для инженерных сооружений; ЖБИ общего назначения.

Разделение это носит условный характер, поскольку один и тот же элемент может применяться для разных целей. Например, фундаментные блоки используются и для жилых, и для промышленных зданий, и как элементы дорожного ограждения. Кроме того, одни и те же по названию изделия могут иметь широчайший спектр типоразмеров и отличаться по внутреннему строению и типу арматуры.

ЖБИ для общественных зданий, в т. ч. жилых.

1. Элементы фундаментов и других заглубленных частей зданий. К ним относятся фундаментные плиты, фундаментные блоки, а также сваи, панели, ЖБИ для каналов, проходящих в пределах здания, и т. д. Для их изготовления применяются тяжелых бетоны.

Использование сборных ЖБИ для монтажа фундамента и нижних частей здания по сравнению с другими технологиями удобнее, экономичней примерно на 10-15 процентов , а также позволяет проводить работы и в холодное время года.

2. Элементы каркасов зданий. Они включают в себя различные колонны, балки, фермы, ригели, прогоны. Применяется тяжелый армированный бетон.

3. ЖБИ для монтажа различных стен. Стеновые панели: для наружных стен отапливаемых и не отапливаемых зданий, внутренних стен, перегородок. Поскольку стены, которые монтируются из изделий этого класса, очень разнообразны, то и сами панели имеют различную, иногда весьма сложную внутреннюю структуру. Это связано с необходимость обеспечить тепло- и звукоизоляцию здания и максимально облегчить вес конструкций при сохранении прочностных характеристик. Изготавливаются панели из бетонов различных марок.

Стеновые блоки (для наружных и внутренних стен) также разнообразны по внутренней структуре. Для их производства применяют легкий бетон.

4. ЖБИ для междуэтажных перекрытий. Это разнообразнейшие панели перекрытий, полов и потолка и настилы перекрытий. Создание настилов позволило объединить две операции: предварительный монтаж балок и последующую укладку на них плит. Настилы имеют внутренние пустоты, снижающие их вес. Экономия в области создания этих элементов очень важна, поскольку именно на перекрытия приходится до 20% всей стоимости здания.

5. Лестничные железобетонные элементы. Этот класс ЖБИ составляют лестничные марши, которые изготавливают в формах со ступенчатым профилем, площадки, имеющие облицовочный слой с высокой износостойкостью, ступени и проступи.

6. Объемные железобетонные элементы. Это сравнительно новые разработки, позволяющие монтировать здания из готовых квартирных блоков. Они уже на заводе могут быть оснащены всем требуемым для комнат оборудованием, вплоть до встроенной мебели. Объемные блоки или собирают из отдельных составных железобетонных элементов, или целиком изготавливают в объемных формах. Последний, монолитный вариант менее трудоемок и придает изделию большую жесткость.

7. Элементы санитарно-технических коммуникаций. Эти ЖБИ применяются в сборном домостроении для обеспечения здания соответствующими коммуникациями. При их изготовлении трубы отопления, канализации и т. п. монолитно монтируются внутри специальных панелей и блоков. Уже на стройплощадке стыки коммуникаций, выходящие из железобетонных элементов, соединяют и получают готовую систему, проходящую внутри здания.

8. Готовые кабины санитарно-технические узлов. Это объемные элементы, которые прямо на заводе монтируются в совершенно готовом виде и оборудуются ванной, смесителями, и т. д., вплоть до крючков для одежды. Их применение приносит существенную экономию в стоимость строительства.

9. Железобетонные блоки для устройства вентиляции и мусоропроводов. Эти элементы имеют необходимые элементы и пазы для проводки соответствующих систем.

10. ЖБИ для изготовления оград. Современные технологии позволяют изготавливать прочные, морозоустойчивые и атмосферостойкие сборные ограды из железобетона. Для них используются бетоны марок не ниже 300. Они могут иметь очень привлекательный и разнообразный вид. Это касается и формы, и цвета и использования отделочных материалов на их поверхности.

ЖБИ для промышленных зданий.

Промышленные здания, конечно, нуждаются и в стенах, и в фундаментах и т. д. Поэтому номенклатура ЖБИ, используемых для их возведения, включает предыдущий раздел. Конечно, здесь есть свои отличия, например, для устройства покрытий применяют специальные плиты и оболочки. При изготовлении строительных элементов для промышленных объектов особенно уместно использовать сравнительно новый вид железобетона - армоцемент. В нем раствор армирован с помощью тонких стальных сеток, уложенных рядами. ЖБИ из армоцемента при толщине всего 1-2 см по прочности сравнимы со сталью и полностью водонепроницаемы.

Однако спецификой промышленного строительства является его крупномасштабность, требующая применения особых типов ЖБИ. Для них изготавливают такие элементы, как колонны, балки больших проемов и подкрановые и фермы и ряд других.

Колонны. Этот класс элементов весьма разнообразен по своей конструкции и внутренней структуре. Современные технологии позволяют изготавливать колонны высотой боле 30 метров. Для них используют бетоны марок 300-400.

Фермы и арки. Эти крупномасштабные элементы изготавливают предварительно напряженными. Пролет ферм может превышать 30 м. Для перекрытия пролетов большего размера используют железобетонные арки. Самые большие собирают из полуарок (вес одной полуарки может превышать 30 тонн).

 Балки. Их основные унифицированные размеры составляют 12, 18, 24 м. В сечении - тавр или двутавр. Бетон применяют тот же, что и для колонн.

ЖБИ для инженерных сооружений.

Сегодня этот класс, естественно, отличается большим разнообразием. Остановимся на основных разделах.

ЖБИ для строительства мостов: это пролетные строения, стойки опор, блоки фундаментов, сваи и т. д. В силу специфики все они при высочайшей прочности должны обладать и морозостойкостью. Допускается применение марок не ниже F200. (Это значит, что изделие может 200 и более раз выдержать цикл замораживания-размораживания без существенных потерь в прочностных характеристиках).

ЖБИ для транспортного строительства: туннелей, метрополитенов, автодорог, аэропортов, железных дорог, и др.. Это блоки и тюбинги, колонны, плиты покрытий, перекрытия, шпалы, опоры контактной линии и т. д. Они требуют именения материалов и технологий, обеспечивающих максимальную механическую прочность, а также морозостойкость и влагонепроницаемость.

ЖБИ для гидротехнических объектов: балки, сваи, плиты эстакад портов, подпорные элементы набережных, дренажные трубы и т. д.

Поскольку многие из этих элементов в процессе эксплуатации подвергаются воздействию мощных водных потоков, они должны обладать, вдобавок к повышенной морозоустойчивости и водонепроницаемости, высокой износоустойчивостью.

ЖБИ для аграрного строительства.

В основном эти элементы не отличаются от ЖБИ для гражданского строительства. Но есть некоторая специфика. Например, поверхность силосных сооружений должна иметь защитный слой, предохраняющий ЖБИ от воздействия химически агрессивной среды. Имеется своеобразие и в конструкции некоторых элементов, таких, как сборные кольца: при возведении строений башенного типа с большим диаметром вместо них применяют криволинейные плиты.

ЖБИ общего назначения

Этот раздел объединяет ЖБИ которые не вписываются в предыдущие. Это такие элементы, как стенки для пешеходных переходов, трубы общего назначения, стойки для светильников (аналог опор для подвески проводов на железных дорогах) и т. д. Железобетонные трубы разделяют на безнапорные (например, для канализации) и напорные, рассчитанные на сопротивление гидростатическому давлению. В последнем случае практически неизбежно применение предварительное напряжение арматуры. Трубы должны иметь повышенную химическую стойкость.

Перспективы для ЖБИ

Сегодня многообразные изделия из железобетона представляют целый мир, в котором отражаются практически все сферы постоянно совершенствующейся человеческой деятельности. Поэтому развитие области изготовления ЖБИ происходит в двух направлениях. Первое - создание конструкционно новых элементов из уже существующих материалов. Эта область, ввиду возможностей железобетона, о которых говорилось в начале, практически неисчерпаема. Особое внимание здесь уделяется способам уменьшения веса ЖБИ при сохранении или увеличении их прочностных свойств. Надо также сказать, что немаловажным является увеличение эстетической привлекательности железобетонных изделий и конструкций.

Второе направление - развитие технологии получения материалов с новыми и улучшенными свойствами. Это направление имеет много резервов, в первую очередь связанных с разработкой новых добавок для бетона и его специальной обработкой.