ЖЕЛЕЗОБЕТО́Н

ЖЕЛЕЗОБЕТО́Н, строи­тель­ный ма­те­ри­ал, со­стоя­щий из бе­то­на и ста­ли, ко­то­рые ра­бо­та­ют под на­груз­кой как еди­ная сис­те­ма. Со­че­та­ние в Ж. двух раз­лич­ных по струк­ту­ре и фи­зи­ко-ме­ха­нич. свой­ст­вам ма­те­риа­лов обес­пе­чи­ва­ет уси­ле­ние сла­бо ра­бо­таю­ще­го на рас­тя­же­ние бе­то­на сталь­ной ар­ма­ту­рой, ко­то­рая оди­на­ко­во хо­ро­шо со­про­тив­ля­ет­ся и рас­тя­же­нию, и сжа­тию, вос­пол­няя не­дос­тат­ки бе­то­на как кон­ст­рукц. ма­те­риа­ла. Не­су­щая спо­соб­ность Ж. за­ви­сит от ко­ли­че­ст­ва ар­ма­ту­ры: ар­ми­ро­ва­ние 1–2% от пло­ща­ди по­пе­реч­но­го се­че­ния из­ги­бае­мо­го эле­мен­та по­зво­ля­ет уве­ли­чить его не­су­щую спо­соб­ность при­мер­но в 20 раз по срав­нению с чис­то бе­тон­ным. На­ли­чие ар­мату­ры в жел.-бе­тон. сжа­тых ко­лон­нах (стой­ках) да­ёт воз­мож­ность умень­шить их по­пе­реч­ные раз­ме­ры.

Взаимодействие бетона и арматуры в железобетоне

Со­вме­ст­ная ра­бо­та бе­то­на и ар­ма­тур­ной ста­ли в же­ле­зо­бе­то­не обес­пе­чи­ва­ет­ся: на­дёж­ным сце­п­ле­ни­ем ар­ма­ту­ры с бе­то­ном по­сле его за­твер­дева­ния, в ре­зуль­та­те че­го оба ма­те­риа­ла де­фор­ми­ру­ют­ся со­вме­ст­но; близ­ки­ми по зна­че­нию ко­эф­фи­ци­ен­та­ми ли­ней­ных тем­пе­ра­тур­ных де­фор­ма­ций (для бе­то­на 0,7·10^–5 – 1,5·10^–5 °C^–1, для ста­ли 1,2·10^–5 °C^–1), что ис­клю­ча­ет до­пол­нит. на­пря­же­ния в зо­не кон­так­та бе­то­на и ар­ма­ту­ры при из­ме­не­нии темп-ры от –40 до 50 °C; на­ли­чи­ем за­щит­но­го слоя бе­то­на для ар­ма­тур­ной ста­ли, ко­то­рый так­же пре­до­хра­ня­ет ар­ма­ту­ру от кор­ро­зии, воз­дей­ст­вия вы­со­ких темп-р и др.

Ос­но­ва со­вме­ст­ной ра­бо­ты бе­то­на и ар­ма­ту­ры – на­ли­чие сце­п­ле­ния ме­ж­ду ни­ми. Ве­ли­чи­на сце­п­ле­ния на по­верх­но­сти ар­ма­ту­ры за­ви­сит от сле­дую­щих фак­то­ров: ме­ха­нич. за­це­п­ле­ния пе­рио­дич. про­фи­ля ар­ма­ту­ры (см. Ар­ма­ту­ра же­ле­зо­бе­тон­ных кон­ст­рук­ций) за бе­тон (70–80% от об­щих сдви­го­вых уси­лий); ад­ге­зии ар­ма­ту­ры к бе­то­ну. Для уси­ле­ния сце­п­ле­ния глад­кой ар­ма­ту­ры с бе­то­ном на кон­цах стерж­ней в отд. слу­ча­ях уст­раи­ва­ют за­ги­бы и крю­ки. На­пря­гае­мую ар­ма­ту­ру кре­пят при по­мо­щи спец. ан­кер­ных уст­ройств.

Осо­бен­но­стью ра­бо­ты Ж. в кон­ст­рук­ци­ях яв­ля­ет­ся воз­мож­ность об­ра­зо­ва­ния тре­щин в рас­тя­ну­той зо­не при дей­ст­вии внеш­них на­гру­зок. Ши­ри­на их рас­кры­тия в ста­дии экс­плуа­та­ции со­став­ля­ет 0,1–0,4 мм, это не на­ру­ша­ет нор­маль­ную ра­бо­ту жел.-бе­тон. кон­ст­рук­ций и не вы­зы­ва­ет кор­ро­зии ар­ма­ту­ры. Для по­вы­ше­ния жё­ст­ко­сти и тре­щи­но­стой­ко­сти Ж. или ис­клю­че­ния тре­щин во­об­ще (по ус­ло­ви­ям экс­плуа­та­ции) Ж. под­вер­га­ют об­жа­тию пу­тём пред­ва­ри­тель­но­го (до при­ложе­ния внеш­ней на­груз­ки) на­тя­же­ния ар­ма­ту­ры. Та­кой Ж. на­зы­ва­ет­ся пред­ва­ри­тель­но на­пря­жён­ным (см. Пред­ва­ри­тель­но на­пря­жён­ные кон­ст­рук­ции).

На­ли­чие ар­ма­ту­ры в Ж. су­ще­ст­вен­но влия­ет на по­след­ст­вия усад­ки и пол­зу­чести бе­то­на. Си­лы сце­п­ле­ния ар­ма­ту­ры с бе­то­ном вы­зы­ва­ют стес­не­ние ар­ма­ту­рой де­фор­ма­ций усад­ки бе­то­на, что при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию в Ж. на­чаль­ных на­пря­же­ний: рас­тя­же­ния в бе­то­не и сжа­тия в ар­ма­ту­ре. С уве­ли­че­ни­ем про­цен­та ар­ми­ро­ва­ния сжи­маю­щие на­пря­же­ния в ар­ма­ту­ре умень­ша­ют­ся, а рас­тя­ги­ваю­щие в бе­то­не уве­ли­чи­ва­ют­ся, по­яв­ля­ют­ся уса­доч­ные тре­щи­ны. Усад­ка спо­соб­ст­ву­ет ран­не­му об­ра­зо­ва­нию тре­щин в жел.-бе­тон. эле­мен­тах, ис­пы­ты­ваю­щих рас­тя­же­ние под воз­дей­ст­ви­ем внеш­них на­гру­зок.

Пол­зу­честь бе­то­на про­яв­ля­ет­ся при дей­ст­вии по­сто­ян­ной на­груз­ки в те­че­ние вре­ме­ни, что при­во­дит к пе­ре­рас­пре­де­ле­нию уси­лий: бе­тон час­тич­но раз­гру­жа­ет­ся, а ар­ма­ту­ра до­пол­ни­тель­но на­гру­жа­ет­ся. От­ри­ца­тель­ное влия­ние пол­зу­че­сти за­клю­ча­ет­ся в уве­ли­че­нии про­ги­бов в из­ги­бае­мых эле­мен­тах, по­те­ре пред­ва­рит. на­пря­же­ния в пред­на­пря­жён­ных кон­ст­рук­ци­ях, сни­же­нии не­су­щей спо­соб­но­сти сжа­тых (гиб­ких) эле­мен­тов.

Материалы для изготовления железобетона

В жел.-бе­тон. кон­ст­рук­ци­ях при­ме­ня­ют пре­им. тя­жё­лые, а так­же лёг­кие бе­то­ны. Ис­поль­зо­ва­ние по­след­них по­зво­ля­ет сни­зить соб­ст­вен­ный вес, те­п­ло- и зву­ко­про­вод­ность из­де­лий из же­ле­зо­бето­на.

В кон­ст­рук­ци­ях из обыч­но­го (не­пред­на­пря­жён­но­го) Ж. стро­ит. пра­ви­ла ре­ко­мен­ду­ют ис­поль­зо­вать бе­тон клас­са по проч­но­сти на сжа­тие не ни­же В15. Ар­ми­ро­ва­ние вы­пол­ня­ет­ся гиб­кой стерж­не­вой ар­ма­ту­рой, диа­мет­ром ме­нее 40 мм, клас­сов А240, А300, А400, А500, В500. Ар­ми­ро­ва­ние име­ет вид пло­ских се­ток или про­ст­ран­ст­вен­ных кар­ка­сов. Ино­гда при­ме­ня­ет­ся жё­ст­кое ар­ми­ро­ва­ние из про­кат­ной про­филь­ной ста­ли (угол­ки, швел­ле­ры, дву­тав­ры).

Из­го­тов­ле­ние пред­на­пря­жён­но­го Ж. пре­ду­смат­ри­ва­ет ис­поль­зо­ва­ние тя­жё­лых бе­то­нов клас­сов по проч­но­сти на сжа­тие от В20 до В60 (В80) и вы­со­ко­проч­ной на­пря­гае­мой ар­ма­ту­ры клас­сов А540, А600, А800, А1000, Вр1200, Вр1300, Вр1400, Вр1500, К1400 и К1500 (ка­на­ты). Ма­те­ри­ал, из­го­тов­лен­ный из осо­бых бе­тон­ных сме­сей с дис­перс­ным ар­ми­ро­ва­ни­ем не­боль­ши­ми ме­тал­лич. эле­мен­та­ми, но­сит назв. ста­ле­фиб­ро­бе­тон.

Конструкционная оценка железобетона

Ж. – ос­нов­ной и уни­вер­саль­ный стро­ит. ма­те­ри­ал, из ко­то­ро­го из­го­тов­ле­но ок. 85% всех стро­ит. кон­ст­рук­ций. Столь ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние Ж. обу­слов­ле­но в пер­вую оче­редь прак­ти­че­ски не­ис­чер­пае­мы­ми за­па­са­ми сы­рья для вя­жу­щих ма­те­риа­лов и за­пол­ни­те­лей бе­то­на, а так­же воз­мож­но­стью варь­и­ро­вать со­став Ж. для по­лу­че­ния ма­те­риа­ла с тре­буе­мы­ми фи­зи­ко-ме­ха­нич. свой­ст­ва­ми. Дос­то­ин­ст­ва­ми Ж. яв­ля­ют­ся: хо­ро­шая со­про­тив­ляе­мость ди­на­мич. и виб­ра­ци­он­ным на­груз­кам; вы­со­кая дол­го­веч­ность; эко­но­мич­ность в экс­плуа­та­ции; ог­не­стой­кость (до 500–600 °C); стой­кость про­тив ат­мо­сфер­ных воз­дей­ст­вий; воз­мож­ность из­го­тов­ле­ния кон­ст­рук­ций лю­бой кон­фи­гу­ра­ции; спо­соб­ность за­дер­жи­вать ра­дио­ак­тив­ное из­лу­че­ние. К не­дос­тат­кам Ж. от­но­сят­ся: боль­шой собств. вес; боль­шая те­п­ло- и зву­ко­про­вод­ность; низ­кая тре­щи­но­стой­кость (за ис­клю­че­ни­ем пред­на­пря­жён­но­го Ж.) и, как след­ствие, воз­мож­ность кор­ро­зии ар­ма­ту­ры.

Область применения железобетона

Ис­поль­зу­ют Ж. при со­ору­же­нии жи­лых, об­ществ., пром. и с.-х. зда­ний и строе­ний; в гид­ро­тех­ни­че­ском (дам­бы, пло­ти­ны, на­бе­реж­ные и мо­лы) и транс­порт­ном (до­ро­ги, аэ­ро­дро­мы, мос­то­вые со­ору­же­ния, тон­не­ли, во­до­про­пу­ск­ные тру­бы) строи­тель­ст­ве; для инж. со­ору­же­ний разл. на­зна­че­ния и кон­ст­рук­тив­ных эле­мен­тов (очи­ст­ные со­ору­же­ния, ре­зер­вуа­ры для во­ды, га­за и неф­ти, кор­пу­са ре­ак­то­ров и за­щит­ных обо­ло­чек АЭС, хра­ни­ли­ща ра­дио­ак­тив­ных от­хо­дов, во­до­на­пор­ные баш­ни, те­ле­баш­ни, ды­мо­вые тру­бы, сваи, шпун­ты, шпа­лы и т. п.). Ж. не­за­ме­ним при строи­тель­ст­ве фун­да­мен­тов лю­бых сис­тем, вклю­чая гра­ви­та­ци­он­ные и кар­кас­ные под вы­сот­ное строи­тель­ст­во.

К наи­бо­лее вы­даю­щим­ся со­ору­же­ни­ям, по­стро­ен­ным с при­ме­не­ни­ем Ж. (к нач. 21 в.), мож­но от­не­сти: не­бо­скрё­бы «Пе­тро­нас» (Куа­ла-Лум­пур, 1995) с мо­но­лит­ным жел.-бе­тон. кар­ка­сом, выс. 432 м (с учё­том шпи­лей – 451,9 м); са­мые вы­со­кие те­ле­баш­ни – в То­рон­то (об­щая выс. 550 м) и Ос­тан­кин­скую в Мо­ск­ве (об­щая выс. 540 м, пред­на­пря­жён­ная жел.-бе­тон. часть 385,5 м); круп­ней­шую пло­ти­ну – гид­ро­узел «Сань­ся» (г. Ичан, пров. Ху­бэй, Ки­тай, 2007), об­щая выс. 185 м, 16,1 млн. м³  Ж.; бу­ро­вую неф­те­до­бы­ваю­щую плат­фор­му «Тролль» (Нор­ве­гия) на жел.-бе­тон. гра­ви­тац. фун­дамен­те, об­щая выс. 472 м, под­вод­ная часть 300 м, 250 тыс. м³ Ж.; круп­ней­шие в ми­ре АЭС – За­по­рож­скую, Ба­ла­ков­скую, «Ол­ки­луо­то» (Фин­лян­дия); жел.-бе­тон. мост «Вас­ко да Га­ма» (Лис­са­бон, 1998), об­щая дли­на 17,2 км; жел.-бе­тон. ба­лоч­ный мост в г. Брис­бен (Ав­ст­ра­лия) с ре­корд­ным про­лё­том в 260 м; круп­ней­ший в Рос­сии жел.-бе­тон. ав­то­до­рож­ный мост че­рез Вол­гу, со­еди­няю­щий го­ро­да Са­ра­тов и Эн­гельс (1965), об­щая дли­на 2,8 км, про­лё­ты по 166 м.

Исторический очерк

Ж., как но­вый кон­ст­рукц. ма­те­ри­ал, поя­вил­ся в сер. 19 в. во Фран­ции. В 1848 Ж. Л. Лам­бо из­го­то­вил «же­ле­зо­бе­тон­ную» лод­ку (приз Все­мир­ной вы­став­ки в Па­ри­же, 1855). В 1849 вер­саль­ский са­до­вод Ж. Мо­нье при­ме­нил идею Ж. в ар­мо­це­мент­ных кад­ках для рас­те­ний. «Сис­те­ма Мо­нье» за­па­тен­то­ва­на в 1867 (па­тент в Рос­сии в 1880). За­мет­ную роль в строи­тель­ст­ве Ж. на­чал иг­рать лишь в кон. 19 в. бла­го­да­ря ис­сле­до­ва­ни­ям У. Уил­кин­со­на (Ве­ли­ко­бри­та­ния), Ф. Ку­а­нье (Фран­ция), Ги­ат­та (США), Т. Вай­са и М. Ке­на­на (Гер­ма­ния). В 1917 Э. Фрей­си­не (Фран­ция) за­па­тен­то­вал виб­ро­у­п­лот­не­ние бе­то­на, а в 1929 – пред­на­пря­же­ние же­ле­зо­бе­то­на.

В Рос­сии ос­вое­ние и раз­ви­тие Ж. на­ча­лось в 1890-х гг. под влия­ни­ем за­ру­беж­но­го опы­та и отеч. прак­ти­ки. Пер­вые ис­пы­та­ния жел.-бе­тон. кон­ст­рук­ций про­во­ди­лись под рук. проф. Н. А. Бе­ле­люб­ско­го. Ре­шаю­щий вклад в тео­рию Ж. внёс А. Ф. Ло­лейт, по­ло­жив­ший на­ча­ло рас­чё­ту проч­но­сти жел.-бе­тон. кон­ст­рук­ций по раз­ру­шаю­щим уси­ли­ям. Даль­ней­шей ин­ду­ст­риа­ли­за­ции Ж. спо­соб­ст­во­ва­ли раз­ра­бот­ки А. А. Гвоз­де­ва, Я. В. Сто­ля­ро­ва, В. И. Му­ра­шё­ва и др. Рас­ши­ре­ние об­лас­тей при­ме­не­ния Ж. свя­за­но с со­вер­шен­ст­во­ва­ни­ем бе­тон­ных сме­сей и ар­ма­тур­ных ста­лей, оп­ти­ми­за­ци­ей се­че­ния жел.-бе­тон. кон­ст­рук­ций, по­вы­ше­ни­ем их ка­че­ст­ва и на­дёж­но­сти.