Общие сведения о металлах и сплавах 9 глава

Контрольные вопросы

1. В чем особенности сварки высокоуглеродистых и легированных сталей? 2. В чем отличия горячей и холодной сварки чугуна? 3. Какие особенности сварки алюминиевых сплавов?

Глава 3 Технология железобетонных конструкций

1. Общие сведения

В настоящее время железобетон – основной конструкционный материал и это значение он сохранит на обозримое будущее. Современное строительство не мыслимо без бетона и железобетона, объём его производства и применения ежегодно увеличивается и в 2006 году мировой уровень использования этих конструкционных материалов достиг около трёх миллиардов кубических метров. Железобетон – сложный искусственный композиционный материал, который может обладать уникальными свойствами. Широкие возможности варьирования свойств бетона и железобетонных конструкций, определяемые уровнем развития земной цивилизации, обеспечивают возможность эксплуатации этих конструкций в различных условиях. Эти конструкции характеризуются экологической и радиационно-гигиенической безопасностью, их можно изготавливать из бетона с высокой огнестойкостью, морозостойкостью, коррозионной стойкостью, что предопределяет их надёжность и долговечность. Кроме того, для изготовления этих конструкций могут применяться природные широко распространённые каменные материалы, а также попутные продукты и отходы других производств. Железобетонные конструкции изготавливаются по сравнительно простой технологии, характеризующейся низкой энергоёмкостью, хорошо сочетаются с различными материалами, можно их изготавливать из декоративного бетона, что повышает эстетическую выразительность зданий и сооружений.

Бетон, как любой каменный материал, характеризуется высокой прочностью при сжатии, прочность при растяжении у бетона в 10…20 раз меньше, поэтому в середине ХIХ века была реализована идея по усилению бетона стальной арматурой. Рождение железобетона и его высокая надёжность обусловлены следующими причинами:

– бетон и сталь хорошо сцепляются между собой благодаря клеящей способности бетона, которая усиливается усадочными деформациями твердеющего бетона, применением арматуры периодического профиля (с продольными и поперечными выступами), а также в виде сварных плоских и объёмных арматурных изделий,

– бетон и сталь имеют близкие коэффициенты термического расширения, поэтому колебания температуры при эксплуатации железобетонных конструкций не нарушает сцепление бетона с арматурой,

– бетон защищает арматуру от коррозии благодаря тому, что при твердении цемента поровая влага бетона представляет собой щелочной раствор с рН = 12,5, снижение щёлочности раствора до рН = 11 и менее может привести к коррозии арматуры, значительно стимулируют коррозию стали хлориды и сульфаты,

– защитный слой бетона на поверхности арматуры обеспечивает ее огнестойкость (уменьшает температурные деформации при пожаре),

– арматура применяется также для усиления сжатых зон железобетонных конструкций, для улучшения анкеровки. Кроме того, арматура повышает жесткость и трещиностойкость железобетонных конструкций.

Железобетонные конструкции (фермы, балки, плиты, трубы, шпалы, колонны, сваи, опоры линий электропередач, санитарно-технические кабины, элементы элеваторов, элементы лифтовых шахт, фундаменты и др.), изготавливаемые на специализированных заводах, называются сборными, из них собирают здания и сооружения – например крупнопанельные жилые здания полностью собираются из сборных железобетонных конструкций.

Железобетонные конструкции, изготавливаемые на строительной площадке при строительстве здания или сооружения, называются монолитными.

Помимо сборных и монолитных бывают также сборно-монолитные железобетонные конструкции.

Различают также железобетонные конструкции с обычным армированием и предварительно напряжённые – с арматурой, в которой растягивающие напряжения создаются искусственно, до приложения нагрузок. Арматура, стремясь сжаться, обжимает бетон, что повышает прочность, жёсткость и трещиностойкость железобетонных конструкций.

Контрольные вопросы

1. Что такое бетон? 2. Что является железобетоном? 3. Чем обусловлена высокая надежность и долговечность железобетона?

2. Классификация бетона

Бетон – камнеподобный материал, полученный путем качественного уплотнения и последующего затвердевания рационально подобранной смеси минерального вяжущего, крупного и мелкого заполнителей, добавок и воды.

Бетонная смесь – рационально подобранная и тщательно перемешанная смесь материалов бетона до начала ее затвердевания. Она способна занимать форму опалубки и должна обеспечить необходимые свойства бетона.

Классификация бетонов регламентируется ГОСТ 25192 по нескольким признакам.

По средней плотности

1) Особо тяжелые r_ср>2500 кг/м³.

2) Тяжелые (обычные) и мелкозернистые r_ср=2000...2500 кг/м³.

3) Легкие, крупнопористые, поризованные r_ср=1200...2000 кг/м³.

4) Особо легкие (ячеистые) r_ср=300...1200 кг/м³.

В зависимости от основного назначения бетоны подразделяются на следующие виды:

1) Бетоны конструкционные для несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений к которым предъявляются требования, характеризующие их механические, а в некоторых случаях и др. свойства, включая стойкость против климатических и др. воздействий внешней среды.

2) Специальные бетоны – к ним предъявляются специальные требования в соответствии с условиями эксплуатации конструкций и изделий:

– теплоизоляционные, предназначенные для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений;

– жаростойкие, предназначенные для восприятия воздействия температуры свыше 200⁰С;

– химически стойкие, предназначенные для восприятия химических воздействий агрессивных сред;

– напрягающие на основе напрягающего цемента, предназначенные для создания предварительного напряжения (самонапряжения) арматуры в железобетонных конструкциях в процессе расширения бетона при его твердении после набора первоначальной прочности 15...20 МПа;

– декоративные для отделки конструкций зданий и сооружений;

– бетоно-полимеры – бетоны на минеральных вяжущих, пропитанные полимерами или мономерами с последующим их отверждением;

– полимербетоны на основе полимерного связующего, отвердителей, химически стойких минеральных заполнителей и наполнителей, а также модификаторов различного назначения;

– радиационно-защитные, предназначенные для защиты от g-излучения и быстрых нейтронов.

По виду вяжущего:

1) На цементных вяжущих – на основе клинкерных цементов: ПЦ, ШПЦ, ППЦ, белый и цветные цементы, напрягающий, глиноземистый, включая композиты цементов с полимерными и др. добавками, улучшающими их свойства.

2) На шлаковых вяжущих – на основе молотых шлаков и зол с активизаторами твердения (щелочными растворами, известью, цементом или гипсом).

3) На известковых вяжущих – на основе извести в сочетании с гидравлически активными и (или) кремнеземистыми компонентами (цемент, шлаки, золы, кварцевый песок и активные минеральные добавки). Бетон на известковых вяжущих автоклавного твердения называют «силикатный».

4) На гипсовых вяжущих – на основе полуводного гипса или ангидрита, включая ГЦПВ и др.

5) На специальных вяжущих – на основе органических и неорганических вяжущих, придающих или специальные свойства (полимерных, фосфатных, магнезиальных, жидком стекле и др.)

По виду структуры:

1) Плотной структуры – все пространство между зернами заполнителя заполнено цементным камнем и порами вовлеченного воздуха. Объем межзерновых пустот не более 3% по объему.

2) Поризованные – все пространство между зернами заполнителя заполнено затвердевшим вяжущим, поризованным пенообразующими или газообразующими добавками. Объем межзерновых пустот 3...10%.

3) Крупнопористые – пространство между зернами крупного заполнителя не полностью заполнено зернами мелкого заполнителя и затвердевшим вяжущим. Объем межзерновых пустот 10...40%, продуваемость.

4) Ячеистые – затвердевшая смесь вяжущего, кремнеземистого компонента и искусственных равномерно распределенных пор в виде ячеек, образованных газо- или пенообразователями. Объем межзерновых пустот (ячеек) до 85%.

Контрольные вопросы

1. По каким основным признакам классифицируют бетон? 2. На каких вяжущих может изготавливаться бетон? 3. Какие специальные бетоны вы знаете?

3. Технические требования к тяжелому бетону

1) Прочность бетона в проектном возрасте характеризуется классами прочности на сжатие, осевое растяжение, растяжение при изгибе.

Класс бетона по прочности определяют прочностью базовых образцов бетона в установленном проектном возрасте (28 или 180 сут), испытываемой в соответствии с ГОСТом.

Для тяжелого бетона установлены следующие классы:

а) по прочности на сжатие : В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15...В80 через 5, допускается применение бетона промежуточных классов по прочности при сжатии В22,5 и В27,5;

б) по прочности на осевое растяжение: В_t0,4…B_t4,0 через 0,4;

в) по прочности на растяжение при изгибе: B_tb0,4…B_tb8,0 через 0,4.

Для бетона конструкций, запроектированных до ввода в действие СТ СЭВ 1406 (при нормировании прочности бетона по маркам) установлены следующие марки:

– по прочности при сжатии М50, М75, М100…М600 (через 50), М700, М800, М900, М1000;

– по прочности на осевое растяжение P_t5…P_t50 через 5;

– по прочности на растяжение при изгибе: P_tb5; P_tb10…P_tb100 через 5.

Соотношение между классами и марками бетона при нормативном коэффициенте вариации 13,5%, а для массивных гидротехнических конструкций 17%, приведено в ГОСТ 26633-91.

Средняя прочность бетона каждого класса R определяется по ГОСТ 25192-82 по формуле:

R = B/(0,0980665(1–1,64×0,135))=В/0,0763,

где В – численное значение класса бетона, МПа;

0,0980655 – переходный коэффициент от МПа к кг/см²;

1,64 – статистический коэффициент при 95% обеспеченности;

0,135 – нормативный коэффициент вариации.

2) Для бетонов конструкций, подвергающихся в процессе эксплуатации переменному замораживанию и оттаиванию, назначают следующие марки по морозостойкости:

F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800, F1000.

Марка бетонов по морозостойкости определяется количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания в воде, которое выдерживают контрольные образцы, изготовленные и испытанные согласно требованиям действующих ГОСТ.

3) Для бетонов конструкций, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости или повышенной плотности и коррозионной стойкости, назначают марки по водонепроницаемости: W2…W20 через 2.

Марка по водонепроницаемости определяется максимальной величиной давления воды (в кгс/см²), при котором не наблюдается ее просачивание через контрольные образцы, изготовленные и испытанные в соответствии с действующими ГОСТ.

4) Бетоны для жилищно-гражданского строительства должны соответствовать требованиям основных санитарных правил по удельной активности естественных радионуклидов (не более 25 мкр/час).

Контрольные вопросы

1. Какие основные требования предъявляются к тяжелому бетону? 2. Какой проектный возраст принят для тяжелого бетона? 3. Чем отличается класс бетона от его марки?

4. Технические требования к легким и ячеистым бетонам

Легкий бетон – это композиционный материал средней плотностью не более 2000 кг/м³, получаемый при твердении смеси цементного вяжущего, пористого крупного заполнителя и пористого или плотного мелкого заполнителя.

Классификация легких бетонов также определяется их назначением и свойствами.

По назначению:

1) Конструкционные и конструкционно-теплоизоляционные.

2) Специальные (теплоизоляционные, жаростойкие, химически стойкие и др.).

По виду крупного пористого заполнителя:

1) Керамзитобетон.

2) Шунгизитобетон.

3) Аглопоритобетон (на аглопоритовом щебне).

4) Шлакопемзобетон (термозитовый бетон).

5) Перлитобетон.

6) На щебне из пористых горных пород.

7) Термолитобетон (на продукте обжига опоки, диатомита, трепела для удаления химически связанной воды).

8) Вермикулитобетон.

9) Шлакобетон.

10) На аглопоритовом гравии.

11) На зольном гравии.

По структуре:

1) Плотные, объем межзерновых пустот не более 3%.

2) Поризованные, тот же объем межзерновых пустот, но они заполнены цементно-песчаным раствором повышенной пористости.

3) Крупнопористые, объём межзерновых пустот до 40 %.

По физико-механическим свойствам:

1) Классы по прочности на сжатие В2; 2,5; 3,5; 5…25 через 2,5, В30, В40 – конструкционные; В0,35; 0,75; 1 – теплоизоляционные; марки по прочности на сжатие М35, 50, 75, 100…500 через 50 – конструкционные; М5, 10, 15, 25 – теплоизоляционные.

2) Партионный коэффициент вариации прочности C_v ≤ 9% для М ≥ 150, C_v ≤ 10% для М ≤ 100.

3) По средней плотности марки Д 200...2000 устанавливают по средней плотности образцов бетона в сухом состоянии, фактическая средняя плотность не должна превышать Д на 5% для конструкционных и 7% для теплоизоляционных бетонов.

4) По морозостойкости F25, 35, 50, 75, 100, 150, 200...500 через 100 для конструкционного бетона.

5) По водонепроницаемости W2...W12;

6) По теплопроводности (по коэффициенту теплопроводности) в сухом состоянии, l от 0,07…0,19 Вт/(м×°С) до 0,52…0,54 Вт/(м×°С) в зависимости от крупности заполнителя и марки по плотности;

7) Объем вовлеченного воздуха не более, %:

12 – для бетона на мелком заполнителе;

25 – без мелких заполнителей.

Крупный пористый заполнитель дозируется по фракциям 5…10, 10…20, 20…40 мм, наибольшая крупность должна быть ≤ 3/4 расстояния между арматурой, ≤ 1/3 толщины железобетонного изделия и конструкции. Фракция 20…40 мм для конструкционных бетонов на гравиеподобном заполнителе не допускается.

Марка крупных пористых заполнителей по прочности должна быть не более чем в 2 раза ниже прочности легкого бетона для изготовления которого они применяются.

В качестве мелкого заполнителя для приготовления легких бетонов должны использоваться:

– для теплоизоляционных бетонов – пористые пески r_нас ≤ 300кг/м³;

– для конструкционно-теплоизоляционных бетонов – пористые пески, золы ТЭС, золошлаковые смеси, r_нас=200…1000 кг/м³;

– для конструкционных бетонов – пористые или плотные пески, r_нас = 200…1200 кг/м³.

Вяжущие – портландцемент и его разновидности, ССПЦ, белый ПЦ, цветной ПЦ.

Добавки: для теплоизоляционных – воздухововлекающие, пено- и газообразующие, гидрофобизирующие и пластифицирующие; для конструкционных – регулирующие пористость, гидрофобизирующие, пластификаторы, регуляторы схватывания и твердения, ингибиторы.

Ячеистый бетон приготавливается на вяжущем, наполнителе и характеризуется r_ср ≤1200 кг/м³.