РАЗДЕЛ 2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЦЕПЛЕНИЯ АРМАТУРЫ С БЕТОНОМ В УСЛОВИЯХ ВОЗВЕДЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
СПОСОБОМ "СТЕНА В ГРУНТЕ"
2.1. Теоретические основы совместной работы бетона и арматуры
В теории расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям одним из основных условий является положение о необходимости монолитной связи между бетоном и арматурой вплоть до момента разрушения конструкции. Лабораторные исследования и эксплуатация железобетонных сооружений показывает, что появление трещин в растянутой зоне железобетона, как правило, неизбежно, даже при нагрузках, меньше эксплуатационных.
Причина их возникновения заключается в действии нагрузки, температуры, усадки и т.п., либо в совместном действии перечисленных факторов. Ширина раскрытия трещин зависит от процента армирования, диаметра арматуры, прочности сцепления бетона с арматурой и пр., а также от расстояния между трещинами, которое в основном определяется теми же факторами. В силу некоторой неоднородности бетона по длине изгибающего элемента первые трещины, как правило, возникают в наиболее слабом месте.
Закономерности взаимодействия арматуры и бетона определяют особенность железобетона как материала.
Свойства железобетона не укладываются в рамки обычных представлений об однородных или композиционных материалах. При эксплуатации железобетона в нем возникают трещины, превращающие железобетон из материала в конструкцию, в которой функции бетона и арматуры принципиально различны.
В нормативных документах [61] при определении ширины раскрытия трещин работа растянутого бетона между ними учитывается коэффициентом ?а, величина которого находится в непосредственной зависимости от монолитности связи бетона и арматуры. Так, ширина раскрытия трещин определяется по формуле
ат = ?а (?а ??а) lт , (2.1)
где ?а - напряжение в растянутой арматуре;
Еа - модуль упругости арматуры;
lт - расстояние между трещинами.
По данным [62, 63], расстояние между трещинами и ширина их раскрытия зависят от средней величины сцепления арматуры с бетоном, определяемой как
?ср = Rр /?? ?, (2.2)
где Rp - выдергивающая сила;
??? - поверхность стержня, выдергиваемого из образца.
Следовательно, повышая прочность сцепления бетона с арматурой, можно уменьшить величину раскрытия трещин и повысить прочность железобетонной конструкции.
Проследим за работой призматического элемента под нагрузкой, показанного на рис.2.1. На концевых участках (в "зонах перераспределения") происходит такое перераспределение нагрузки, что в средней части элемента (в "зоне совместных деформаций") усилия в бетоне и арматуре соответствуют их жесткости. После появления трещин либо возникнет несколько зон совместных деформаций, либо их вовсе не будет. Если до появления трещин растягивающие усилия могли передаваться и через бетон, и через арматуру, то после их появления - в основном или полностью через арматуру (рис.2.2).
Рис. 2.1. Зоны контактных напряжений и перераспределения железобетонного элемента:
1-зона контактных напряжений, 2-зона отсутствия контактных напряжений, 3-зона перераспределения, 4-зона равномерного распределения напряжений в бетоне и арматуре.
Рис. 2.2. Передача нагрузки на железобетонный элемент
Напряженное состояние непрерывно усложняется из-за появления новых поперечных трещин и нарушающих контакт арматуры с бетоном трещин, развивающихся вдоль арматуры.
Отсюда вытекает важность решения вопроса о закономерностях контакта арматуры с бетоном при передаче растягивающих усилий.
Вопросами сцепления занимались ученые с того времени, как железобетон начали использовать как материал, и до наших дней.
В начале, в основном, исследовали сцепление гладкой арматуры. Сопротивление сдвигу арматуры объясняли работой адгезионных связей и силами трения. Причиной появления последних считали радиальное давление от усадки бетона. При переходе к массовому применению профилированной арматуры эти представления пытались сохранить, введя дополнительно сопротивление за счет "зацепления" выступов арматуры.
Михайлов К.В [64] считает, что сцепление бетона с арматурой обеспечивается капиллярными силами и усадкой бетона.
Иванов-Дятлов И.Г. [65] значительную роль в сцеплении бетона с арматурой отводит электрохимическим процессам. Из-за неоднородности химического состава стали, от неровности поверхности, от ржавчины и по другим причинам на стержнях арматуры получается разность потенциалов. Во время схватывания и твердения бетона возникают токи, что вызывает движение ионов внутри электролитов, поэтому прочность цементного камня у поверхностей соприкосновения с арматурой выше, чем у мест, удаленных от арматуры.
Сцепление бетона с арматурой по Черненко Д.М. [66] объясняется физическими, физико-химическими и в том числе диффузионными процессами на границе бетона и арматуры, в результате чего возникает новый, интерметаллический слой с определенной кристаллической решеткой, содержащей в себе элементы бетона и металла.
Корнилович Ю.Е. [67] считает основными факторами адгезии химическое взаимодействие между цементом и металлом, в результате которого образуются ферриты кальция. К физическим явлениям он относит как простое прилипание на сталь и сцепление с ней образующихся при твердении цемента гелеобразных коллоидальных масс, так и обхватывание, и ущемление этими массами при усадке цемента в связи с процессами их высыхания и уменьшения в объеме. Однако скоро выявилась ненадежность адгезионных связей, о чем еще в 1924 г. писал В. Юферов [68], и второстепенная роль трения на участке между выступами.
Очевидно, все вышеуказанные процессы в большей или меньшей степени находят свое место, сопровождают друг друга, накладываются друг на друга, в обеспечении сил сцепления между бетоном и арматурой.
Итак, прочность сцепления бетона с арматурой в железобетонных конструкциях обеспечивается тремя факторами:
1. Склеиванием цементного камня с поверхностью арматуры, зависящим от клеящей способности цемент
- Київ+380960830922