Железобетон

Железобетон, также называемый железобетоном, представляет собой композитный материал, в котором относительно низкая прочность на растяжение и пластичность бетона компенсируются включением арматуры с более высокой прочностью на растяжение или пластичностью. Армирование обычно, хотя и не обязательно, представляет собой стальные стержни (арматурные стержни) и обычно пассивно внедряется в бетон до того, как бетон затвердеет. Однако пост-напряжение также используется как метод армирования бетона. С точки зрения объема, используемого ежегодно, это один из самых распространенных инженерных материалов. С точки зрения коррозионной инженерии, при правильном проектировании щелочность бетона защищает стальную арматуру от коррозии.

Описание

Схемы армирования обычно разрабатываются для сопротивления растягивающим напряжениям в определенных областях бетона, которые могут вызвать неприемлемое растрескивание и/или разрушение конструкции. Современный армированный бетон может содержать различные армирующие материалы из стали, полимеров или альтернативных композитных материалов в сочетании с арматурой или без нее. Армированный бетон также может быть постоянно напряжен (бетон при сжатии, арматура при растяжении), чтобы улучшить поведение конечной конструкции под рабочими нагрузками. В Соединенных Штатах наиболее распространенные методы этого известны как предварительное натяжение и последующее натяжение.

Для получения прочной, пластичной и долговечной конструкции арматура должна обладать как минимум следующими свойствами:

История

Франсуа Куанье использовал железобетон в качестве метода возведения строительных конструкций. В 1853 году Куанье построил первую конструкцию из железобетона — четырехэтажный дом по адресу 72 rue Charles Michels в пригороде Парижа. Описания Куанье армирования бетона показывают, что он делал это не для придания прочности бетону, а для удержания стен в монолитной конструкции от опрокидывания. Здание Пиппена в Бруклине является свидетельством его метода. В 1854 году английский строитель Уильям Б. Уилкинсон укрепил бетонную крышу и полы в двухэтажном доме, который он строил. Его расположение арматуры показало, что, в отличие от его предшественников, он знал о растягивающих напряжениях.

Жозеф Монье, французский садовник 19 века, был пионером в разработке структурного, сборного и армированного бетона, будучи неудовлетворенным существующими материалами, доступными для изготовления прочных цветочных горшков. Он получил патент на армирование бетонных цветочных горшков путем смешивания проволочной сетки и раствора. В 1877 году Монье получил еще один патент на более продвинутую технику армирования бетонных колонн и балок с использованием железных прутьев, размещенных в виде сетки. Хотя Монье, несомненно, знал, что армирование бетона улучшит его внутреннюю связность, неясно, знал ли он вообще, насколько прочность бетона на разрыв улучшается за счет армирования.

До 1870-х годов использование бетонного строительства, хотя и восходит к Римской империи и было возобновлено в начале 19 века, еще не было проверенной научной технологией. Таддеус Хайятт 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 на безопасность от пожара при изготовлении крыш, полов и пешеходных поверхностей, в котором он сообщил о своих экспериментах по поведению железобетона. Его работа сыграла важную роль в развитии бетонного строительства как проверенной и изученной науки. Без работы Хайятта, возможно, для продвижения в технологии зависели бы более опасные методы проб и ошибок.

Эрнест Л. Рэнсом, инженер английского происхождения, был одним из первых новаторов в области железобетонных технологий в конце 19 века. Используя знания о железобетоне, полученные за предыдущие 50 лет, Рэнсом улучшил почти все стили и методы ранних изобретателей железобетона. Ключевым нововведением Рэнсома было скручивание арматурного стального стержня, тем самым улучшая его сцепление с бетоном. Получая все большую известность благодаря своим бетонным зданиям, Рэнсом смог построить два из первых железобетонных мостов в Северной Америке. Один из его мостов все еще стоит на острове Шелтер в Ист-Энде Нью-Йорка. Одним из первых бетонных зданий, построенных в Соединенных Штатах, был частный дом, спроектированный Уильямом Уордом, завершенный в 1876 году. Дом был специально спроектирован таким образом, чтобы быть огнестойким.

Г. А. Вайсс был немецким инженером-строителем и пионером строительства из железа и стали. В 1879 году Вайсс купил немецкие права на патенты Монье, а в 1884 году его фирма Wayss & Freytag впервые осуществила коммерческое использование железобетона. Вплоть до 1890-х годов Вайсс и его фирма внесли большой вклад в развитие системы армирования Монье, сделав ее хорошо развитой научной технологией.

Одним из первых небоскребов из железобетона было 16-этажное здание Ингаллс в Цинциннати, построенное в 1904 году.

Первым железобетонным зданием в Южной Калифорнии стало здание Laughlin Annex в центре Лос-Анджелеса, построенное в 1905 году. Сообщается, что в 1906 году было выдано 16 разрешений на строительство железобетонных зданий в городе Лос-Анджелес, включая Temple Auditorium и 8-этажный отель Hayward.

В 1906 году частичное обрушение отеля Bixby в Лонг-Бич привело к гибели 10 рабочих во время строительства, когда подпорки были удалены преждевременно. Это событие побудило к проверке методов возведения бетона и инспекциям зданий. Конструкция была построена из железобетонных каркасов с полыми ребристыми глиняными плитками на полу и стенами с пустотелыми глиняными плитками. Такая практика была подвергнута серьезным сомнениям со стороны экспертов, и были даны рекомендации по строительству из «чистого» бетона с использованием железобетона для полов и стен, а также для каркасов.

В апреле 1904 года Джулия Морган, американский архитектор и инженер, которая была пионером эстетического использования железобетона, завершила свою первую конструкцию из железобетона, El Campanil, 72-футовую (22-метровую) колокольню в колледже Миллс, который расположен через залив от Сан-Франциско. Два года спустя El Campanil пережила землетрясение в Сан-Франциско 1906 года без каких-либо повреждений, что помогло ей создать репутацию и начать плодотворную карьеру. Землетрясение 1906 года также изменило первоначальное сопротивление общественности железобетону как строительному материалу, который критиковали за его предполагаемую скучность. В 1908 году Совет попечителей Сан-Франциско изменил строительные нормы города, чтобы разрешить более широкое использование железобетона.

В 1906 году Национальная ассоциация потребителей цемента (NACU) опубликовала Стандарт № 1, а в 1910 году — Стандартные строительные правила по использованию железобетона.

Использование в строительстве

С использованием железобетонных элементов 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.

Проектирование и внедрение наиболее эффективной системы пола является ключом к созданию оптимальных строительных конструкций. Небольшие изменения в конструкции системы пола могут оказать значительное влияние на материальные затраты, график строительства, предельную прочность, эксплуатационные расходы, уровень заполняемости и конечное использование здания.

Без армирования строительство современных конструкций из бетона было бы невозможно.

Железобетонные элементы

При использовании железобетонных элементов в строительстве эти железобетонные элементы демонстрируют основное поведение при воздействии внешних нагрузок. Железобетонные элементы могут подвергаться растяжению, сжатию, изгибу, сдвигу и/или кручению.

Поведение

Материалы

Бетон представляет собой смесь грубых (каменная или кирпичная крошка) и мелких (обычно песок и/или щебень) заполнителей с пастой связующего материала (обычно портландцемента) и воды. Когда цемент смешивается с небольшим количеством воды, он гидратируется, образуя микроскопические непрозрачные кристаллические решетки, инкапсулирующие и фиксирующие заполнитель в жесткой форме. Заполнители, используемые для изготовления бетона, не должны содержать вредных веществ, таких как органические примеси, ил, глина, лигнит и т. д. Типичные бетонные смеси обладают высокой устойчивостью к сжимающим напряжениям (около 4000 фунтов на квадратный дюйм (28 МПа)); однако любое заметное напряжение (например, из-за изгиба) сломает микроскопическую жесткую решетку, что приведет к растрескиванию и разделению бетона. По этой причине типичный неармированный бетон должен хорошо поддерживаться, чтобы предотвратить развитие напряжения.

Если материал с высокой прочностью на растяжение, такой как сталь, поместить в бетон, то композитный материал, железобетон, сопротивляется не только сжатию, но и изгибу и другим прямым растягивающим воздействиям. Композитный участок, где бетон сопротивляется сжатию, а арматура «арматура» сопротивляется растяжению, может быть изготовлен практически любой формы и размера для строительной отрасли.

Основные характеристики

Три физические характеристики придают железобетону особые свойства:

Как правило, только чтобы дать представление о порядках величин, сталь защищена при pH выше ~11, но начинает корродировать ниже ~10 в зависимости от характеристик стали и местных физико-химических условий, когда бетон становится карбонизированным. Карбонизация бетона вместе с проникновением хлоридов являются одними из главных причин выхода из строя арматурных стержней в бетоне.

Относительная площадь поперечного сечения стали, необходимая для типичного железобетона, обычно довольно мала и варьируется от 1% для большинства балок и плит до 6% для некоторых колонн. Арматурные стержни обычно имеют круглое поперечное сечение и различаются по диаметру. Железобетонные конструкции иногда имеют такие приспособления, как вентилируемые пустотелые сердечники для контроля влажности и влажности.

Распределение прочностных характеристик бетона (несмотря на армирование) по сечению вертикальных железобетонных элементов неоднородно.

Механизм совместного действия арматуры и бетона

Арматура в железобетонной конструкции, например, стальной стержень, должна подвергаться той же деформации или напряжению, что и окружающий бетон, чтобы предотвратить разрыв, скольжение или разделение двух материалов под нагрузкой. Поддержание составного действия требует передачи нагрузки между бетоном и сталью. Прямое напряжение передается от бетона к интерфейсу стержня, чтобы изменить растягивающее напряжение в арматурном стержне по его длине. Эта передача нагрузки достигается посредством связи (анкеровки) и идеализируется как непрерывное поле напряжений, которое развивается вблизи интерфейса сталь-бетон.
Причины, по которым два разных материальных компонента бетон и сталь могут работать вместе, следующие:
(1) Арматура может быть хорошо связана с бетоном, поэтому они могут совместно противостоять внешним нагрузкам и деформироваться. (2) Коэффициенты теплового расширения бетона и стали настолько близки
(1,0×10−5 до 1,5×10−5 для бетона и 1,2×10−5 для стали), что повреждение связи между двумя компонентами, вызванное термическим напряжением, может быть предотвращено.
(3) Бетон может защитить встроенную сталь от коррозии и размягчения, вызванного высокой температурой.

Анкеровка (сцепление) в бетоне: Коды спецификаций

Поскольку фактическое напряжение связи меняется по длине стержня, закрепленного в зоне растяжения, текущие международные коды спецификаций используют концепцию длины развития, а не напряжения связи. Основным требованием для обеспечения безопасности от разрушения связи является обеспечение достаточного удлинения длины стержня за пределы точки, где сталь должна развивать свой предел текучести, и эта длина должна быть по крайней мере равна его длине развития. Однако, если фактическая доступная длина недостаточна для полного развития, должны быть предусмотрены специальные крепления, такие как зубцы или крюки или механические концевые пластины. Та же концепция применяется к длине соединения внахлест, упомянутой в кодах, где соединения (перекрытие) предусмотрены между двумя соседними стержнями для поддержания требуемой непрерывности напряжения в зоне соединения.

Антикоррозионные меры

Во влажном и холодном климате железобетон для дорог, мостов, парковочных сооружений и других конструкций, которые могут подвергаться воздействию антигололедной соли, может выиграть от использования коррозионностойкой арматуры, такой как непокрытая, низкоуглеродистая/хромовая (микрокомпозитная), с эпоксидным покрытием. , арматура из горячеоцинкованной или нержавеющей стали. Хорошая конструкция и правильно подобранная бетонная смесь обеспечат дополнительную защиту во многих случаях.

Непокрытая арматура с низким содержанием углерода/хрома похожа на стандартную арматуру из углеродистой стали из-за отсутствия покрытия; ее высокая коррозионная стойкость заложена в микроструктуре стали. Ее можно определить по уникальной маркировке завода ASTM на ее гладкой, темной угольной отделке. Арматуру с эпоксидным покрытием можно легко определить по светло-зеленому цвету ее эпоксидного покрытия. Горячеоцинкованная арматура может быть яркой или тускло-серой в зависимости от продолжительности воздействия, а нержавеющая арматура демонстрирует типичный белый металлический блеск, который легко отличим от арматуры из углеродистой стали. Справочные спецификации стандарта ASTM A1035/A1035M для деформированных и гладких стержней из низкоуглеродистой хромированной стали для армирования бетона, A767 стандарт для горячеоцинкованных арматурных стержней, A775 стандарт для стальных арматурных стержней с эпоксидным покрытием и A955 стандарт для деформированных и гладких стержней из нержавеющей стали для армирования бетона.

Другой, более дешевый способ защиты арматуры — покрытие ее фосфатом цинка. Фосфат цинка медленно реагирует с катионами кальция и гидроксильными анионами, присутствующими в поровой воде цемента, и образует устойчивый слой гидроксиапатита.

Проникающие герметики обычно необходимо наносить через некоторое время после отверждения. Герметики включают краску, пенопласт, пленки и алюминиевую фольгу, войлок или тканевые маты, запечатанные смолой, и слои бентонитовой глины, иногда используемые для герметизации дорожного полотна.

Ингибиторы коррозии, такие как нитрит кальция [Ca(NO₂)₂], также можно добавлять в водную смесь перед заливкой бетона. Обычно 1–2 мас. % [Ca(NO₂)₂] по отношению к массе цемента необходим для предотвращения коррозии арматурных стержней. Нитрит-анион является мягким окислителем, который окисляет растворимые и подвижные ионы двухвалентного железа (Fe2+), присутствующие на поверхности корродирующей стали, и вызывает их осаждение в виде нерастворимого гидроксида железа (Fe(OH)₃). . Это вызывает пассивацию стали в местах анодного окисления. Нитрит является гораздо более активным ингибитором коррозии, чем нитрат, который является менее сильным окислителем двухвалентного железа.

Армирование и терминология балок

Балка изгибается под действием изгибающего момента, что приводит к небольшой кривизне. На внешней поверхности (растягивающей поверхности) кривизны бетон испытывает растягивающее напряжение, а на внутренней поверхности (сжимающей поверхности) он испытывает сжимающее напряжение.

Одинарно армированная балка — это балка, в которой бетонный элемент армирован только вблизи растягиваемой поверхности, а арматура, называемая натяжной сталью, предназначена для сопротивления растяжению.

Двойное армирование балки — это сечение, в котором помимо растягивающей арматуры бетонный элемент также армирован вблизи сжимающей грани, чтобы помочь бетону противостоять сжатию и воспринимать напряжения. Последняя арматура называется компрессионной сталью. Когда зона сжатия бетона недостаточна для сопротивления сжимающему моменту (положительному моменту), необходимо предусмотреть дополнительное армирование, если архитектор ограничивает размеры сечения.

Недоармированная балка — это балка, в которой прочность на растяжение растягиваемой арматуры меньше, чем совокупная прочность на сжатие бетона и сжатой стали (недоармированная на растягиваемой поверхности). Когда элемент из армированного бетона подвергается возрастающему изгибающему моменту, растянутая сталь течет, в то время как бетон не достигает своего предельного состояния разрушения. Поскольку растянутая сталь течет и растягивается, «недоармированный» бетон также течет пластичным образом, демонстрируя большую деформацию и предупреждение перед своим окончательным разрушением. В этом случае предел текучести стали определяет конструкцию.

Переармированная балка — это балка, в которой прочность на растяжение натянутой стали больше, чем совокупная прочность на сжатие бетона и сжатой стали (переармирована на растянутой поверхности). Таким образом, балка из «переармированного бетона» выходит из строя из-за разрушения бетона в зоне сжатия и до того, как сталь в зоне растяжения выйдет из строя, что не дает никаких предупреждений перед разрушением, поскольку разрушение происходит мгновенно.

Сбалансированная армированная балка — это балка, в которой зоны сжатия и растяжения достигают текучести при одинаковой нагрузке на балку, при этом бетон разрушается, а растягиваемая сталь одновременно поддается деформации. Однако этот критерий проектирования столь же рискован, как и чрезмерно армированный бетон, поскольку разрушение происходит внезапно, поскольку бетон разрушается одновременно с текучестью стали, что дает очень мало предупреждений о проблемах при разрушении при растяжении.

Железобетонные элементы, несущие момент, обычно следует проектировать с недостаточной армировкой, чтобы пользователи конструкции получали предупреждение о надвигающемся обрушении.

Характерная прочность — это прочность материала, при которой менее 5% образца проявляет меньшую прочность.

Прочность конструкции или номинальная прочность — это прочность материала, включая коэффициент запаса прочности материала. Значение коэффициента запаса прочности обычно колеблется от 0,75 до 0,85 в расчете допустимого напряжения.

Конечное предельное состояние — это теоретическая точка отказа с определенной вероятностью. Это указано в разделе «учтенные нагрузки» и «учтенные сопротивления».

Железобетонные конструкции обычно проектируются в соответствии с правилами и нормами или рекомендациями кодекса, например ACI-318, CEB, Eurocode 2 или подобного. Методы WSD, USD или LRFD используются при проектировании железобетонных структурных элементов. Анализ и проектирование железобетонных элементов могут выполняться с использованием линейных или нелинейных подходов. При применении коэффициентов безопасности строительные нормы обычно предлагают линейные подходы, но в некоторых случаях нелинейные подходы. Чтобы увидеть примеры нелинейного численного моделирования и расчета, посетите ссылки:

Предварительно напряженный бетон

Предварительно напряженный бетон — это метод, который значительно увеличивает несущую способность бетонных балок. Арматурная сталь в нижней части балки, которая будет подвергаться растягивающим усилиям во время эксплуатации, находится в напряженном состоянии до того, как вокруг нее будет залит бетон. После того, как бетон затвердеет, напряжение на арматурной стали снимается, создавая встроенную сжимающую силу на бетон. При приложении нагрузок арматурная сталь принимает на себя большее напряжение, и сжимающая сила в бетоне уменьшается, но не становится растягивающей силой. Поскольку бетон всегда находится под сжатием, он менее подвержен растрескиванию и разрушению.

Распространенные виды разрушения железобетона

Железобетон может выйти из строя из-за недостаточной прочности, что приводит к механическому разрушению или из-за снижения его долговечности. Коррозия и циклы замораживания/оттаивания могут повредить плохо спроектированный или построенный железобетон. Когда арматура корродирует, продукты окисления (ржавчина) расширяются и имеют тенденцию к шелушению, растрескиванию бетона и отрыву арматуры от бетона. Типичные механизмы, приводящие к проблемам долговечности, обсуждаются ниже.

Механическая поломка

Растрескивание бетонного сечения практически невозможно предотвратить; однако размер и местоположение трещин можно ограничить и контролировать с помощью соответствующей арматуры, контрольных швов, методологии отверждения и расчета бетонной смеси. Растрескивание может позволить влаге проникнуть в арматуру и вызвать ее коррозию. Это является отказом эксплуатационной пригодности в расчете предельного состояния. Растрескивание обычно является результатом недостаточного количества арматуры или арматуры, расположенной на слишком большом расстоянии. Бетон трескается либо под избыточной нагрузкой, либо из-за внутренних эффектов, таких как ранняя термическая усадка во время отверждения.

Окончательное разрушение, приводящее к обрушению, может быть вызвано разрушением бетона, которое происходит, когда сжимающие напряжения превышают его прочность, текучестью или разрушением арматуры, когда изгибающие или сдвигающие напряжения превышают прочность арматуры, или нарушением сцепления между бетоном и арматурой.

Карбонизация

Карбонизация, или нейтрализация, представляет собой химическую реакцию между углекислым газом в воздухе и гидроксидом кальция и гидратированным силикатом кальция в бетоне.

При проектировании бетонной конструкции обычно указывается защитный слой бетона для арматуры (глубина арматуры внутри объекта). Минимальный защитный слой бетона обычно регулируется проектными или строительными нормами. Если арматура расположена слишком близко к поверхности, может произойти раннее разрушение из-за коррозии. Глубину защитного слоя бетона можно измерить с помощью измерителя защитного слоя. Однако карбонизированный бетон сталкивается с проблемой долговечности только тогда, когда также имеется достаточно влаги и кислорода, чтобы вызвать электропотенциальную коррозию арматурной стали.

Один из методов проверки структуры на карбонизацию — просверлить свежее отверстие в поверхности, а затем обработать поверхность среза индикаторным раствором фенолфталеина. Этот раствор при контакте с щелочным бетоном становится розовым, что позволяет увидеть глубину карбонизации. Использование существующего отверстия недостаточно, поскольку открытая поверхность уже будет карбонизирована.

Хлориды

Хлориды могут способствовать коррозии закладной арматуры, если они присутствуют в достаточно высокой концентрации. Хлорид-анионы вызывают как локальную коррозию (питтинговую коррозию), так и генерализованную коррозию стальной арматуры. По этой причине для замешивания бетона следует использовать только свежую сырую или питьевую воду, следить за тем, чтобы крупные и мелкие заполнители не содержали хлоридов, а не примесей, которые могут содержать хлориды.

Когда-то было обычным делом использовать хлорид кальция в качестве добавки для ускорения схватывания бетона. Также ошибочно считалось, что он предотвращает замерзание. Однако эта практика впала в немилость, как только стало известно о пагубном воздействии хлоридов. Ее следует избегать, когда это возможно.

Использование солей для размораживания на дорогах, используемых для понижения точки замерзания воды, вероятно, является одной из основных причин преждевременного выхода из строя армированных или предварительно напряженных бетонных мостовых настилов, дорог и парковок. Использование арматурных стержней с эпоксидным покрытием и применение катодной защиты в некоторой степени смягчило эту проблему. Также известно, что арматура из FRP (армированного полимера) менее восприимчива к хлоридам. Правильно разработанные бетонные смеси, которым дали возможность должным образом затвердеть, фактически невосприимчивы к воздействию размораживателей.

Еще одним важным источником хлорид-ионов является морская вода. Морская вода содержит примерно 3,5% солей по массе. Эти соли включают хлорид натрия, сульфат магния, сульфат кальция и бикарбонаты. В воде эти соли диссоциируют на свободные ионы (Na+, Mg2+, Cl−, SO2−
₄, HCO−
< sub style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">3) и мигрируют с водой в капилляры бетон. Ионы хлорида, составляющие около 50% этих ионов, являются особенно агрессивными и вызывают коррозию арматурных стержней из углеродистой стали.

В 1960-х и 1970-х годах магнезит, богатый хлоридами карбонатный минерал, также был относительно распространен в качестве материала для покрытия пола. Это делалось в основном как выравнивающий и звукопоглощающий слой. Однако теперь известно, что когда эти материалы вступают в контакт с влагой, они производят слабый раствор соляной кислоты из-за присутствия хлоридов в магнезите. С течением времени (обычно десятилетия) раствор вызывает коррозию встроенной арматуры. Чаще всего это встречалось во влажных зонах или зонах, неоднократно подвергавшихся воздействию влаги.

Щелочная реакция кремнезема

Это реакция аморфного кремнезема (халцедон, кремнистый кремень, кремнистый известняк), иногда присутствующего в заполнителях, с гидроксильными ионами (OH−) из раствора пор цемента. Плохо кристаллизованный кремнезем (SiO₂) растворяется и диссоциирует при высоком pH (12,5 — 13,5) в щелочной воде. Растворимая диссоциированная кремниевая кислота реагирует в поровой воде с гидроксидом кальция (портландитом), присутствующим в цементном тесте, образуя расширяющийся гидрат силиката кальция (CSH). Реакция щелочи с кремнеземом (ASR) вызывает локальное набухание, ответственное за растягивающее напряжение и растрескивание. Условия, необходимые для реакции щелочного кремнезема, являются тройными:
(1) заполнитель, содержащий щелоче-реактивный компонент (аморфный кремнезем), (2) достаточная доступность гидроксильных ионов (OH−) и (3) достаточная влажность, более 75% относительной влажности (RH) внутри бетона. Это явление иногда в народе называют «раком бетона». Эта реакция происходит независимо от наличия арматуры; могут быть затронуты массивные бетонные конструкции, такие как плотины.

Конверсия высокоглиноземистого цемента

Этот цемент, устойчивый к слабым кислотам и особенно сульфатам, быстро затвердевает и обладает очень высокой долговечностью и прочностью. Он часто использовался после Второй мировой войны для изготовления сборных бетонных объектов. Однако он может терять прочность под воздействием тепла или времени (преобразование), особенно если он не был должным образом затвердевшим. После обрушения трех крыш, сделанных из предварительно напряженных бетонных балок с использованием высокоглиноземистого цемента, этот цемент был запрещен в Великобритании в 1976 году. Последующие расследования этого вопроса показали, что балки были изготовлены неправильно, но запрет остался.

Сульфаты

Сульфаты (SO₄) в почве или грунтовых водах в достаточной концентрации могут реагировать с портландцементом в бетоне, вызывая образование расширяющихся продуктов, например, эттрингита или таумасита, что может привести к раннему разрушению конструкции. Наиболее типичная атака этого типа происходит на бетонные плиты и фундаментные стены на уровнях, где сульфат-ион посредством попеременного смачивания и высыхания может увеличиваться в концентрации. По мере увеличения концентрации может начаться атака на портландцемент. Для заглубленных конструкций, таких как трубы, этот тип атаки встречается гораздо реже, особенно в восточной части Соединенных Штатов. Концентрация сульфат-иона увеличивается гораздо медленнее в почвенной массе и особенно зависит от начального количества сульфатов в естественной почве. Химический анализ почвенных скважин для проверки наличия сульфатов должен проводиться на этапе проектирования любого проекта, включающего бетон, контактирующий с естественной почвой. Если концентрации оказываются агрессивными, можно наносить различные защитные покрытия. Также в США в смеси может использоваться портландцемент ASTM C150 Type 5. Этот тип цемента разработан так, чтобы быть особенно устойчивым к сульфатной атаке.

Конструкция из стальной пластины

В конструкции из стальных пластин стрингеры соединяют параллельные стальные пластины. Сборки пластин изготавливаются за пределами площадки и свариваются на месте, образуя стальные стены, соединенные стрингерами. Стены становятся формой, в которую заливается бетон. Конструкция из стальных пластин ускоряет строительство железобетона, сокращая трудоемкие ручные этапы связывания арматуры и строительных опалубок на месте. Этот метод обеспечивает превосходную прочность, поскольку сталь находится снаружи, где растягивающие усилия часто самые большие.

Фибробетон

Фиброармирование в основном используется в торкрет-бетоне, но может также использоваться в обычном бетоне. Фиброармированный обычный бетон в основном используется для наземных полов и тротуаров, но также может рассматриваться для широкого спектра строительных деталей (балки, столбы, фундаменты и т. д.), как отдельно, так и с арматурой, связанной вручную.

Бетон, армированный волокнами (обычно стальными, стеклянными, пластиковыми волокнами) или целлюлозными полимерными волокнами, обходится дешевле, чем арматура, связанная вручную. Форма, размер и длина волокна имеют значение. Тонкое и короткое волокно, например, короткое, похожее на волос стекловолокно, эффективно только в первые часы после заливки бетона (его функция — уменьшить трещинообразование, пока бетон застывает), но оно не увеличит прочность бетона на растяжение. Фибра обычного размера для европейского торкрет-бетона (диаметр 1 мм, длина 45 мм — сталь или пластик) увеличит прочность бетона на растяжение. Армирование волокнами чаще всего используется для дополнения или частичной замены первичной арматуры, а в некоторых случаях оно может быть спроектировано для полной замены арматуры.

Сталь — самое прочное из доступных волокон, и поставляется в разной длине (от 30 до 80 мм в Европе) и форме (концевые крючки). Стальные волокна можно использовать только на поверхностях, которые могут выдерживать или избегать коррозии и пятен ржавчины. В некоторых случаях поверхность из стального волокна облицовывается другими материалами.

Стекловолокно недорогое и устойчивое к коррозии, но не такое пластичное, как сталь. Недавно базальтовое волокно, давно доступное в Восточной Европе, стало доступно в США и Западной Европе. Базальтовое волокно прочнее и дешевле стекла, но исторически не выдерживало щелочной среды портландцемента достаточно хорошо, чтобы его можно было использовать в качестве прямого армирования. В новых материалах для изоляции базальтового волокна от цемента используются пластиковые связующие.

Премиальные волокна — это армированные графитом пластиковые волокна, которые почти такие же прочные, как сталь, легче по весу и устойчивы к коррозии. Некоторые эксперименты с углеродными нанотрубками дали многообещающие первые результаты, но этот материал все еще слишком дорог для любого здания.

Нестальная арматура

Существует значительное совпадение между темами неметаллической арматуры и армирования бетона волокнами. Внедрение неметаллической арматуры бетона произошло относительно недавно; она принимает две основные формы: неметаллические арматурные стержни и неметаллические (обычно также неметаллические) волокна, включенные в цементную матрицу. Например, растет интерес к бетону, армированному стекловолокном (GFRC), и к различным применениям полимерных волокон, включенных в бетон. Хотя в настоящее время нет особых предположений, что такие материалы заменят металлическую арматуру, некоторые из них имеют большие преимущества в определенных применениях, и есть также новые применения, в которых металлическая арматура просто не является вариантом. Однако проектирование и применение неметаллической арматуры сопряжено с трудностями. Во-первых, бетон является сильнощелочной средой, в которой многие материалы, включая большинство видов стекла, имеют низкий срок службы. Кроме того, поведение таких армирующих материалов отличается от поведения металлов, например, с точки зрения прочности на сдвиг, ползучести и эластичности.

Пластик/полимер, армированный волокном (FRP), и пластик, армированный стеклом (GRP), состоят из волокон полимера, стекла, углерода, арамида или других полимеров или высокопрочных волокон, установленных в матрице смолы для формирования арматурного стержня, сетки или волокна. Эти арматурные стержни устанавливаются примерно так же, как и стальные арматурные стержни. Стоимость выше, но при соответствующем применении конструкции имеют преимущества, в частности, резкое снижение проблем, связанных с коррозией, либо из-за внутренней щелочности бетона, либо из-за внешних едких жидкостей, которые могут проникать в бетон. Эти конструкции могут быть значительно легче и обычно имеют более длительный срок службы. Стоимость этих материалов резко снизилась с момента их широкого внедрения в аэрокосмической промышленности и в военных целях.

В частности, стержни FRP полезны для конструкций, где присутствие стали неприемлемо. Например, аппараты МРТ имеют огромные магниты и, соответственно, требуют немагнитных зданий. Опять же, для пунктов взимания платы, которые считывают радиометки, нужен армированный бетон, прозрачный для радиоволн. Кроме того, когда проектный срок службы бетонной конструкции важнее ее первоначальных затрат, не стальная арматура часто имеет свои преимущества, когда коррозия арматурной стали является основной причиной отказа. В таких ситуациях коррозионно-стойкая арматура может существенно продлить срок службы конструкции, например, в приливной зоне. Стержни FRP также могут быть полезны в ситуациях, когда существует вероятность того, что бетонная конструкция может быть подвергнута риску в будущем, например, края балконов при замене балюстрад и полы в ванных комнатах в многоэтажном строительстве, где срок службы конструкции пола, вероятно, во много раз превышает срок службы гидроизоляционной строительной мембраны.

Пластиковая арматура часто прочнее или, по крайней мере, имеет лучшее соотношение прочности и веса, чем арматурная сталь. Кроме того, поскольку он устойчив к коррозии, ему не требуется защитное бетонное покрытие такой толщины, как стальная арматура (обычно от 30 до 50 мм или более). Таким образом, конструкции, армированные стеклопластиком, могут быть легче и служить дольше. Соответственно, для некоторых применений стоимость всего срока службы будет конкурентоспособной по цене со стальным железобетоном.

Свойства материала стержней из стеклопластика или стеклопластика заметно отличаются от стали, поэтому существуют различия в конструктивных соображениях. Стержни из стеклопластика или стеклопластика имеют относительно более высокую прочность на разрыв, но меньшую жесткость, поэтому прогибы, вероятно, будут выше, чем у эквивалентных элементов, армированных сталью. Конструкции с внутренним армированием стеклопластиком обычно обладают упругой деформируемостью, сравнимой с пластической деформируемостью (пластичностью) конструкций, армированных сталью. В любом случае разрушение, скорее всего, произойдет из-за сжатия бетона, чем из-за разрыва арматуры. Прогиб всегда является важным фактором при проектировании железобетона. Пределы прогиба установлены для обеспечения контроля ширины трещин в железобетоне, чтобы предотвратить попадание воды, воздуха или других агрессивных веществ в сталь и возникновение коррозии. Для бетона, армированного стеклопластиком, эстетика и, возможно, водонепроницаемость будут ограничивающими критериями контроля ширины трещин. Стержни из стеклопластика также имеют относительно меньшую прочность на сжатие, чем стальная арматура, и, соответственно, требуют других подходов к проектированию железобетонных колонн.

Одним из недостатков использования армирования FRP является его ограниченная огнестойкость. Когда пожарная безопасность является фактором, конструкции, использующие FRP, должны сохранять свою прочность и фиксацию сил при температурах, которые можно ожидать в случае пожара. Для целей огнезащиты необходима достаточная толщина цементобетонного покрытия или защитной облицовки. Было показано, что добавление 1 кг/м3 полипропиленовых волокон в бетон снижает растрескивание во время имитированного пожара. (Считается, что улучшение связано с образованием путей из основной массы бетона, позволяющих рассеивать давление пара.)

Другая проблема заключается в эффективности армирования сдвига. Скобы из FRP-арматуры, сформированные путем изгиба до затвердевания, обычно работают относительно плохо по сравнению со стальными хомутами или конструкциями с прямыми волокнами. При деформации зона между прямыми и изогнутыми областями подвергается сильным изгибающим, сдвиговым и продольным напряжениям. Для решения таких проблем необходимы специальные методы проектирования.

Растет интерес к применению внешнего армирования существующих конструкций с использованием современных материалов, таких как композитная (стекловолоконная, базальтовая, углеродная) арматура, которая может придать исключительную прочность. Во всем мире существует ряд марок композитной арматуры, признанных в разных странах, таких как Aslan, DACOT, V-rod и ComBar. Количество проектов с использованием композитной арматуры растет с каждым днем ​​по всему миру, в странах от США, России и Южной Кореи до Германии.