Бетон железобетон: Бетон, железобетон и растворы

Железобетон – зачем нужна арматура в бетоне? — Пугачев

В конце 19 века, англичанином Паркером в результате случайных испытаний, был изобретен цемент. После, уже в результате долгосрочных испытаний, был открыт бетон. Но его свойства были недостаточно прочными и несущие конструкции делать из него было невозможно. В те времена несущие конструкции делали из железа, но они не могли служить долго, поскольку железо, находясь в агрессивной среде, подвергается коррозии и теряет свои свойства, на нем появляются концентраторы напряжения, которые развиваются и образуется трещина, приводящая к обвалу. Чаще всего, изобретение человека было делом случая. Так и в этот раз, железобетон был изобретен садовником, который делал кадку под дерево с сильными корнями и использовал бетон, когда тот начал крошиться он укрепил его железными прутьями что дало феноменальный результат. Так впервые был изобретен железобетон, сейчас это целая наука, которая называется материаловедение – это наука о материалах, которая изучает структуру материала его механические и физические свойства.

Так для чего же все таки нужна арматура в бетоне? Проведя механические испытания, было обнаружено что бетон слишком прочный и жесткий и легко выдерживает нагрузку на сжатие, но вязкость при этом у него слишком маленькая, что способствовало разрушению его при испытании на растяжение и изгиб, а так же на ударную вязкость. При добавлении арматуры в бетон железо не дает бетону разрушаться при изгибе и растяжении. Такие выводы было бы невозможно сделать, если бы не технологии, которые пришли в 20 веке. Но арматура должна соответствовать определенным свойствам:

Для арматуры применяют конструкционную доэвтектоидную и эвтектоидную сталь. В таких сталях должно быть от 0,3 до 0,8 процента углерода. Так же сталь для арматуры поддают легированию, для повышения физических и механических свойств. Материал для арматуры должен иметь приличную прочность и в тоже время быть пластичным. Поэтому, его поддают термической обработке. Температуру закалки выбирают выше критической точки Ас1, которая составляет (800-950оС), следующим этапом термообработки идет отпуск. Отпуск выбирается в зависимости от условия работы арматуры, зачастую стандартным отпуском считается температура (300-450оС). Такая обработка, позволяет продлить работу стали и выдерживать нагрузки.
Кстати купить арматуру сейчас всегда можно в любом городе. Еще применяют поверхностное упрочнение, иными словами наклеп. Наклеп позволяет увеличить предел прочности стали на поверхности, а средина остается с исходными характеристиками.

Тип окружающей среды, это еще один фактор которым не стоит пренебрегать. Например, если конструкция из железобетона сооружается в условиях крайнего севера, соответственно при температуре -30оС или -50оС, то сталь, которая будет использована для арматуры должна иметь повышенную пластичность. Иначе будет образовываться эффект холодноламкости материала, арматурный каркас в железобетоне не будет пластичным и не сможет выдерживать допустимые нагрузки, что приведет к мгновенному излому конструкции.

В условиях морского климата или стройке на воде, арматура подвергается сильному воздействию коррозии в следствии чего конструкция быстро обрушается. Решение этой проблемы есть :

1) Дополнительно легировать сталь такими химическими элементами как хром, никель, алюминий. Но тут образуется новая проблема хром и никель — очень дорогие материалы поэтому использовать такой метод не целесообразно.

2) Покрыть сталь коррозионностойким материалом, которым является цинковое, алюминиевое, лакокрасочные и другие покрытия.

Непосредственно в начале строительства идет проверка качества бетона и металла, после того как образцы прошли испытания, делается металлический каркас, при том, этот каркас сваривается и каждый шов проходит дефектоскопический контроль, выясняя наличие пор, неметаллических включений, шлака и т. д. После того как конструкция прошла контроль в нее начинают заливать бетон. Заливка происходит таким образом, чтобы слой бетона покрыл все металлические стержни. Делается это для защиты арматуры.

Проанализировав данную информацию, можно прийти к выводу, что арматура в железобетоне выполняет функцию пластичной основы, которая берет на себя все нагрузки конструкции, позволяя бетону выполнять функции, отвечающие за прочность.

Бетон (железобетон, фибробетон, пластификаторы, гидрофобизаторы, и т.д.)

Бетон и железобетон — Объясните, что заполняйте

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 2 ноября 2020 г.

Стоунхендж в Англии, Великая пирамида в Гизе, перуанская цитадель в Мачу-Пикчу — три чудесных примера того, как камень конструкции могут прослужить сотни и даже тысячи лет. Но хотя камень — один из самых старых и прочных строительных материалов, он не работать с ним очень просто.Это тяжело, тяжело транспортировать и обычно поставляется гигантскими кусками, которые должны быть кропотливо вырезано по форме. Было бы здорово, если бы существовал рецепт камня — вид липкой смеси для торта, которую мы могли сложить в любом месте, просто нажав ее в формы для изготовления зданий и сооружений любой формы и размера? Что ж, такой «жидкий камень» действительно существует: мы его называем бетон . Хотя иногда он получает плохую репутацию, потому что многие люди связывают его с брутальной городской архитектурой середины 20-х гг. века, бетон — великий, незамеченный герой современности, материальный Мир. От плотины Гувера до Сиднейского оперного театра вы найдете это в самых высоких небоскребах в мире, самый большой мосты, самые длинные шоссе, самые глубокие туннели и, вполне возможно, даже под полом в ваш собственный скромный маленький дом. Бетон — штука замечательная, но что это и как именно работает? Давайте посмотрим поближе!

Фото: Бетон — сила практически любого современного здания и основная структура — но это не так уродливо, как многие думают. Это 12-арочный виадук Калсток, по которому проходит железная дорога через реку Тамар в Корнуолле, Англия.Хотя он выглядит элегантно, как старый камень, на самом деле он сделан из бетона. блоки, которые были собраны на месте и были завершены в 1908 году.

Что такое бетон?

Таблица: Бетонный рецепт: ингредиенты типичной смеси.

Слово «бетон» происходит от латинского слова concretus , означает расти вместе — и это именно то, что он делает, когда вы объедините три его ингредиента, а именно:

1. Смесь крупных и мелких заполнителей (песок, гравий, камни, более крупные куски щебня, переработанное стекло, кусочки старого переработанного бетона и многое другое. ничего эквивалентного) — обычно 60–75 процентов.
2. Цемент (обычное название силикатов и алюминатов кальция) — обычно 10–15 процентов.
3. Вода — обычно 15–20 процентов.

Сложенные вместе и хорошо перемешанные, эти простые ингредиенты образуют композит, так мы и даем гибриду материал, который в каком-то важном смысле лучше, чем материалы из что это сделано. В случае с бетоном «важно» то, что он прочный, жесткий и долговечный. Думая о бетоне как о композитный материал, цемент гидрат — фон, связующий материал (технически называемый «матрицей»), к которому добавляют песок и гравий дополнительная прочность («арматура»).

Фото: Бетонный композит: присмотритесь к этому бетону, и вы сможете ясно увидеть, как он работает: заполнитель более светлого цвета (камни различной формы и размера, который действует как арматура) скреплен цементом более темного цвета (матрица) . Однако не весь бетон выглядит таким грубым; Мне пришлось довольно тяжело осмотреться, чтобы найти этот пример на бетонном столбе рядом с моим домом.

Как образуется бетон из ингредиентов, которые не имеют ничего общего с конечным продуктом? Когда вы добавляете воду в цемент, кристаллы гидрата цемента (технически кальций-кремнезем-гидрат) начинают расти, которые плотно связывают песок и гравий.Это постепенное образование кристаллов, которое придает бетону прочность, а не простой факт, что он сохнет. Действительно, причина, по которой вы должны смачивание бетона в течение нескольких дней по мере его схватывания должно «привести в действие» химические реакции, гидратирующие цемент. Мягкая слякоть, которая стекает с вашего бетономешалка постепенно получается намного тверже, чем материалы из который он сформирован. «Жидкий камень» становится камнем по-настоящему — ну, искусственный камень, как минимум. И под «постепенно» я действительно имею в виду постепенно: бетон затвердевает в течение нескольких часов, затвердевает примерно через в месяц, но продолжает затвердевать и укрепляться не менее пяти лет после этого.

Интересный факт, от Недавние научные исследования бетона показали, что «кристаллы» внутри него на самом деле вовсе не кристаллы: они неупорядочены и совершенно правильные, как и положено кристаллам, но на самом деле имеют некоторая случайная структура, которую вы можете найти в таких материалах, как стекло (с научной точки зрения известное как аморфное твердое тело). Бетон содержит довольно немного захваченного воздуха (до 5–10 процентов), потому что есть пространство вокруг открытой трехмерной структуры гидрата цемента кристаллы и песок и гравий между ними.И это в поворачивает, объясняет, почему бетон может гнуться и сгибаться, растягиваться и сжиматься (во всяком случае, немного).

Как и любой рецепт, вы можете несколько разнообразить смесь для бетона (подробнее вода, возможно, больше агрегатов, или даже химикаты разных видов) для производства бетона, который течет быстрее, тверже и тверже быстро, погодостойкость, особый цвет или внешний вид. Например, добавление пигмента, называемого диоксидом титана, является простым способ сделать бетон ярким и белым — в миллионе миль от тускло-серая штука, из-за которой у бетонных автостоянок плохая репутация.Другой вариант — газобетон, немного похожий на очень твердый губка с массой крошечных воздушных карманов внутри. Это позволяет бетон расширяться и сжиматься в жаркую и холодную погоду без смертельно трескается, а также делает его отличной теплоизоляцией материал.

Фото: Когда бетон распыляется из шланга на высокой скорости, а не медленно, бетономешалка, она называется торкрет-бетоном. Здесь вы можете увидеть тонкий слой торкретбетона, покрывающий стальная сетка из арматурных стержней (арматура).Изображение Дэвида Парсонса любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (US DOE / NREL).

Почему бетон — такой популярный строительный материал?

По крайней мере, в городах бетон везде, куда ни глянь — и это нетрудно понять почему. Легко сделать из дешевых и легкодоступных ингредиенты, легко разливать по формам и превращать во все виды формы (потому что он начинает жизнь очень вязкой жидкости), и оба огнестойкие и (относительно) водонепроницаемые.Но главная причина в том, что это так широко используется в зданиях, потому что он чрезвычайно прочен в сжатие: вы можете сжать его или выдержать большой вес Это. Широко используется в стенах и фундаментах (вертикальные другими словами), потому что он отлично подходит для сопротивления весу, наложенному сверху. К несчастью, очень большой недостаток бетона в том, что он примерно в 10 раз слабее на растяжение чем в сжатии. Он легко трескается или ломается, если вы его согнете или растянете, если вы не укрепить его сталью внутри, так что это не много толку в горизонтальных балках.Хотя бетон выглядит тяжелым и монолитным, он на самом деле намного легче, чем вы могли подумать: он примерно в пятую часть плотности свинец, третий как плотный, как сталь, на 10 процентов менее плотный, чем алюминий, и только немного плотнее стекла.

Хотя бетон часто смешивают на месте и формуют во что-нибудь формы необходимы в то время, он также может поставляться в сборном железе «модули»; блоки, балки, секции стен, тротуары и облицовка все можно сделать таким образом. Гигантский, современный сегментные мосты, для например, часто быстро и недорого собираются из идентичных бетонные секции, которые были собраны на заводе и отправлены на окончательную место нахождения.Это делает их более быстрыми и легкими в изготовлении, чем если бы весь мост пришлось отлить на месте, что намного сложнее сделать в например, посреди реки или в неблагоприятных погодных условиях. Другой вариант — сделать бетонные конструкции, сочетающие в себе сборные профили с другими профилями, сформированными на месте.

Artwork: Конкретные идеи: Томас Эдисон сразу понял великолепие бетона как материала для создания «мгновенных» построек. В первые годы 20-го века он разработал этот метод изготовления бетонных домов с одинарной заливкой, которые можно было выпускать серийно с небольшими затратами и в очень больших количествах.Бетон из пары миксеров (синий) подается в резервуар (красный), перемешивается (зеленый), а затем переносится шнековым шнеком (оранжевый) на вершину огромной трехмерной формы. Вылитый через форму, он формирует стены, пол и крышу здания — и даже некоторые детали (например, ванны) внутри! К сожалению, идея так и не прижилась. Иллюстрация из патента США 1 219 272: Процесс строительства бетонных зданий Томаса Эдисона, 13 марта 1917 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Железобетон

Как мы уже видели, бетон — это композитный материал — цементная матрица с заполнителями. для армирования — это хорошо работает на сжатие, но не на напряжение.Мы можем решить эту проблему, залив мокрый бетон вокруг прочной стали. арматурные стержни (связанные друг с другом в клетку). Когда бетон схватывается и затвердевает вокруг стержней, получаем новый композитный материал, железобетон (также называемый железобетонным бетоном или RCC), который хорошо работает в либо растяжение, либо сжатие: бетон сопротивляется сжатию (обеспечивает прочность на сжатие), а сталь сопротивляется изгибу и растяжение (обеспечивает прочность на разрыв). По сути, усиленный бетон использует один композитный материал внутри другого: бетон становится матрицей, в то время как стальные стержни или проволока обеспечивают армирование.

Стальные стержни (известные как арматура , сокращение от арматурный стержень) обычно изготавливаются из скрученных прядей с благородными или выступы на них, которые прочно закрепляют их внутри бетона без любой риск поскользнуться внутри него. Теоретически мы могли бы использовать все виды материалов для армирования бетона. Обычно мы используем сталь потому что он расширяется и сжимается от жары и холода примерно на столько же сам бетон, что означает, что он не потрескает бетон, который окружает его, как мог бы другой материал, если бы он более или менее расширился.Однако иногда используются и другие материалы, в том числе разные. пластиков.

Фото: «Жидкий камень» на вынос — заливка бетона из автобетоносмесителя. Строители из ВМС США укладывают мокрый бетон. с грузовика на арматуру (сетку из стальной арматуры). Когда бетон схватится, стальные стержни придадут ему дополнительную прочность: бетон плюс сталь равняется железобетону. Изображение лейтенанта Эдварда Миллера, любезно предоставлено ВМС США.

Предварительно напряженный бетон

Хотя железобетон, как правило, лучшая конструкция материал, чем обычный материал, он по-прежнему хрупкий и склонен к трещина: при растяжении железобетон может разрушиться, несмотря на стальная арматура, пропускающая воду, которая затем заставляет бетон выйти из строя, а арматура заржаветь. Решение — поставить армированный бетон, находящийся в постоянном сжатии с предварительным напряжением (также называется предварительным натяжением). Поэтому вместо того, чтобы класть стальные прутья во влажную бетонные в том виде, в каком они есть, сначала натягиваем (натягиваем) их. Как При схватывании бетона натянутые стержни тянутся внутрь, сжимая бетон и делая его более прочным. В качестве альтернативы арматура из железобетона может подвергаться стрессу после того, как он начинает затвердевать, что известно как пост-напряжение (последующее натяжение). В любом случае, удержание бетона в сжатии — это хитрый трюк, который помогает остановить растрескивание (и останавливает трещины от распространение, если они все же образуются).Еще одно преимущество в том, что можно использовать менее предварительно напряженный или предварительно напряженный бетон или меньше, более тонкие предметы, позволяющие нести такую ​​же нагрузку, по сравнению с обычными, железобетон.

Фото: Наука проходит сквозь бетон — как он затвердевает, почему он прочен и почему мы его используем. Это конкретное слово — одна из деталей военного мемориала округа Онондага в Сиракузах, штат Нью-Йорк. Предоставлено: фотографии из архива Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

«Бетонный рак»

Трещины — последнее, что вы хотите видеть в здании или мосте, особенно относительно новый из бетона. Но если у нас есть бетонные конструкции, относящиеся к римским временам, почему некоторые из бетонных мостов, небоскребов и других построек всего несколько десятилетия назад, в конце 20 века, уже разваливались? Есть несколько объяснений. Старые, римского типа, пуццолановые бетон, сделанный из вулканического пепла, имеет тенденцию к растрескиванию меньше, чем больше современные формы бетона, и он использовался в основном при сжатии, поэтому даже если бы у трещин была возможность образоваться, они с меньшей вероятностью распространять.Железобетон, скорее всего, будет использоваться на растяжение, которое Вот почему внутри есть стальная арматура. Но, как мы уже видел, он все еще может треснуть, если он не подвергается предварительному напряжению.

Современный бетон не выдерживает того, что неофициально известно как рак бетона или конкретная болезнь , которая включает три взаимосвязанные проблемы. Во-первых, щелочи из цемента реагируют с кремнеземом в заполнители, из которых изготовлен бетон. Это делает новые кристаллы очень медленно растут внутри бетона, занимая больше комнаты, чем оригинальные «кристаллы», поэтому бетонная трещина отдельно от изнанки или отслаивание («скол») с поверхности, впуская воду извне.На что-то вроде автомобильного моста любая вода, попадающая в также может быть щелочным из-за используемых солей обработать дорогу зимой. Вторая проблема в том, что вода который попадает внутрь, в конечном итоге соприкасается со стальными арматурными стержнями внутри, вызывая они ржавеют и разлагаются, возможно, расширяются и вызывают смертельный исход. слабые места в конструкции. Грязные коричневые пятна, которые вы видите на бетон с «раком» часто возникает из-за просачивания ржавой воды через трещины. Третья проблема заключается в том, что вода, просочившаяся внутрь бетон сквозь трещины зимой может промерзать, а значит, расширяться и вызывать дальнейшие трещины, через которые будет проходить еще больше воды. проникают, вызывая порочный круг вырождения и разложения.

Работа: Как железобетон разрушается: (1) Щелочи из цемента вступают в реакцию с кремнеземом в заполнителях, формирование более крупных кристаллов, которые раскалывают бетон отдельно от внутренней части (2). Вода течет по трещинам (3), ржавчину арматурного стержня (4), которая может сломаться и вызвать еще большее растрескивание или «скалывание» по краям (5). В холодную погоду вода, попавшая в трещины, будет расширяться при замерзании (6), вызывая появление новых трещин (7). Трещины нет обязательно большие: у некоторых очень тонкие капилляры, что означает, что вода может перемещаться по ним вверх по простое капиллярное действие, а также дренаж через них под действием силы тяжести.

Воздействие бетона на окружающую среду

Фото: Кто-то любит бетон, кто-то его ненавидит. Мнения резко расходятся по поводу таких «бруталистских» городских зданий, как эта, Xerox Tower в Рочестере, штат Нью-Йорк, которая была построена в середине 20-го века. Предоставлено: фотографии из архива Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Растущая озабоченность по поводу окружающей среды и изменения климата в В частности, выделили еще одну серьезную проблему с бетоном: после транспорта и энергетики производство цемента занимает третье место крупнейший источник выбросов углекислого газа.Отчасти потому, что процесс производства цемента выделяет много углекислого газа, но также, очень важно из-за огромного количества цемента и бетон, используемый во всем мире. Углекислый газ выделяется двумя способами. разными способами (разделить между ними примерно пополам): во-первых, из-за энергии ископаемого топлива, используемой при производстве цемент; во-вторых, потому что цемент производится, когда карбонат кальция превращается в оксид кальция, выделяя при этом диоксид углерода. Бетон полагается на цемент, поэтому он не является экологически безопасным. материал, который беспокоит архитекторов, в частности, потому что они быть очень экологически сознательным.

Фото: Ранний образец более зеленого бетона 1953 года: плотина Hungry Horse на реке Флэтхед, штат Монтана, США, был построен с использованием 120 000 метрических тонн переработанной летучей золы из мусоросжигательных заводов. Фотография любезно предоставлена ​​Бюро мелиорации США.

Поскольку при цементировании двуокись углерода выделяется двумя путями производства, из этого следует, что есть два способа сделать больше экологически чистый бетон. Исторически сложилось так, что индустриальный Революция, человечество получает большую часть энергии от сжигания угля, который выделяет больше парниковых газов, чем другие виды топлива, и Традиционно цементные печи тоже работали на угле.Переключение их с уголь в природный газ является одним из решений, поскольку газ выделяет меньше углерода диоксид для заданного количества энергии. Изготовление цементных печей подробнее эффективный снижает общую потребность в энергии, что также снижает их выбросы углекислого газа. Другое решение — уменьшить количество цемента в бетонной смеси при использовании переработанных материалов, например летучая зола от мусоросжигательных заводов. Еще одна интересная перспектива — это разработка бетона без карбоната кальция. Вместо этого карбонат получают путем барботирования углекислого газа из электростанция через морскую воду.Это общая экологическая выгода, так как он сокращает выбросы вредных отходов CO2 от энергии растения и вместо этого превращает их в очень полезный бетон. Это вид улавливания и хранения углерода (CCS).

Еще один экологический недостаток бетона — использование в нем заполнители, которые должны быть добыты, часто из экологически чистых чувствительные районы, такие как долины рек. Использование переработанных заполнителей (включая переработанный бетон из старых снесенных зданий) возможное решение здесь.

Краткая история бетона

Ранняя история

• ~ 7000 г. до н.э .: поселение эпохи неолита в В Ифтахеле в Галилее, Израиль, есть сырой «бетонный» пол, сделанный из обожженной известковой штукатурки.
• ~ 5600 гг. До н.э .: материал, похожий на бетон, используется в полах Мезолит (средний каменный век) сербские жилища на Лепенски Вир, в Сербии, на берегу реки Дунай.
• ~ 3000 г. до н.э .: египтяне используют неочищенные формы цемента и бетона в пирамиды.
• ~ 200 гг. До н. Э .: римляне использовали тип бетона, называемый пуццоланой (иногда называемый пуццолановым цементом) на основе вулканического пепла, полученного из Поццуоли, Неаполь.Он используется в знаковых римских постройках, таких как Колизей и Пантеон в Риме.
• 400AD– ~ 1750CE: Фактически, конкретное средневековье: знание бетона полностью утрачен после падения Римской империи.

Повторное открытие

• 1750-е годы: Джон Смитон, английский инженер, заново открывает искусство изготовление «гидравлического» цемента (затвердевающего с водой) с использованием Blue Камень лиас, глина и пуццолана, первоначально для Маяк Эддистон недалеко от Плимута, Англия.
• 1824: англичанин Джозеф Аспидин разрабатывает портландцемент, который напоминает натуральный камень, добытый в Портленде в Дорсете, Англия. Портландцементу суждено стать ключевым ингредиентом бетона.
• 1832–1834: Уильям Рейнджер патентует сборный железобетон.
• 1867: француз Джозеф Монье патенты на железобетон для использования в садовых цветочных горшках, демонстрируя их на Парижской выставке тот же год.
• ~ 1850-е годы: французский строитель Франсуа Куанье начинает повсеместное использование бетон в зданиях, в том числе первый железобетонный дом в Париж, Франция.
• 1884: англичанин, архитектор из Америки. Эрнест Лесли Рэнсом патентует скрученную арматуру, которая обеспечивает лучшее сцепление с бетоном, поэтому делая его сильнее.
• 1870: француз Франсуа Хеннебик разрабатывает новый эффективный процесс строительства зданий из железобетона, ведущий к его широкому распространению.
• 1880-е: Предварительно напряженный бетон изобретен в Германии, но не коммерчески развита.

Современная эпоха

Фото: Запоминающееся современное использование железобетона.Это знаменитая Великая Мастерская Штаб-квартиры Джонсона архитектора Фрэнка Ллойда Райта в Расин, Висконсин. Крышу поддерживают удивительно тонкие железобетонные колонны. которые сужаются с 5,5 м (18 футов) вверху до всего 23 см (9 дюймов) внизу. В соответствии с Книга Джонатана Липмана о здании, Райт Идея пришла в голову после того, как увидел официанта, несущего поднос на руке. Фотография любезно предоставлена ​​архивом Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

• 1891: первая улица в США с бетонным покрытием. находится в Беллефонтене, штат Огайо. Часть его остается на месте, чтобы этот день.
• 1917: Томас Эдисон, плодовитый американский изобретатель, патентует идею для серийного бетонного дома, но идея не прижилась.
• 1913: Первая партия товарного бетона доставлена ​​грузовиком на сайт в Балтиморе, штат Мэриленд.
• 1915: Цветной бетон изобретен инженером Линн из Чикаго. Мейсон Скофилд.
• 1920-е годы: француз Эжен Фрейзенне превращает предварительно напряженный бетон в коммерчески успешный строительный материал.
• 1936: Бетон используется для завершения могучей плотины Гувера, самая большая бетонная конструкция, которую когда-либо пытались построить до этого момента.
• 1956–1959: американский архитектор Фрэнк Ллойд Райт строит культовую Музей Гуггенхайма в Нью-Йорке из бетона.
• 1962: финский архитектор Ээро Саринен строит знаменитая, напоминающая птицу бетонную крышу Полетного центра Trans World Airlines (TWA) в нью-йоркском аэропорту имени Джона Ф.Кеннеди. Три года спустя он проектирует культовый бетонный небоскреб Нью-Йорка — CBS Building.
• 1970-е годы: изобретен железобетон на основе пластиковых волокон.
• 2010s-: Влияние бетона на окружающую среду вызывает все большую озабоченность. Ученые и инженеры начинают обращать внимание на то, как изменение климата может драматически сократить срок службы бетонных зданий.

Узнать больше

На этом сайте

Книги

Инженерное дело

Архитектура

• Ээро Сааринен: формирование будущего Ээро Сааринен и др.Издательство Йельского университета, 2006. Фотогид по строениям и зданиям, созданный одним из пионеров железобетонной архитектуры 20-го века.
• Бетонная архитектура Кэтрин Крофт. Гиббс Смит, 2004. Журнальный столик «Праздник бетона», включающий историю материала и фото-гид по знаковым бетонным зданиям и сооружениям.
• Бетонная архитектура: тон, текстура, форма Дэвида Беннета. Birkhäuser, 2001. Подробный обзор 25 известных бетонных конструкций с упором на недавние проекты.

Статьи

• Бетон, материал столетней давности, получает новый рецепт Джейн Марголис, The New York Times, 11 августа 2020 г. Обзор усилий по разработке более устойчивых форм бетона.
• Guardian Concrete Week: увлекательный сборник статей об экологических и социальных проблемах жизни в мире из бетона.
• Битва за обуздание нашего аппетита к бетону, Тим Боулер. BBC News, 24 октября 2018 г. Каково реальное воздействие бетона на окружающую среду и как его уменьшить?
• Мэтт МакГрат объясняет, почему в Древнем Риме был бетон долговечности.BBC News, 4 июля 2017 г. Минеральный алюминиевый тоберморит, похоже, сделал римский бетон более прочным, чем наш современный аналог.
Эксперты
• предлагают приоритеты исследований для повышения «экологичности» бетона: NIST Tech Beat, 3 апреля 2013 г. Как мы можем снизить выбросы углекислого газа при производстве бетона?
• Вековой рецепт бетона — вода, цемент, песок и камни, автор Сьюзан Хасслер. IEEE Spectrum, 18 июля 2011 г. Могут ли инженеры разработать более экологически чистый бетон?
• Бетонная альтернатива может сделать здания более прочными. Автор Александр Джордж.Wired, 12 августа 2011 года. В связи с разрушительным землетрясением 2011 года японские инженеры разработали новый прочный строительный материал, названный структурой CO2.
• Ученые разрабатывают эко-бетон из рисовой шелухи: BBC News, 13 апреля 2010 г. Исследует новый тип экологически чистого бетона, который производит меньше выбросов углекислого газа во время производства.
• Кто несет ответственность за все бетонные карбункулы ?: BBC News, 19 февраля 2009 г. Архитектор Ле Корбюзье предпочитал бетонные здания; В этой статье Гай Бут размышляет, следует ли нам любить или ненавидеть его работы.
Сканер
• , чтобы «заглянуть внутрь» бетона: BBC News, 25 октября 2005 г. Как обнаружить признаки коррозии глубоко внутри гигантских бетонных конструкций?

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2006, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2006/2020) Бетон. Получено с https://www.explainthatstuff.com/steelconcrete.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте…

Почему бетон армируют сталью: полное руководство

Железобетон — один из самых распространенных строительных материалов в мире. Однако сам по себе бетон на самом деле намного более хрупкий, чем можно было ожидать, и вряд ли пригоден для каких-либо целей, кроме очень небольшого числа ограниченных областей применения. Однако при армировании сталью бетон можно использовать для изготовления плит, стен, балок, колонн, фундаментов, рам и т. Д.

Бетон устойчив только к силам сжатия и имеет низкую прочность на разрыв и пластичность.Армирующие материалы необходимы, чтобы выдерживать сдвиговые и растягивающие усилия на бетон. Сталь используется, потому что она хорошо сцепляется с бетоном, а также расширяется и сжимается под действием температуры с одинаковой скоростью.

Если вы углубитесь в науку о том, как сталь и бетон ведут себя по отдельности, вы быстро увидите, что их свойства дополняют друг друга, что делает их уникальными для совместного использования. Их комбинированные свойства полезны в том смысле, что железобетон является чудесным материалом, из которого строятся впечатляющие конструкции, такие как плотина Гувера.

Нужно ли армировать бетон сталью?

Бетон выглядит чрезвычайно прочным. По сути, это камень, который выращивают из порошковой смеси. В некотором смысле бетон действительно очень прочный, но только если давление прилагается в одном конкретном направлении. Когда сила прилагается в любом другом направлении, что чаще всего имеет место в большинстве строительных приложений, бетон оказывается на удивление хрупким.

Существует три основных типа стресса:

1. сжатие (сдвигание),
2. растяжение (растяжение) и
3. сдвиг (скольжение по линии или плоскости).

Бетон прочен против сил или сжатия, но слаб против сил растяжения и сдвига. С другой стороны, сталь устойчива ко всем трем типам напряжений.

1. Сжатие

Бетон устойчив к силам сжатия. Вот почему это такая мощная база. Даже в древние времена римские строители могли использовать ранние формы бетона (который никак не укреплялся) для таких конструкций, как купола, акведуки, арены и колизеи.

Во всех этих ранних примерах бетон использовался только таким образом, чтобы использовать его прочность по отношению к силам сжатия. Вес конструкции только давил на бетон, который сдвигал бетон вместе и который бетон мог легко выдержать.

Тот факт, что древние римские сооружения, такие как Колизей и Парфенон, простояли тысячи лет, свидетельствует о прочности бетона на сжатие. Даже цилиндр, сделанный из цементной смеси с большим количеством воды, может выдержать давление сжатия 1000 фунтов (450 кг).Другие смеси могут выдерживать даже большее давление.

2. Натяжение

Натяжение фактически противоположно сжатию в том смысле, что это сила, которая раздвигает объект. Бетон является слабым по отношению к силам растяжения, а это означает, что он имеет низкую прочность на разрыв.

Когда цилиндр, сделанный из той же самой высоководной смеси бетона, описанной выше, был испытан путем подвешивания к нему груза, образец сломался, когда было подвешено около 80 фунтов (36 кг). Это означает, что бетон менее чем на 10 процентов противостоит силам растяжения и сжатию.

Может быть не сразу очевидно, почему это проблема использования бетона в качестве строительного материала. Похоже, это всего лишь указывает на то, что бетон не следует использовать в качестве веревки. Однако, если вы посмотрите на внутренние напряжения в бетоне, вы увидите, что при сжатии часто возникает также и растяжение.

Представьте себе горизонтальную бетонную балку, на которую сверху оказывается давление. Это было бы похоже на прогулку по бетонному второму этажу. В верхней части бетонной балки действует сила сжатия, поскольку бетон прижимается друг к другу.Однако внизу, когда балка изгибается, бетон разрывается под действием силы натяжения. Вот где обычный бетон терпит неудачу.

3. Сдвиг

Бетон также является слабым по отношению к силам сдвига, которые заставляют материал перемещаться по линии или плоскости. Неармированная бетонная стена рухнет, если на нее будет оказано слишком большое усилие сдвига от:

• Ветер
• Землетрясения
• Напряжение сдвига

Как мы видим, простой бетон полезен, если вы прикладываете вес только непосредственно к нему, например к основанию статуи. Однако современные здания должны выдерживать давление со стороны источников многих типов во всех направлениях. Без армирования простой бетон в этих условиях просто выйдет из строя.

Типы отказов

Когда обычный бетон выходит из строя, это происходит внезапно. В один момент бетон не поврежден, а в следующий момент, когда сила больше, чем он может выдержать, он крошится или разваливается на куски. Это внезапное разрушение известно как хрупкое разрушение типа .

Основным недостатком этого типа неисправности является отсутствие визуальных предупреждающих знаков. Если вы не знаете удельную прочность материала и активно не измеряете величину напряжения, приложенного к материалу (условия, которые абсолютно невозможны за пределами лабораторных условий), невозможно предсказать отказ.

Железобетон, с другой стороны, испытывает разрушение пластичной формы . Это означает, что трещины начинают образовываться еще до того, как бетон полностью разрушится. Это связано с тем, что, хотя бетон был растянут дальше, чем он может стоять отдельно, стальная арматура по-прежнему удерживает конструкцию вместе.

Если конструкция подвергается воздействию только сжимающих сил (например, плита пола), эти трещины могут не иметь большого значения. Если вода не проникает в трещину и не разрушает конструкцию из-за ржавчины арматуры или расширения трещины при замерзании, трещины просто сожмутся друг с другом путем дальнейшего сжатия. В других случаях трещины означают необходимость ремонта участка.

Почему используется сталь

Как мы узнали, простой бетон полезен только в очень ограниченных сферах применения, поскольку он устойчив к силам сжатия, но слаб против сил растяжения и сдвига. Чтобы бетон был таким же универсальным, он должен быть усилен материалом, который преодолевает эти недостатки. Сталь используется для армирования бетона чаще, чем любой другой материал.

Причина, по которой сталь используется для армирования бетона, заключается в том, что сталь обладает рядом свойств, которые делают ее особенно подходящей для этого применения.

Сталь очень пластичная

Пластичность — это мера того, насколько материал может подвергнуться деформации перед разрушением. Бетон имеет очень низкую пластичность. Если вы скручиваете кусок бетона с достаточной силой, он рассыпается у вас в руках. Например, древесина довольно пластична, потому что ее можно немного согнуть, прежде чем она сломается. Однако сталь очень пластичная. Если вы его согнете, он просто останется согнутым.

Пластичность стали полезна перед заливкой цемента, потому что ее можно согнуть, придав ей любую форму, которая лучше всего поддерживает заливку.Благодаря этому легко создать сетку из арматурной стальной арматуры любой формы, необходимой для конструкции здания.

также полезна, если она входит в состав железобетона. Когда к конструкции приложено достаточное усилие, чтобы ее деформировать, бетон может треснуть, но стальная арматура останется неизменной в деформированной форме. Часто сталь все еще может поддерживать конструкцию до тех пор, пока ее не отремонтируют или не заменит.

Бетон и сталь имеют одинаковые коэффициенты теплового расширения

Когда твердые тела нагреваются, молекулы внутри материалов движутся быстрее.Эти более активные атомы занимают больше места, чем быстрее они движутся, поэтому каждая молекула и, следовательно, материал в целом расширяются. Обратное происходит, когда твердое тело охлаждается. В конечном итоге твердые частицы расширяются при нагревании и уменьшаются в размерах при охлаждении.

Хотя это универсально верно для твердых тел, это происходит с разной скоростью для разных материалов. По очень случайному совпадению, сталь и бетон имеют очень похожие коэффициенты теплового расширения. Это означает, что под воздействием тепла (или холода) они расширяются (или сжимаются) практически с одинаковой скоростью.

Если бы это было не так, сталь была бы плохим выбором для армирования бетона. Представьте, например, корн-дог. Если при приготовлении хот-дог увеличится вдвое, а кукурузный хлеб только немного подрастет, хот-дог быстро прорвется через кукурузную муку. И наоборот, если кукурузный хлеб расширяется быстрее, чем хот-дог, вокруг приготовленного хот-дога будет большой воздушный карман.

В то время как любой из этих сценариев приведет к структурно слабой корн-доге, это не то, что происходит в случае бетона, армированного сталью.Два материала расширяются и сжимаются почти с одинаковой скоростью, обеспечивая прочное соединение при любой температуре.

Сталь подвергается той же деформации, что и бетон

Связь между бетоном и сталью настолько прочна, что железобетон действует как новый, более прочный материал, чем просто комбинация бетона и стали. Это еще больше усиливается за счет создания арматурного стержня с множеством выступов, вокруг которых цемент приобретет твердость при высыхании.

Другие причины использования стали включают:

1. Легко сваривать
2. Легко перерабатывать
3. Дешево и доступно .

1. Сталь легко сваривается

Поскольку железобетон используется во многих различных ситуациях, часто бывает необходимо построить довольно сложные внутренние каркасы из стальной арматуры перед заливкой цемента. Даже если форма не уникальна, размер проекта может потребовать, чтобы арматурный стержень перекрывал длину, намного превышающую возможную для изготовления.

В этих сценариях стальную арматуру можно сварить, чтобы опора надежно находилась там, где она необходима.Сталь — один из наиболее часто свариваемых металлов, так как она легко плавится, не прожигая и не передавая тепло слишком далеко от места сварки. Этот процесс также не оказывает негативного влияния на свойства, которые делают его таким хорошим выбором для армирования бетона.

Железобетон рассчитан на долгие годы, что делает его отличным строительным материалом для долговечных конструкций. Однако, когда настанет время демонтажа, вам будет приятно узнать, что его также легко переработать.

При наличии надлежащего оборудования железобетон можно легко измельчить, чтобы отделить стальную арматуру от бетона. Бетон может быть дополнительно измельчен и повторно использован как часть смеси крупных и мелких заполнителей, составляющих от 60 до 75 процентов цементной смеси. Сталь можно переплавить и преобразовать в новую стальную арматуру для усиления следующего проекта.

Довольно удачно, что металл, обладающий столькими полезными свойствами для армирования бетона, также недорог и в изобилии.Если бы все эти совместимые функции были у золота или бриллиантов, это, вероятно, не было бы таким полезным.

, однако, легко доступна по относительно низкой цене.

Предварительно напряженный и пост-напряженный бетон

Каким бы прочным ни был железобетон, он все же может треснуть. Хотя этот вязкий режим разрушения не приводит к немедленному разрушению конструкции (в отличие от разрушения в хрупком режиме), это первая фаза разрушающего процесса, известного как «скалывание».

Когда вода просачивается в трещины в железобетоне, она может повредить структурную целостность здания тремя способами.

1. Поскольку жидкость может заполнить любой карман, в который ей разрешено, вода может легко просочиться и заполнить любые трещины в железобетоне. Если температура упадет ниже 32 градусов по Фаренгейту (0 градусов по Цельсию), он замерзнет.

Когда вода замерзает, она образует структуру из переплетенных кристаллов льда.Эти кристаллы льда занимают больше места, чем молекулы жидкой воды, а это означает, что лед занимает больше места, чем вода. Это означает, что когда вода замерзает, она давит на бетон и расширяет трещины еще шире.

Когда лед тает, трещина становится шире, позволяя большему количеству воды заполнить промежуток, который затем замерзает, чтобы расшириться еще больше. Этот цикл не только физически раздвигает бетон, но и позволяет все большему и большему количеству воды проникать в конструкцию, увеличивая количество повреждений, вызванных двумя другими формами повреждений.

2. Со временем трещины станут достаточно широкими и глубокими, чтобы вода и воздух достигли стальной арматуры, встроенной в железобетон. Это обнажение может привести к коррозии арматуры. В присутствии воды кислород воздуха взаимодействует с железом в стали, образуя ржавчину.

Отслаивающееся покрытие на поверхности ржавой арматуры не защищает внутренние слои железа от процесса коррозии (способ, которым образование слоя патины предотвращает дальнейшую коррозию медных поверхностей), поэтому арматуру можно постоянно ухудшается до тех пор, пока он не перестанет выдерживать силы натяжения, действующие на конструкцию.

Верным признаком того, что происходит этот тип коррозии, является появление на бетоне коричневых пятен. Этот цвет возникает из-за того, что частицы ржавчины становятся коричневыми и стекают через трещины в железобетоне.

3. Когда вода проникает в железобетон, она может изменить pH-баланс окружающей среды и вызвать химические реакции в бетоне. Этот риск усугубляется тем фактом, что на дорожных покрытиях и мостах использование соли для удаления льда с дорог зимой означает, что проникающая вода, скорее всего, будет сильно щелочной.

Эти щелочи в воде могут реагировать с кремнеземом в заполнителях бетона, вызывая образование новых кристаллов. Эти новые кристаллы занимают место и физически раздвигают железобетон так же, как ледяной лед в примере 1. Разница в том, что кристаллы не тают, поэтому бетон непрерывно раздвигается.

Понятно, что железобетон лучше не растрескивать. Однако, поскольку сталь очень пластичная, она будет растягиваться или гнуться, что приведет к растрескиванию окружающего бетона.Это, конечно, если только что-то не будет сделано для предотвращения такого поведения стали.

Предварительно напряженный бетон

Чтобы предотвратить растрескивание, стальную арматуру можно растянуть перед заливкой цемента. Это называется предварительным напряжением (или предварительным напряжением), потому что оно добавляет усилие натяжения к стали до того, как будет сформирован армированный бетон. Таким образом, сталь находится в постоянном состоянии, возвращаясь к своей естественной форме, притягивая окружающий бетон внутрь под действием силы сжатия.

Сохранение бетона в этом предварительно напряженном состоянии фактически делает его более прочным, потому что бетон устойчив к силам сжатия. Это что-то вроде мышцы, которая в напряжении сильнее.

Благодаря предварительному напряжению железобетона материал становится более прочным по двум причинам.

1. Меньше вероятность образования трещин. Поскольку сталь уже стягивает бетон, ей нельзя растягиваться так сильно, как если бы сталь не была предварительно напряжена.
2. Любые образовавшиеся трещины постоянно закрываются силой стали, пытающейся вернуться в расслабленное состояние. Это ограничивает количество воды, которая может проникнуть в железобетон и вызвать коррозию.

Бетон после напряженного состояния

Такого же эффекта можно добиться, затягивая сталь после того, как бетон начал затвердевать. Кажется, что бетон затвердевает в течение нескольких часов, но на самом деле для правильного отверждения требуется около месяца, и он продолжает затвердевать и укрепляться в течение как минимум пяти лет после заливки.

Предварительно напряженный и пост-напряженный бетон не только приводит к меньшему растрескиванию, он на самом деле настолько прочнее, чем обычный железобетон, что меньшие и более тонкие участки предварительно напряженного или пост-напряженного бетона могут нести ту же нагрузку, что и ненагруженный железобетон.

Почему бы просто не использовать сталь?

Если вы посмотрите на особенности того, как работает железобетон, вы можете начать задумываться, почему мы вообще пытаемся использовать бетон в процессе. Бетон, в конце концов, силен только против сил сжатия, а сталь — против:

• Сжатие
• Растяжение
• Сдвиг

Фактически, сталь в 100–140 раз прочнее бетона по прочности на разрыв.

Обычный бетон сам по себе не очень полезен. Только железобетон и предпочтительно предварительно напряженный (или пост-напряженный) бетон является чудесным строительным материалом, о котором мы думаем, когда представляем современную архитектуру. Поскольку бетон на самом деле относительно бесполезен без стальной арматуры, почему бы просто не построить его из стали?

Бетон предлагает множество преимуществ для строительства, которые делают его лучшим строительным материалом, чем обычная сталь.

1. Коррозия
2. Вес
3. Стоимость

Как мы видели, когда сталь подвергается воздействию воздуха и влаги, она ржавеет. Хотя существуют способы предотвращения этого окисления, они требуют гораздо большего ухода, чем это возможно. Например, стальную арматуру часто обрабатывают перед заливкой цемента, чтобы защитить ее от элементов, даже если вскоре она будет залита бетоном. Даже в этом случае, как мы видели, он все еще может ржаветь.

Бетон, с другой стороны, довольно устойчив к коррозии. Сначала должны образоваться трещины, и часто требуется несколько лет проникновения воды, замерзания и повторного замерзания, чтобы нарушить структурную целостность железобетона.Если проводятся регулярные осмотры, это дает достаточно времени для ремонта или замены корродирующей части.

Сталь очень тяжелая, и ее необходимо полностью транспортировать на строительную площадку. Бетон, с другой стороны, примерно на треть плотнее стали, и его можно транспортировать в гораздо более легких композитных частях.

У этого есть двоякая польза. Первое преимущество — это транспорт. Сталь нужно будет доставить на строительную площадку, а затем сварить вместе, чтобы сформировать конструкцию.Это было бы очень дорого, так как сталь тяжелая. Бетон, с другой стороны, гораздо легче транспортировать, так как его составные части, затем смешиваются и заливаются на месте, затвердевая до окончательной формы.

Второе преимущество — это вес окончательной конструкции. Поскольку бетон на треть плотнее стали (и даже содержит от 5 до 10 процентов захваченного воздуха), общий вес здания из железобетона намного меньше, чем здания, полностью построенного из стали. Железобетон обычно на 1–4% состоит из стали, поэтому в конечном итоге он весит намного меньше.

Сталь, хотя и относительно дешевая и широко распространенная, намного дороже бетона. Просто имеет смысл армировать бетон сталью, потому что вы можете получить преимущества прочности стали, сохраняя при этом низкую стоимость и простоту использования бетона.

История железобетона

Хотя использование ранних форм цемента было зарегистрировано в древних культурах, возникших много тысяч лет назад, именно древние римляне представили самую раннюю форму бетона в том виде, в каком мы ее знаем сегодня.Во время добычи известняка римляне случайно обнаружили минерал, содержащий кремнезем и глинозем, на склонах Везувия.

При смешивании с известняком и обжиге он давал цемент, который, в свою очередь, можно было смешать с водой и песком, чтобы получить раствор, который был более твердым, прочным и более адгезионным, чем обычный известковый раствор. Эта смесь могла затвердеть как под водой, так и на воздухе, как сегодня бетон. В 2000 году до нашей эры римляне использовали тип бетона под названием пуццолана, в котором использовался вулканический пепел, для строительства Колизея и Пантеона в Риме.

Тогда, примерно с 400 по 1750 год нашей эры, нет никаких свидетельств использования бетона. Это фактически стало «темным веком» бетона, который длился с момента падения Римской империи до тех пор, пока английский инженер Джон Смитон не открыл заново, как производить «гидравлический» цемент при строительстве маяка в Плимуте, Англия.

Железобетон был изобретен и запатентован французом Жозефом Монье в 1867 году н.э., но он применил эту технику только для цементирования цветочных горшков. Железобетон не стал широко используемым строительным материалом, пока в 1880-х годах не были разработаны витая арматура и предварительно напряженный бетон.

Первая бетонная дорога была проложена в 1891 году в Беллефонтене, штат Огайо. Плотина Гувера, самая большая бетонная конструкция, которую когда-либо пытались построить до того момента, была построена в 1936 году. Американский архитектор Фрэнк Ллойд Райт построил множество знаковых бетонных зданий в 1950-х годах. Брутализм, архитектурный стиль, в котором подчеркивался открытый бетон, был популярен с 1950-х по 1970-е годы.

Заключение

Бетон — удивительный строительный материал, который был обнаружен тысячи лет назад, но затем забыт.Это невероятно полезный строительный материал, потому что его можно смешивать с порошком, чтобы создавать каменные конструкции любой формы.

Однако его полезность ограничена тем фактом, что бетон прочен только против сил сжатия и легко крошится под действием сил растяжения и сдвига. Однако, армируя бетон, вы можете создать материал, который намного прочнее, чем его компоненты. Сталь особенно хорошо подходит в качестве арматуры, поскольку она хорошо сцепляется с бетоном и с той же скоростью расширяется.

В сочетании сталь и бетон образуют новый строительный материал — железобетон. Этот новый материал более полезен, чем любой из его отдельных компонентов по отдельности, поскольку он сочетает в себе прочность стали с простотой использования и относительно низким весом бетона.

Железобетон: что нужно знать

Проблема железобетона

… И почему бетонные подрядчики и поставщики предпочитают альтернативные железобетонные материалы

Инновация 19 века, железобетон, призванный сделать бетонные конструкции более безопасными и устойчивыми.Но, как показывает история, такой подход к железобетону не выдержал испытания временем, как его предшественники.

Бетонные конструкции в Риме стоят и по сей день, спустя почти 2000 лет после их создания. Для сравнения: многие бетонные дороги, мосты и здания со стальной арматурой уже начали разрушаться.

Мы знаем, что бетон долговечный и долговечный. Так в чем проблема?

Дело в том, что у использования железобетона есть несколько недостатков.

Если вы планируете заказать железобетон у поставщиков бетона, сначала рассмотрите преимущества и недостатки железобетона. Вы также можете рассмотреть альтернативы, которые предпочитают многие подрядчики по бетону!

Для чего используется железобетон?

Стальной бетон предназначен для использования прочности бетона на сжатие с пределом прочности стали на разрыв для выдерживания тяжелых нагрузок, таких как опоры, фундаментные стены и колонны.Для проезжей части с интенсивным движением, полов под навесами и больших навесов может потребоваться железобетон, чтобы выдержать вес.

Стальная арматура встраивается в бетон, чтобы удерживать бетон вместе, предотвращать образование больших трещин и повышать общую прочность. Эта дополнительная прочность позволяет создавать более длинные, более тонкие консольные конструкции и плиты с меньшей опорой, которые имеют более прочную конструкцию из-за армирования.

Виды железобетона

Армированный бетон часто представляет собой традиционный цементный бетон, заливаемый на стальную арматуру.Эти подкрепления включают:

Арматура

Арматура — это сокращение от арматурного стержня. Это стержень из низкоуглеродистой стали, который бывает разной толщины, например № 3 толщиной 10 мм и № 4 толщиной 12 мм. Арматуру часто производят для лучшего захвата, например ребристую арматуру.

Сварная сетка

Это стальная проволока, сваренная вместе в виде квадратной сетки в виде плоского листа. Толщина стальной проволоки обычно составляет 4 мм. И типичный размер сетки составляет 150 мм х 150 мм.

Оба типа стальной арматуры используются в проектах кладки.Обычно арматура огибает фундамент, а сварная сетка входит в плиту, часто образуя клетку.

Хотя это экономичные варианты строительства из бетона, они изготовлены из стали, поэтому они создают риск ржавления и коррозии бетона.

Преимущества железобетона

Комбинация бетона и стали дает железобетону высокую прочность на сжатие и растяжение. В результате железобетон считается более прочным.Кроме того, он довольно устойчив к пожарам и погодным условиям.

Поскольку стальная арматура может укреплять более тонкие бетонные плиты, подрядчики по бетону могут использовать меньше бетона и при этом иметь прочную бетонную плиту с опорой. Использование меньшего количества бетона позволяет сэкономить время и трудозатраты на подачу, транспортировку, смешивание и заливку бетона.

также является доступным материалом и дешевле некоторых альтернативных вариантов армирования, таких как алюминиевая бронза и нержавеющая сталь.

Недостатки железобетона

Хотя застройщики могут сэкономить на первоначальных затратах, используя стальную арматуру, они часто не принимают во внимание долгосрочные затраты на техническое обслуживание, ремонт и замену.

Основной компонент стали, железо, подвержено ржавчине. В результате коррозия остается уникальным недостатком при использовании железобетона.

Эту коррозию трудно обнаружить в бетонных конструкциях. Но это разрушает долговечность бетона, что приводит к сокращению срока службы — всего от 50 до 100 лет, а ухудшение начинается всего через 10 лет.По сравнению с древними бетонными сооружениями в Риме, от 50 до 100 лет — это недостаточно для того, чтобы современные сооружения прослужили.

В результате этого более короткого срока службы ремонт разрушающихся зданий, мостов, шоссе и другой инфраструктуры обходится дорого. Затраты на ремонт и реконструкцию железобетонных конструкций со временем будут только ухудшаться, поскольку все больше конструкций изнашиваются и теряют структурную целостность.

Почему сталь — не лучший вариант

Наличие стальной арматуры в бетоне делает бетон более склонным к растрескиванию.В то время как обычный бетон может справиться с несколькими крошечными трещинами, эти трещины прокладывают путь (простите за каламбур) главной угрозе стальной арматуре — влаге.

Когда влага попадает в бетон через эти трещины, она вызывает электрохимическую реакцию со стальной арматурой, встроенной в бетон. Эта реакция создает батарею, причем один конец арматурного стержня становится анодом, а другой конец — катодом. Эта батарея питает коррозию, превращая сталь в ржавчину.

Ржавчина способна расширять сталь до четырех раз.Это расширение создает более крупные трещины и разрывает бетон на части в процессе, называемом отслаиванием (рак бетона).

Альтернатива натуральной арматуре

Бетонная промышленность всегда ищет способы стать более экологически чистыми. Один из таких способов — использовать эти альтернативы стальной арматуре:

Непрерывное базальтовое волокно (CBF)

CBF — это плотная, устойчивая к истиранию магматическая порода, изготовленная из базальта. Это каменное волокно более чем вдвое превышает удельную прочность легированной стали.Он не подвергается коррозии, как сталь, и не портится от кислот. CBF также является огнестойким и хорошо сочетается с различными композитами.

По сравнению со стальной арматурой, CBF также уменьшает количество используемого бетона, делая бетон более тонким и легким, что позволяет оставить больше изоляционного пространства. CBF также не является теплопроводным, поэтому он может соединяться как с внутренними, так и с внешними изолированными стеновыми панелями без передачи тепла. Это означает более энергоэффективные здания за счет снижения потерь тепла.

Тканый бамбук (WSB)

WSB использует бамбуковые стебли со шкурой, которые продольно разрезают на тонкие пряди.Затем эти пряди карбонизируются, погружаются в клей на водной основе и подвергаются горячему или холодному прессованию в формах. В результате получается продукт, который в три раза плотнее бамбука, а также устойчив к впитыванию влаги, набуханию и разложению бактерий и грибков.

Бамбук обладает высокой прочностью на разрыв, быстро восстанавливается и связывает углерод, что делает его чрезвычайно экологичной альтернативой арматурной стали.

Полимер, армированный волокном (FRP)

FRP — еще одна альтернатива стальной арматуре, которая может создавать энергоэффективные бетонные конструкции и не подвержена коррозии.FRP, особенно стекло FRP, обеспечивает тепло- и электрическую изоляцию, имеет высокое отношение прочности к весу и низкие эксплуатационные расходы.

При строительстве железобетона с альтернативами, которые не подвержены коррозии, бетонные конструкции получают более длительный срок службы. Они требуют меньше обслуживания и меньше ресурсов. Они смогут выдержать испытания временем, как древнеримские постройки, и не станут дорогостоящим финансовым бременем при техническом обслуживании, ремонте или замене.

Железобетон, изобретатели железобетона | Эдубилла.com

Армированный бетон (RC) — это композитный материал, в котором относительно низкая прочность на растяжение и пластичность бетона компенсируется включением арматуры с более высокой прочностью на разрыв и / или пластичностью. Арматура обычно, хотя и не обязательно, представляет собой стальные арматурные стержни (арматуру) и обычно пассивно закладывается в бетон до схватывания бетона. Схемы армирования, как правило, предназначены для противодействия растягивающим напряжениям в определенных областях бетона, которые могут вызвать неприемлемое растрескивание и / или разрушение конструкции.Современный железобетон может содержать различные армирующие материалы из стали, полимеров или альтернативных композитных материалов в сочетании с арматурой или без нее. Железобетон также может подвергаться постоянному напряжению (сжатию), чтобы улучшить поведение окончательной конструкции при рабочих нагрузках. В Соединенных Штатах наиболее распространенные методы выполнения этого действия известны как предварительное натяжение и пост-натяжение.

Для прочной, пластичной и долговечной конструкции арматура должна иметь как минимум следующие свойства:

Высокая относительная прочность

Высокая устойчивость к деформации растяжения

Хорошая адгезия к бетону, независимо от pH, влажности и подобных факторов

Термическая совместимость, не вызывающая недопустимых нагрузок при изменении температуры.

Долговечность в бетонной среде, например, независимо от коррозии или длительных нагрузок.

История

Франсуа Куанье был французским промышленником девятнадцатого века, пионером в разработке конструкционного, сборного и железобетона. Куанье был первым, кто использовал железобетон в качестве техники для строительства строительных конструкций. построил первую железобетонную конструкцию — четырехэтажный дом на 72 rue Charles Michels в пригороде Парижа.Описания железобетона Куанье предполагают, что он делал это не для увеличения прочности бетона, а для того, чтобы удерживать стены в монолитной конструкции от опрокидывания.

Джозеф Монье, французский садовник и известный как один из главных изобретателей железобетона, получил патент на армированные цветочные горшки путем смешивания проволочной сетки с строительным раствором. В 1877 году Монье получил еще один патент на более совершенную технику армирования бетонных колонн и балок железными стержнями, размещенными в виде сетки.Хотя Монье, несомненно, знал, что армирование бетона улучшит его внутреннее сцепление, менее известно, знал ли он даже, насколько армирование действительно улучшает прочность бетона на растяжение.

До 1877 года использование бетонных конструкций, хотя и относилось к Римской империи и было возобновлено в середине-конце 1800-х годов, еще не было проверенной научной технологией. Житель американского Нью-Йорка Таддеус Хаятт опубликовал отчет под названием «Отчет о некоторых экспериментах с портландцементным бетоном в сочетании с железом в качестве строительного материала» со ссылкой на экономию металла в строительстве и защиту от огня при изготовлении крыш, полов и Walking Surfaces, где он изложил свои эксперименты по поведению железобетона.Его работы сыграли важную роль в развитии бетонного строительства как проверенной и изученной науки. Без работы Hyatt развитие технологий в значительной степени зависело бы от более опасных методов проб и ошибок.

Г. А. Вайсс, немецкий инженер-строитель, пионер строительства из железа и стали. В 1879 году Уэйсс купил немецкие права на патенты Монье, а в 1884 году начал первое коммерческое использование железобетона в своей фирме Wayss & Freytag.Вплоть до 1890-х годов Уэйсс и его фирма внесли большой вклад в развитие системы армирования Монье и зарекомендовали себя как хорошо развитую научную технологию.

Эрнест Л. Рэнсом, инженер английского происхождения и один из первых изобретателей железобетонных технологий в конце 19 века. Обладая знаниями в области железобетона, накопленными в течение предыдущих 50 лет, Рэнсом внедрил почти все стили и методы предыдущих известных изобретателей железобетона.Ключевым нововведением Рэнсома было скручивание стального арматурного стержня, улучшающего сцепление с бетоном.

Получая все большую известность благодаря своим бетонным зданиям, Рэнсом смог построить два первых железобетонных моста в Северной Америке.

Использование в строительстве

Из железобетона можно построить множество различных типов конструкций и компонентов конструкций, включая плиты, стены, балки, колонны, фундаменты, рамы и многое другое.

Железобетон можно разделить на сборный и монолитный.

Разработка и внедрение наиболее эффективной системы перекрытий — ключ к созданию оптимальных строительных конструкций. Небольшие изменения в конструкции напольной системы могут оказать существенное влияние на материальные затраты, график строительства, конечную прочность, эксплуатационные расходы, уровни занятости и конечное использование здания.

Без армирования строительство современных конструкций из бетонных материалов было бы невозможно.

Чем отличается простой бетон от железобетона?

Бетон является основой большей части инфраструктуры Civilization и большей части ее физического развития.Во всем мире используется почти в два раза больше бетона, чем всех других строительных материалов комбинированного использования.

Разница между PCC и RCC:

ОБЫЧНЫЙ ЦЕМЕНТНЫЙ БЕТОН (PCC): — Его также называют цементным бетоном (CC) или вяжущим бетоном.

Это строительный материал, состоящий из цемента, песка, заполнителя (крупного и мелкого), воды и добавок.

· Используется для обеспечения жесткого, ровного и непроницаемого основания для ПКК в фундаменте.

· Используется также под напольными покрытиями (камень, плитка, деревянные полы и т. Д.).

· Хорошо сопротивляется сжатию.

· Может использоваться на плоских загрязнениях Brick или без плоских загрязнений Brick.

· Также используется в качестве наполнителя, например, кускового бетона, который является смесителем Боулдера и РСС.

Толщина: PCC обычно составляет от 50 до 75 мм

Соотношение бетона: Обычно используются пропорции 1: 2: 4, 1: 3: 6, 1: 4: 8

Единица: Кубический метр (Cum)

АРМИРОВАННЫЙ ЦЕМЕНТНЫЙ БЕТОН (ПКК): —

Бетон — это материал, содержащий смесь цемента, песка, заполнителя и воды, который подходит для сжатия, а не при растяжении….

Решить эту критическую проблему путем армирования стали, заливки влажного бетона вокруг прочных стальных стержней. Когда бетон схватывается и затвердевает вокруг стержней, мы получаем новый композитный материал АРМИРОВАННЫЙ БЕТОН (RCC) . Так что это хороший материал, который хорошо работает как на сжатие, так и на растяжение.

Бетон сопротивляется сжатию из-за прочности на сжатие, а сталь сопротивляется изгибу и растяжению из-за прочности на растяжение. Это увеличивает пластичность, уменьшает длительные прогибы или увеличивает изгибную способность балок.

Железобетон действует как композитный материал внутри другого, где стальные стержни обеспечивают армирование бетона.

Обычно используются стальные стержни TMT, которые надежно закреплены внутри бетона без риска поскользнуться. Мы используем сталь, потому что она предотвращает чрезмерное растрескивание в результате усадки или колебаний температуры (горячая и холодная температура). Боковое армирование в виде стяжек и хомутов используется для обеспечения сопротивления основным растягивающим напряжениям, возникающим в результате сопротивления сдвигу.

Толщина: Толщина RCC зависит от проектных требований.

Пропорция бетона: Это может быть номинальная смесь или расчетная смесь, в зависимости от требований площадки.

Единица: Кубический метр (Cum)

Две альтернативы натуральной арматуры для бетона

Бетон самый распространенный строительный материал в мире и второй по потреблению вещество после воды. В частности, железобетон преобладает в Сектор AEC, где сочетается сопротивление растягивающим и сжимающим силам. позволяет возводить высокие и длиннопролетные конструкции.Однако, несмотря на его почти повсеместное использование, железобетон имеет фундаментальное значение. Недостаток: учитывая склонность черных металлов к коррозии, это в лучшем случае временный материал, требующий постоянного ухода. В Concrete Planet: Странная и увлекательная история о самом распространенном в мире искусственном материале (Прометей Books, 2011), автор Роберт Курланд пишет: «Если бы римляне использовали железобетон, которого у них не было, чтобы построить свои прекрасные мост в Алькантаре, Испания, мост будет К настоящему времени пришлось перестраивать как минимум 16 раз.”

Сталь арматурный пруток, или арматура, имеет внутреннюю тенденцию к ухудшению, что привело к тому, что Национальное бюро стандартов (ныне Национальное бюро стандартов) Институт стандартов и технологий) для проведения первого комплексного коррозионные исследования в начале 1970-х гг. Агентство пришло к выводу, что Армирование с эпоксидным покрытием будет работать лучше, чем незащищенная сталь. Сегодня, эта форма армирования — самая известная из используемых коррозионно-стойких сталей. в Северной Америке; другие защищенные усиления включены оцинкованные сталь, нержавеющая сталь и полимер, армированный стекловолокном.Однако новые исследования предлагают две убедительные неагрессивные альтернативы.

В Во-первых, это вариант из непрерывного базальтового волокна (CBF). CBF, разработанный в 1923 году, изготовлен из плотных и устойчивые к истиранию изверженные породы. К 1960-м годам он нашел применение в различных приложениях в США и бывшем Советском Союзе, согласно торговому изданию CompositesWorld . CBF экспонатов в 2,5 раза больше удельная прочность легированной стали и 1.В 5 раз больше стекловолокна. Самое главное, он не подвержен коррозии, как металл, и, в отличие от стекловолокна, не подвержен коррозии. не подвержен разрушению от кислот. CBF также по своей природе огнестойкий и может использоваться с различными композитами, CompositesWorld отчеты.

ReforceTech в Норвегии разработала новая версия CBF. Армирован базальтовыми волокнами диаметром от 0,5 до 10 мм. BFRP Мини-бары состоят из волокон, обернутых полимерной смолой в форме спирали, и могут иметь длину от 20 до 200 миллиметров.Бары смешивается непосредственно с бетоном без ухудшения его удобоукладываемости, компания говорит, что снижает или полностью устраняет необходимость в армировании стали. Более того, подрядчикам не нужно учитывать точное расположение арматура и миниатюрные стержни не выступают из готовой бетонной поверхности.

Когда базальтовые волокна ReforceTech, используемые в сборной архитектурной облицовке, не только устраняют необходимость в арматуре, но также значительно снижает толщину панели.«У нас уже есть сборные железобетонные изделия в Европе, которые делают стены с изоляцией. панели, у которых внешняя ширина уменьшена на 1,5 дюйма от более старых 3 дюйма толщиной », — сказал Элвин Эриксон, технический консультант компании ReforceTech в электронном письме. «Это уменьшает количество бетона, вес панели… и позволяет увеличить изоляцию и / или пол площадь.» В отличие от стали CBF не является теплопроводным, что позволяет ему соединять внутренние и внешние слои утепленных стеновых панелей без термического проблемы передачи.

Разработано бамбук также рассматривается как альтернатива арматуре. Ранние испытания тонких образцов бамбука в бетон начался в Массачусетском технологическом институте в 1914 году. В последующие десятилетия исследователи из Высшей технической школы Штутгарта и Сельскохозяйственного колледжа Клемсона в Южной Каролине (ныне Университет Клемсона) разработали более сложные тесты. Несмотря на высокую прочность бамбука на растяжение, Клемсон профессор Х.В 1950 г. Э. Гленн определил, что его склонность к гниению от влаги, насекомых и грибка, а также резкого усыхания и набухание было принципиальным недостатком материала. После записи драматического структурные разрушения в том году из-за расслоения бамбука и бетона, исследования по укреплению бамбука пошли на убыль.

Тестирование возобновился в последние годы в Future Cities Laboratory (FCL) в Сингапуре, на этот раз основанная на использовании плетеного бамбука. (WSB) — композитный материал, разработанный на юге Китая, устойчивый к влаге. абсорбция, набухание и разложение от бактерий и грибков.WSB также используется в напольных покрытиях. на тонкие пряди, которые карбонизируются и окунаются в емкость с клеем на водной основе перед горячим или холодным прессованием в формах. Полученные композитные продукты имеют в три раза большую плотность, чем натуральные. бамбук.

Такой тесты показывают многообещающие. Команда FCL во главе с кафедрой архитектуры и строительства Дирк Хебель, обнаружил, что производственный процесс WSB устраняет многие из предыдущих ограничений. бамбуковой арматуры в бетоне.Его команда сейчас разрабатывает спецификации для альтернативный производственный процесс WSB, который снижает потенциальный ущерб бамбуковые волокна. «Это контрастирует с производством мебели и полов в Китай », — написал Хебель в недавней статье, «Когда отдельное волокно или клетка не представляют интереса и обычно разрушается в процессе карбонизации, чтобы удалить все природные сахара в бамбуковом материале и, следовательно, быть непривлекательным для грибков и бактерий.” Команда Хебеля также анализирует структуру отдельных волокон бамбука и их взаимодействие с различными адгезивами посредством процесса, называемого конфокальной флуоресцентной микроскопией.

Использование WSB для армирования бетона имеет много преимуществ. Бамбук быстро возобновляем и поглощает углерод, в отличие от энергии. и углеродистой стали. Кроме того, бамбук очень доступен. ресурс в быстро развивающихся регионах, таких как Юго-Восточная Азия, где, как пишет Хебель, «потенциал бамбуковых композитных материалов, учитывая все области покрытия бамбуком, в настоящее время в 25 раз выше, чем сегодня спрос на конструкционную сталь ».

Хотя арматура стальная обычная пока никуда не денется, долгосрочная перспектива менее определена.Внутренняя склонность стали к коррозии указывает на десятилетия дорогостоящего обслуживания, а его высокая энергия дает плохие экологическая карта показателей. Значение такие материалы, как плетеный бамбук и базальтовая микрофибра, поэтому не представлен их постепенными успехами, а скорее их долгосрочными потенциал для переопределения наиболее часто используемых в мире гибридных материалов. В результатом может стать более светлое экологическое и экономическое будущее для усиленных конкретный.

Не бойтесь увидеть разницу в бетоне, армированном алюминием

Группа исследователей успешно разработала способ использования алюминия в качестве арматуры в бетонных конструкциях, представив новый дизайн скамейки в качестве демонстрации возможностей технологии.

Традиционно в качестве арматуры в бетоне использовалась сталь, а не алюминий. Причина в том, что высокий щелочной pH обычного бетона вызывает коррозию алюминия. Исследователь из SINTEF (одной из крупнейших независимых исследовательских организаций Европы) в Тронхейме хотел ответить на вопрос: «А что, если« виноват »не алюминий, а цемент?» В результате проф.Харальд Юстнес работал с командой более двух лет, чтобы изобрести новый бетон, который не был бы настолько щелочным, что позволило бы армировать бетон алюминием вместо стали.

Арматура для алюминиевого бетона

Исследовательский проект DARE2C (Прочная конструкция из экологически чистого бетона, армированного алюминием) был результатом сотрудничества группы экспертов Justnes, Норвежского университета науки и технологий (NTNU) и SINTEF. Hydro выступила в качестве менеджера проекта, и их также поддержали производитель цемента Norcem, подрядчики Veidekke и Overhalla Betongbyg, а также Норвежский исследовательский совет.

Новый рецепт бетона был доработан и протестирован с алюминиевым армированием — с такими многообещающими результатами, что уже на полпути исследовательского проекта предполагается, что новый бетон действительно станет реальностью. Помимо того, что новый бетон подходит для алюминиевого армирования, он имеет множество удивительно важных преимуществ, связанных с окружающей средой и качеством, которые могут произвести революцию в бетонной промышленности:

• Новый бетон требует гораздо меньше энергии и выбросов CO ₂ для производства
• Позволяет создавать более тонкие бетонные конструкции (меньшие объемы бетона).
• Бетон не требует ухода
• Он может поглощать и накапливать CO ₂ из окружающей среды во время фазы использования

Исследовательская группа спроектировала скамью с использованием нового бетона вместе с алюминиевой арматурой в качестве живого примера изобретения.Скамья из армированного алюминием бетона была отлита Overhalla Betongbygg и впервые выставлена ​​на выставке AquaNOR в Тронхейме в августе 2019 года.

Алюминий против стали

Почему преимущества армирования алюминием вместо стали? Тот факт, что сталь прочная, делает ее интуитивно понятным выбором для армирования, однако у стали также есть некоторые недостатки. Сталь подвергается коррозии при контакте с морской водой и CO ₂ из воздуха.Фактически, стальная арматура должна быть покрыта более плотным и толстым бетоном, чтобы защитить саму арматуру от контакта с воздухом и водой и предотвратить растрескивание бетона. Таким образом, современные бетонные конструкции служат только до тех пор, пока бетон может защищать сталь от внешних воздействий.

Алюминий отличается тем, что имеет «мембрану» из оксида, которая защищает металл от коррозии, что позволяет ему естественным образом противостоять воздуху и морской воде и выдерживать их гораздо лучше, чем сталь.Из-за этого традиционно более плотный бетон не требуется для защиты арматурной конструкции или какого-либо толстого покрытия. Благодаря алюминию бетонные конструкции могут иметь меньший вес, иметь более длительный срок службы и требовать меньшего количества обслуживания, а также позволяют использовать более широкий спектр эстетически привлекательных возможностей дизайна.

Алюминиевая арматура также позволяет использовать вяжущие вещества (которые сталь не выдерживает), что приводит к гораздо меньшим выбросам CO2 по сравнению с традиционным цементным клинкером.Большая часть цемента (около 55%) заменяется обычной глиной и другими связующими, которые не разлагают CO2, как цементный клинкер, и сжигаются (производятся) при более низких температурах (850 ° C вместо 1450 ° C). Это, конечно, позволяет сэкономить огромное количество энергии и выбросов.

Устойчивое развитие

Несмотря на то, что стол был изготовлен из первичного алюминия, важной целью исследовательского проекта является обеспечение возможности использования переработанного алюминия — и предпочтительно алюминия, который многократно повторно использовался в различных потребительских товарах и был настолько смешан с другими металлами, что не мог. long имеет так много подходящих альтернативных приложений.Возможность использовать переработанный алюминий — одно из главных преимуществ концепции DARE2C.

Например, алюминиевые блоки двигателя для автомобилей — это одна из областей применения, в которой можно использовать переработанный алюминий, который был «загрязнен» многими другими металлами. Но поскольку миру потребуется меньше блоков цилиндров — поскольку автомобили в будущем перейдут с двигателей внутреннего сгорания на электродвигатели, — железобетон, армированный алюминием, можно рассматривать как потенциальное применение этого загрязненного алюминиевого лома.