Самым, пожалуй, распространенным и универсальным строительным материалом является бетон. Изделия и конструкции из железобетона обладают высокими прочностными свойствами. ЖБИ позволяют экономить за счет сокращения сроков строительствам, они обладают широкими конструкционными возможностями.
В строительстве используются самые разные виды и типы бетона, а цена варьируется в зависимости от свойств, приданных материалу. Так, например, по специальной рецептуре изготавливается бетон гидротехнический, без которого невозможно построить дамбу, мост, водопроводные системы. Данный бетон отличается морозостойкостью.
При строительстве теплоэлектроцентралей, промышленных предприятий металлургической отрасли используется жаростойкий бетон. Отличающийся повышенными защитными свойствами и стойкостью к воздействию агрессивных сред кислотоупорный бетон применяется при строительстве индустриальных объектов, футеровочных работах. Он отлично противостоит высоким температурам.
Бетон используется в качестве основы для множества изделий. Самыми известными являются стеновые панели и панели перекрытий. Все больше бетона требует жилищное строительство – монолитные технологии предусматривают использование влагостойких и быстросхватывающихся бетонов.
В дорожном строительстве также не обходится без этого материала. В частности, хорошо себя зарекомендовали бетонные дорожные плиты, выдерживающие значительные нагрузки. Ими выкладывают взлетные полосы, подъездные пути. Правда, чаще они используются для обустройства временных подъездных путей. Но, как известно, нет ничего более постоянного, чем временное.
В нашей потребление бетона (товарного) и изделий из бетона возрастает год от года. Аналитики подсчитали, что к 2020 году на каждого жителя нашей страны будет приходиться не менее 1 кубического метра раствора. Та же статистика свидетельствует, что предприятия России выпускают столь же бетона, сколько его производится в Японии или Турции. Как утверждают специалисты, лидером по потреблению бетона в мире является Китай, где на каждого жителя страны приходится этого материала в 30 раз больше, чем на каждого россиянина. Российский бетон и ЖБ-изделия превосходит аналогичные материалы в других странах по удельному весу в составе растворов цемента – в кубическом метре отечественного товарного бетона не менее 350 килограммов цемента, тогда как в других промышленно развитых странах этот показатель значительно ниже.
Повышение эффективности и качества продукции является необходимым условием прогресса любой отрасли производства. Одна из актуальных задач развития строительства связана с разработкой и внедрением новых эффективных строительных конструкций, использование которых обеспечивает снижение расхода строительных материалов, уменьшение трудоемкости, энергоемкости и стоимости, повышение индустриальности строительства.
Значительное место в решении этих вопросов принадлежит бетону и железобетону, доля которых в общей массе используемых в строительстве материальных ресурсов составляет порядка 25%. В настоящее время наметилась тенденция к расширению области применения зданий каркасного типа, в частности, в жилищном строительстве. В связи с этим задача разработки эффективных конструкций колонн и ригелей несущих каркасов зданий становится все более актуальной. Наиболее рациональными путями снижения материалоемкости стержневых железобетонных конструкций можно считать: совершенствование формы поперечных сечений и армирования элементов; использование высокопрочных бетонов; расширение области применения предварительно напряженной арматуры.
Стержневые железобетонные конструкции массового применения выполняются, в основном, квадратного, прямоугольного, таврового или двутаврового поперечного сечения. Значительно реже форма сечения принимается тонкостенной - кольцевой или коробчатой. Вместе с тем во многих случаях тонкостенные сечения работают эффективнее сплошных. В частности замена в сжатых элементах сплошного сечения на равное по площади тонкостенное приводит к увеличению рабочей высоты сечения, повышению его жесткости, снижает гибкость конструкции и, в конечном счете, увеличивает несущую способность.
Эффективность железобетонных конструкций может быть повышена за счет совершенствования схем армирования. Рядом исследований /1-12/ показано, что одна из оптимальных схем связана с применением внешнего армирования. В этом случае в качестве продольной арматуры используются стальные прокатные профили. Применение внешней арматуры позволяет: увеличить рабочую высоту сечения конструкций; улучшить работу бетона за счет эффекта обоймы; совместить с помощью прокатных профилей функции продольной рабочей арматуры, закладных деталей и обоймы; упростить конструкции стыков железобетонных элементов; уменьшить число типоразмеров конструкций; автоматизировать процесс производства арматурных каркасов и собственно железобетонных элементов; упростить конструкцию опалубки.
По сравнению с металлическими конструкциями железобетонные элементы с внешним армированием имеют следующие преимущества: прямая экономия металла за счет замены части металлического сечения бетоном; не требуется мероприятий по обеспечению местной устойчивости уголка; значительное повышение огнестойкости (огнестойкость элементов с внешним армированием составляет 80% от огнестойкости колонн из обычного железобетона и в четыре раза выше огнестойкости металлических колонн).
В одноэтажных промышленных зданиях замена стального каркаса железобетонным, выполненным из высокопрочного бетона, сокращает расход металла практически в 2 раза /131.
Недостатки конструкций с внешним армированием по отношению к традиционным железобетонным заключаются в пониженной огнестойкости и коррозии внешней арматуры. В настоящее время для защиты внешней арматуры от неблагоприятных воздействий разработаны специальные покрытия, которые одновременно являются огнезащитными и антикоррозионными.
В нашей стране для изготовления конструкций массового назначения используются бетоны с относительно невысокими прочностными характеристиками. В общем объеме производства несущих железобетонных конструкций наибольший удельный вес занимают конструкции из бетонов классов В15.В30, а, к примеру, конструкции из высокопрочного бетона класса В45 составляют около 0,1% /14/. В тоже время анализ структуры производства железобетонных конструкций показывает, что из высокопрочного бетона можно изготавливать до 5% общего объема изделий /15/. Одна из причин такого положения обусловлена незначительным объемом производства высокопрочных цементов, в связи с чем промышленность стройиндустрии при изготовлении подавляющего большинства железобетонных конструкций вынуждена использовать цементы средних и низких марок. В качестве второй причины можно назвать отсутствие качественных заполнителей. Все это в сочетании с традиционной технологией формования не позволяет получать высокопрочные бетоны. Вместе с тем опыт применения высокопрочных бетонов показывает /16-19/, что замена, к примеру, в колоннах бетона класса В35 на класс В50 снижает стоимость конструкций на 10.15%, уменьшает массу на 30.40% или сокращает расход стали на 40.52%.
Достаточно многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученых показано, что на основе более прогрессивных технологий формования можно получать высокопрочные бетоны на рядовых цементах и заполнителях. К числу достаточно перспективных можно отнести технологию виброгидропрессования бетона. Эта технология в настоящее время используется, в основном, для производства виброгидропрессованных труб и при обделке тоннелей. Виброгидропрессование позволяет даже при относительно низких давлениях порядка 3.6 МПа увеличивать прочность бетона в два и более раза, не изменяя при этом компонентов бетонной смеси. Кроме того, применение длительного прессования бетона во время его твердения значительно увеличивает разопалубочную прочность бетона, сокращает продолжительность тепловлажностной обработки, уменьшает усадку, повышает предельную деформативность, уменьшает ползучесть, повышает сцепление цементного камня с заполнителем и арматурой, увеличивает плотность и модуль упругости бетона, повышает морозостойкость и сопротивляемость бетона агрессивным воздействиям окружающей среды.
Изменение физико-механических свойств бетона при твердении его под давлением обусловлено воздействием комплекса факторов: снижением водоцементного соотношения за счет отжатия части воды; уменьшением размера пор, занятых воздухом; ускорением процессов гидратации; образованием поля начальных напряжений внутри бетона при снятии давления.
Широкому применению технологии виброгидропрессования бетона препятствуют два обстоятельства. Первое из них связано с определенным усложнением оснастки и технологии формования конструкций. Второе обстоятельство обусловлено недостаточной изученностью физико-механических свойств прессованного бетона и напряженно-деформированного состояния конструкций на его основе. Последнее не позволяет разработать методики расчета и проектирования конструкций из прессованного бетона.
В типовых конструкциях стержневых железобетонных элементов предварительному напряжению подвергается продольная арматура. Вместе с тем напряжение поперечной арматуры (хомутов) в процессе изготовления колонн и ригелей может существенно повысить эффективность их работы. Активное стеснение поперечных деформаций с помощью предварительно напряженных хомутов оказывает благоприятное влияние на напряженно-деформированное состояние бетона, что приводит к существенному улучшению эксплутационных качеств железобетонных конструкций - несущей способности, жесткости, трещиностойкости.