Wzmocniony beton - Reinforced concrete

Wzmocniony beton
Talbruecke-Bruenn 2005-08-04.jpg
Ciężka kolumna z betonu zbrojonego, widoczna przed i po wylaniu betonu wokół klatki zbrojeniowej
Rodzaj Materiał kompozytowy
Właściwości mechaniczne
Wytrzymałość na rozciąganiet ) Silniejszy niż beton

Beton zbrojony ( RC ), zwany również betonem zbrojonym cementem ( RCC ), jest materiałem kompozytowym, w którym stosunkowo niska wytrzymałość na rozciąganie i ciągliwość betonu jest kompensowana przez włączenie zbrojenia o wyższej wytrzymałości na rozciąganie lub plastyczność. Zbrojenie jest zwykle, choć niekoniecznie, prętami stalowymi ( pręt zbrojeniowy ) i zwykle jest pasywnie osadzane w betonie przed związaniem betonu. Na całym świecie pod względem objętości jest to absolutnie kluczowy materiał inżynieryjny.

Opis

Schematy zbrojenia są na ogół zaprojektowane tak, aby wytrzymać naprężenia rozciągające w określonych obszarach betonu, które mogą powodować niedopuszczalne pękanie i/lub uszkodzenie konstrukcji. Nowoczesny żelbet może zawierać różne materiały wzmacniające wykonane ze stali, polimerów lub alternatywnego materiału kompozytowego w połączeniu z prętami zbrojeniowymi lub nie. Beton zbrojony może być również trwale obciążony (beton ściskany, zbrojenie rozciągane), aby poprawić zachowanie konstrukcji końcowej pod obciążeniami roboczymi. W Stanach Zjednoczonych najczęstszymi metodami tego są pre-tensioning i post-tensioning .

Aby konstrukcja była mocna, plastyczna i trwała, zbrojenie musi mieć co najmniej następujące właściwości:

  • Wysoka wytrzymałość względna
  • Wysoka tolerancja na rozciąganie
  • Dobra przyczepność do betonu, niezależnie od pH, wilgoci i podobnych czynników
  • Kompatybilność termiczna, nie powodująca niedopuszczalnych naprężeń (takich jak rozszerzanie lub kurczenie) w odpowiedzi na zmieniające się temperatury.
  • Trwałość w środowisku betonu, niezależnie od np. korozji lub długotrwałego naprężenia.

Historia

Nowatorski kształt pawilonu Philipsa wybudowanego w Brukseli na Expo 58 uzyskano dzięki zastosowaniu żelbetu

François Coignet jako pierwszy zastosował żelbet jako technikę konstruowania konstrukcji budowlanych. W 1853 roku Coignet zbudował pierwszą żelbetową konstrukcję, czteropiętrowy dom przy rue Charles Michels 72 na przedmieściach Paryża. Z opisów zbrojenia betonu Coigneta wynika, że ​​nie robił tego w celu zwiększenia wytrzymałości betonu, ale w celu zabezpieczenia ścian w konstrukcji monolitycznej przed przewróceniem. W 1854 r. angielski budowniczy William B. Wilkinson wzmocnił betonowy dach i podłogi w budowanym przez siebie dwupiętrowym domu. Jego umiejscowienie zbrojenia pokazało, że w przeciwieństwie do swoich poprzedników posiadał wiedzę na temat naprężeń rozciągających.

Joseph Monier , dziewiętnastowieczny francuski ogrodnik, był pionierem w rozwoju betonu konstrukcyjnego, prefabrykowanego i żelbetowego, niezadowolony z istniejących materiałów do produkcji trwałych doniczek. Uzyskał patent na wzmacnianie betonowych doniczek przez zmieszanie siatki drucianej i muszli z zaprawy. W 1877 roku Monier otrzymał kolejny patent na bardziej zaawansowaną technikę wzmacniania betonowych słupów i dźwigarów za pomocą żelaznych prętów ułożonych w siatkę. Chociaż Monier niewątpliwie wiedział, że zbrojenie betonu poprawi jego wewnętrzną spójność, nie jest jasne, czy wiedział w ogóle, jak bardzo wzmocniono wytrzymałość betonu na rozciąganie .

Przed rokiem 1870 zastosowanie konstrukcji betonowych, choć sięga czasów Cesarstwa Rzymskiego i przywrócono je na początku XIX wieku, nie było jeszcze sprawdzoną technologią naukową. Thaddeus Hyatt opublikował raport zatytułowany „Konto niektórych eksperymentów z betonem portlandzkim i cementowym w połączeniu z żelazem jako materiałem budowlanym, z odniesieniem do ekonomii metalu w budownictwie i zabezpieczenia przed ogniem przy wykonywaniu dachów, podłóg i powierzchni chodzenia , w którym zrelacjonował swoje eksperymenty dotyczące zachowania żelbetu. Jego praca odegrała ważną rolę w ewolucji konstrukcji betonowych jako sprawdzonej i przestudiowanej nauki. Bez pracy Hyatta bardziej niebezpieczne metody prób i błędów mogłyby być uzależnione od postępu technologicznego.

Ernest L. Ransome , inżynier urodzony w Anglii, był wczesnym innowatorem technik żelbetowych pod koniec XIX wieku. Wykorzystując wiedzę na temat żelbetu rozwiniętą w ciągu ostatnich 50 lat, Ransome ulepszył prawie wszystkie style i techniki wcześniejszych wynalazców żelbetu. Kluczową innowacją Ransome było skręcenie stalowego pręta zbrojeniowego, poprawiając w ten sposób jego wiązanie z betonem. Zyskując coraz większą sławę dzięki swoim betonowym budynkom, Ransome był w stanie zbudować dwa z pierwszych żelbetowych mostów w Ameryce Północnej. Jednym z pierwszych betonowych budynków zbudowanych w Stanach Zjednoczonych był prywatny dom zaprojektowany przez Williama Warda , ukończony w 1876 roku. Dom został specjalnie zaprojektowany jako ognioodporny.

GA Wayss był niemieckim inżynierem budownictwa i pionierem konstrukcji żelbetowych i stalowych. W 1879 r. Wayss wykupił niemieckie prawa do patentów Moniera , aw 1884 r. jego firma Wayss & Freytag po raz pierwszy zastosowała w handlu żelbet. Aż do lat 90. XIX wieku Wayss i jego firma znacznie przyczynili się do rozwoju systemu wzmacniania Moniera, uznając go za dobrze rozwiniętą technologię naukową.

Jednym z pierwszych drapaczy chmur wykonanych z betonu zbrojonego był 16-piętrowy Ingalls Building w Cincinnati, zbudowany w 1904 roku.

Pierwszym żelbetowym budynkiem w południowej Kalifornii był budynek Laughlin Annex w centrum Los Angeles , zbudowany w 1905 roku. W 1906 wydano podobno 16 pozwoleń na budowę żelbetowych budynków w mieście Los Angeles, w tym Temple Auditorium i 8-piętrowego Hayward Hotel.

W 1906 r. częściowe zawalenie się hotelu Bixby w Long Beach zabiło 10 robotników podczas budowy, gdy przedwcześnie usunięto szalunki. To wydarzenie spowodowało kontrolę praktyk betonowych i inspekcje budowlane. Konstrukcja została zbudowana z ram żelbetowych z posadzką z pustych glinianych płytek i ścian wypełniających z pustych glinianych płytek. Praktyka ta została mocno zakwestionowana przez ekspertów i stworzono zalecenia dotyczące konstrukcji „czystego” betonu, z zastosowaniem żelbetu do podłóg i ścian oraz ram.

W kwietniu 1904 roku Julia Morgan , amerykańska architekt i inżynier, która była pionierem estetycznego wykorzystania żelbetu, ukończyła swoją pierwszą żelbetową konstrukcję, El Campanil, 72-metrową dzwonnicę w Mills College , która znajduje się po drugiej stronie zatoka z San Francisco . Dwa lata później El Campanil przetrwała trzęsienie ziemi w San Francisco w 1906 roku bez żadnych szkód, co pomogło jej zbudować reputację i rozpocząć owocną karierę. Trzęsienie ziemi z 1906 r. zmieniło również początkową odporność społeczeństwa na żelbet jako materiał budowlany, który był krytykowany za postrzeganą matowość. W 1908 roku Rada Nadzorcza San Francisco zmieniła miejskie przepisy budowlane, aby umożliwić szersze zastosowanie żelbetu.

W 1906 r. Krajowe Stowarzyszenie Użytkowników Cementu (NACU) opublikowało Normę nr 1, a w 1910 r. Standardowe przepisy budowlane dotyczące stosowania betonu zbrojonego .

Zastosowanie w budownictwie

Pręty zbrojeniowe dachu Sagrada Família w budowie (2009)

Z betonu zbrojonego można zbudować wiele różnych typów konstrukcji i elementów konstrukcji, w tym płyty , ściany , belki , słupy , fundamenty , ramy i inne.

Beton zbrojony można sklasyfikować jako beton prefabrykowany lub wylewany na miejscu .

Zaprojektowanie i wdrożenie najbardziej wydajnego systemu podłogowego jest kluczem do stworzenia optymalnych konstrukcji budowlanych. Niewielkie zmiany w projekcie systemu podłogowego mogą mieć znaczący wpływ na koszty materiałów, harmonogram budowy, wytrzymałość ostateczną, koszty operacyjne, poziom zajętości i końcowe użytkowanie budynku.

Bez zbrojenia budowa nowoczesnych konstrukcji z materiału betonowego nie byłaby możliwa.

Zachowanie żelbetu

Materiały

Beton jest mieszanką gruboziarnistych (wióry kamienne lub ceglane) i drobnych (zazwyczaj piasku lub tłucznia kamiennego) z pastą spoiwa (zwykle cementu portlandzkiego ) i wody. Kiedy cement jest mieszany z niewielką ilością wody, uwadnia się, tworząc mikroskopijne, nieprzezroczyste sieci krystaliczne, zamykające i blokujące kruszywo w sztywną strukturę. Kruszywa używane do produkcji betonu powinny być wolne od szkodliwych substancji, takich jak zanieczyszczenia organiczne, muł, glina, węgiel brunatny itp. Typowe mieszanki betonowe mają wysoką odporność na naprężenia ściskające (około 4000 psi (28 MPa)); jednakże każde znaczne naprężenie ( np. z powodu zginania ) rozerwie mikroskopijną sztywną siatkę, powodując pękanie i oddzielanie się betonu. Z tego powodu typowy niezbrojony beton musi być dobrze podparty, aby zapobiec rozwojowi naprężeń.

Jeżeli materiał o dużej wytrzymałości na rozciąganie, taki jak stal , zostanie umieszczony w betonie, to materiał kompozytowy, żelbet, wytrzymuje nie tylko ściskanie, ale także zginanie i inne bezpośrednie działania rozciągające. Segment kompozytowy, w którym beton jest odporny na ściskanie, a zbrojenie „ pręt zbrojeniowy ” jest odporny na rozciąganie, może mieć prawie dowolny kształt i rozmiar dla przemysłu budowlanego.

Cechy charakterystyczne

Trzy cechy fizyczne nadają żelbetowi jego szczególne właściwości:

  1. Współczynnik rozszerzalności cieplnej w betonie podobnie do stali, eliminując duże wewnętrzne naprężenia w wyniku różnic termicznego rozszerzania i kurczenia się.
  2. Gdy zaczyn cementowy w betonie twardnieje, dopasowuje się to do szczegółów powierzchni stali, umożliwiając skuteczne przenoszenie naprężeń między różnymi materiałami. Zazwyczaj pręty stalowe są chropowate lub faliste, aby jeszcze bardziej poprawić wiązanie lub spójność między betonem a stalą.
  3. Alkaliczne środowisko chemiczne przedstawione przez alkalicznego rezerwowej (KOH, NaOH) i portlandite ( wodorotlenek wapnia ) zawarty w cementowego powoduje pasywującego folii do wytworzenia na powierzchni stali, co znacznie bardziej odporny na korozję niż miałoby być w warunkach obojętnych lub kwaśnych. Gdy zaczyn cementowy jest wystawiony na działanie powietrza, a woda meteorytowa reaguje z atmosferycznym CO 2 , portlandyt i hydrat krzemianu wapnia (CSH) utwardzonej zaczynu cementowego ulegają stopniowemu nawęglaniu, a wysokie pH stopniowo spada z 13,5-12,5 do 8,5, pH wody w równowadze z kalcytem ( węglanem wapnia ) i stal nie jest już pasywowana.

Zasadniczo stal jest chroniona przy pH powyżej ~11, ale zaczyna korodować poniżej ~10, w zależności od właściwości stali i lokalnych warunków fizykochemicznych, gdy beton ulega karbonizacji. Karbonatyzacja betonu wraz z wnikaniem chlorków to jedna z głównych przyczyn uszkodzenia prętów zbrojeniowych w betonie.

Względna powierzchnia przekroju poprzecznego stali wymagana dla typowego betonu zbrojonego jest zwykle dość mała i waha się od 1% dla większości belek i płyt do 6% dla niektórych słupów. Pręty zbrojeniowe mają zwykle okrągły przekrój i różnią się średnicą. Konstrukcje z betonu zbrojonego czasami mają zabezpieczenia, takie jak wentylowane puste rdzenie, aby kontrolować ich wilgotność i wilgotność.

Rozkład charakterystyk wytrzymałościowych betonu (pomimo zbrojenia) wzdłuż przekroju pionowych elementów żelbetowych jest niejednorodny.

Mechanizm kompozytowego działania zbrojenia i betonu

Zbrojenie w konstrukcji żelbetowej, takiej jak pręt stalowy, musi podlegać takim samym odkształceniom lub odkształceniom jak otaczający beton, aby zapobiec nieciągłości, poślizgowi lub rozdzieleniu dwóch materiałów pod obciążeniem. Utrzymanie działania kompozytowego wymaga przeniesienia obciążenia pomiędzy betonem a stalą. Naprężenie bezpośrednie jest przenoszone z betonu na powierzchnię styku pręta, aby zmienić naprężenie rozciągające w pręcie zbrojeniowym na całej jego długości. To przeniesienie obciążenia jest osiągane za pomocą wiązania (zakotwienia) i jest idealizowane jako ciągłe pole naprężeń, które rozwija się w pobliżu powierzchni styku stal-beton. Powody, dla których dwa różne elementy materiałowe, beton i stal, mogą ze sobą współpracować, są następujące: (1) Zbrojenie może być dobrze związane z betonem, dzięki czemu mogą wspólnie wytrzymać obciążenia zewnętrzne i odkształcić się. (2) Współczynniki rozszerzalności cieplnej betonu i stali są tak bliskie (1,0 × 10-5 ~ 1,5 × 10-5 dla betonu i 1,2 × 10-5 dla stali), że naprężenie termiczne powoduje uszkodzenie połączenia między nimi składnikom można zapobiec. (3) Beton może chronić osadzoną stal przed korozją i zmiękczeniem wywołanym wysoką temperaturą.

Kotwienie (spoiwo) w betonie: Kody specyfikacji

Ponieważ rzeczywiste naprężenie wiązania zmienia się wzdłuż długości pręta zakotwionego w strefie naprężenia, obecne międzynarodowe normy specyfikacji wykorzystują raczej pojęcie długości rozwoju niż naprężenia wiązania. Głównym wymogiem zabezpieczenia przed zniszczeniem wiązania jest zapewnienie wystarczającego wydłużenia długości pręta poza punkt, w którym stal musi rozwinąć swoją granicę plastyczności, a długość ta musi być co najmniej równa jej długości rozwinięcia. Jeśli jednak rzeczywista dostępna długość jest niewystarczająca do pełnego rozwoju, należy zapewnić specjalne zakotwienia, takie jak zęby, haki lub mechaniczne płyty końcowe. Ta sama koncepcja dotyczy długości połączeń na zakład, o których mowa w normach, w których połączenia (nakładanie się) wykonywane są pomiędzy dwoma sąsiednimi prętami w celu zachowania wymaganej ciągłości naprężeń w strefie połączenia.

Środki antykorozyjne

W mokrym i zimnym klimacie, żelbet na drogi, mosty, konstrukcje parkingowe i inne konstrukcje, które mogą być narażone na działanie soli odladzającej, mogą skorzystać z zastosowania zbrojenia odpornego na korozję, takiego jak niepowlekane, niskowęglowe/chromowe (mikrokompozyty), powlekane żywicą epoksydową , zbrojenie ocynkowane ogniowo lub ze stali nierdzewnej . Dobry projekt i dobrze dobrana mieszanka betonowa zapewni dodatkową ochronę w wielu zastosowaniach. Niepowlekany pręt zbrojeniowy o niskiej zawartości węgla / chromu wygląda podobnie do standardowego pręta zbrojeniowego ze stali węglowej ze względu na brak powłoki; jego wysoka odporność na korozję jest nieodłącznym elementem mikrostruktury stali. Można go rozpoznać po unikalnym oznaczeniu młyna określonym przez ASTM na gładkim, ciemnym wykończeniu z węgla drzewnego. Pręt zbrojeniowy pokryty żywicą epoksydową można łatwo rozpoznać po jasnozielonym kolorze powłoki epoksydowej. Pręt zbrojeniowy ocynkowany ogniowo może być jasny lub matowo szary w zależności od długości ekspozycji, a pręty zbrojeniowe ze stali nierdzewnej mają typowy biały metaliczny połysk, który można łatwo odróżnić od prętów zbrojeniowych ze stali węglowej. Odniesienie do specyfikacji norm ASTM A1035/A1035M Standardowa specyfikacja dla odkształconych i zwykłych niskowęglowych , chromowych , stalowych prętów do zbrojenia betonu, Standardowa specyfikacja A767 dla ocynkowanych ogniowo prętów zbrojeniowych, Standardowa specyfikacja A775 dla stalowych powlekanych żywicą epoksydową prętów zbrojeniowych oraz Standardowa specyfikacja A955 dla odkształconych i zwykłe pręty nierdzewne do zbrojenia betonu.

Innym, tańszym sposobem zabezpieczenia prętów zbrojeniowych jest powlekanie ich fosforanem cynku . Fosforan cynku reaguje powoli z kationami wapnia i anionami hydroksylowymi obecnymi w wodzie porowej cementu i tworzy stabilną warstwę hydroksyapatytu .

Uszczelniacze penetrujące zazwyczaj muszą być nakładane jakiś czas po utwardzeniu. Uszczelniacze obejmują farby, pianki z tworzyw sztucznych, folie i folię aluminiową , filce lub maty tekstylne uszczelnione smołą oraz warstwy gliny bentonitowej , czasami używanej do uszczelniania podtorza.

Inhibitory korozji , takie jak azotyn wapnia [Ca(NO 2 ) 2 ], można również dodać do mieszanki wodnej przed wylaniem betonu. Generalnie 1-2% wag. % [Ca(NO 2 ) 2 ] w odniesieniu do masy cementu jest konieczne, aby zapobiec korozji prętów zbrojeniowych. Anion azotynowy jest łagodnym utleniaczem, który utlenia rozpuszczalne i ruchliwe jony żelazawe (Fe 2+ ) obecne na powierzchni korodującej stali i powoduje ich wytrącanie się jako nierozpuszczalny wodorotlenek żelazowy (Fe(OH) 3 ). Powoduje to pasywację stali w miejscach anodowego utleniania. Azotyny są znacznie bardziej aktywnym inhibitorem korozji niż azotan , który jest słabszym utleniaczem dwuwartościowego żelaza.

Zbrojenie i terminologia belek

Dwie przecinające się belki zintegrowane z płytą garażu parkingowego, które będą zawierać zarówno stal zbrojeniową, jak i okablowanie, skrzynki połączeniowe i inne elementy elektryczne niezbędne do zainstalowania oświetlenia górnego na poziomie garażu poniżej.
Krótkie nagranie ostatniej belki umieszczonej na podniesionej drodze, będącej częścią nowej drogi w pobliżu Cardiff Bay w Walii

Belka ugina się pod wpływem momentu zginającego , co powoduje małą krzywiznę. Na zewnętrznej stronie (ścianie rozciąganej) krzywizny beton doświadcza naprężenia rozciągającego, natomiast na wewnętrznej stronie (ściana ściskającego) doświadcza naprężenia ściskającego.

Pojedynczo wzmocnione wiązki jest taki, w którym element betonowy jest wzmacniane tylko w pobliżu powierzchni rozciąganie i zbrojenia, zwane napięcie nierdzewnej, jest wytrzymały na naprężenia.

Podwójnie wzmocnione wiązki jest odcinek, w którym, oprócz wzmocnienia rozciąganie element betonowy jest także wzmocniona w pobliżu ściskanie powierzchni w celu beton oprzeć się kompresji i naprężenia. To ostatnie zbrojenie nazywa się stalą ściskaną. Gdy strefa ściskania betonu jest niewystarczająca, aby wytrzymać moment ściskający (moment dodatni), należy zapewnić dodatkowe zbrojenie, jeśli architekt ogranicza wymiary przekroju.

Mocy wzmocnionego promień jest taki, w którym ilość napięcie zbrojenia na rozciąganie jest mniejsza niż suma mocy sprężania betonu i stali kompresji (na podstawie wzmocnionego na twarzy na rozciąganie). Gdy element żelbetowy podlega narastającemu momentowi zginającemu, rozciągana stal ugina się, a beton nie osiąga stanu ostatecznego zniszczenia. W miarę jak rozciągana stal ugina się i rozciąga, „niedozbrojony” beton również ugina się w sposób plastyczny, wykazując duże odkształcenia i ostrzegając przed ostatecznym zniszczeniem. W tym przypadku granica plastyczności stali określa projekt.

Nadmiernie zbrojona belka to taka, w której nośność na rozciąganie stali rozciąganej jest większa niż łączna nośność na ściskanie betonu i stali ściskanej (nadmiernie wzmocniona na czole rozciąganym). Tak więc belka „z betonu zbrojonego” ulega uszkodzeniu przez zgniecenie betonu w strefie ściskanej i przed ustąpieniem stali w strefie rozciąganej, co nie daje żadnego ostrzeżenia przed zniszczeniem, ponieważ uszkodzenie jest natychmiastowe.

Wynosi wzmocnione wiązki jest związek, w którym obie strefy ściskania i rozciągania reach uzyskując przy tym nałożona obciążeniu belki, a beton i stal zniszczyć rozciąganie dadzą w tym samym czasie. To kryterium projektowe jest jednak tak samo ryzykowne jak beton nadmiernie zbrojony, ponieważ pękanie jest nagłe, gdy beton kruszy się w tym samym czasie, co rozciągliwa stal, co daje bardzo małe ostrzeżenie o zagrożeniu w przypadku zniszczenia rozciąganego.

Elementy przenoszące moment z betonu zbrojonego stalą należy zwykle projektować tak, aby były podzbrojone, tak aby użytkownicy konstrukcji otrzymali ostrzeżenie o zbliżającym się zawaleniu.

Wytrzymałość charakterystyczna jest wytrzymałość materiału, w którym mniej niż 5% pokazuje wzory niższej wytrzymałości.

Wytrzymałość konstrukcji lub wytrzymałość nominalna jest wytrzymałość materiału, w tym czynnik materialny-bezpieczeństwa. Wartość współczynnika bezpieczeństwa ogólnie waha się od 0,75 do 0,85 w projektowaniu naprężeń dopuszczalnych .

Stan graniczny nośności to teoretyczny punkt zniszczenia z pewnym prawdopodobieństwem. Jest to określone w czynnikowych obciążeniach i czynnikowych rezystancjach.

Konstrukcje żelbetowe są zwykle projektowane zgodnie z zasadami i przepisami lub zaleceniami norm, takich jak ACI-318, CEB, Eurokod 2 lub tym podobnych. W projektowaniu elementów konstrukcyjnych żelbetowych stosuje się metody WSD, USD lub LRFD. Analizę i wymiarowanie prętów żelbetowych można przeprowadzić przy użyciu podejścia liniowego lub nieliniowego. Przy stosowaniu współczynników bezpieczeństwa przepisy budowlane zwykle proponują podejścia liniowe, ale w niektórych przypadkach podejścia nieliniowe. Aby zobaczyć przykłady nieliniowej symulacji numerycznej i obliczeń, odwiedź odnośniki:

Betonu sprężonego

Sprężanie betonu to technika, która znacznie zwiększa nośność belek betonowych. Stal zbrojeniowa w dolnej części belki, która podczas eksploatacji będzie poddawana działaniu sił rozciągających, jest rozciągana przed zalaniem wokół niej betonu. Po stwardnieniu betonu naprężenie stali zbrojeniowej zostaje zwolnione, wywierając na beton wbudowaną siłę ściskającą. Po przyłożeniu obciążeń stal zbrojeniowa przyjmuje większe naprężenia, a siła ściskająca w betonie jest zmniejszona, ale nie staje się siłą rozciągającą. Ponieważ beton jest zawsze ściskany, jest mniej podatny na pękanie i pękanie.

Typowe rodzaje zniszczenia betonu zbrojonego stalą

Beton zbrojony może ulec uszkodzeniu z powodu niewystarczającej wytrzymałości, prowadzącej do uszkodzenia mechanicznego lub z powodu zmniejszenia jego trwałości. Cykle korozji i zamrażania/rozmrażania mogą uszkodzić źle zaprojektowany lub skonstruowany żelbet. Gdy pręt zbrojeniowy koroduje, produkty utleniania ( rdza ) rozszerzają się i mają tendencję do łuszczenia się, pękając beton i odrywając pręt zbrojeniowy od betonu. Poniżej omówiono typowe mechanizmy prowadzące do problemów z trwałością.

Uszkodzenie mechaniczne

Zapobieganie pękaniu sekcji betonowej jest prawie niemożliwe; jednak wielkość i lokalizację pęknięć można ograniczyć i kontrolować przez odpowiednie zbrojenie, połączenia kontrolne, metodologię utwardzania i projektowanie mieszanki betonowej. Pęknięcia mogą umożliwić wnikanie wilgoci i korodowanie zbrojenia. To serwisowania niepowodzenie w projektowaniu stanów granicznych . Pękanie jest zwykle wynikiem niewystarczającej ilości prętów zbrojeniowych lub zbyt dużej odległości prętów zbrojeniowych. Beton pęka następnie pod nadmiernym obciążeniem lub z powodu efektów wewnętrznych, takich jak wczesny skurcz termiczny podczas utwardzania.

Ostateczne zniszczenie prowadzące do zawalenia może być spowodowane zmiażdżeniem betonu, które występuje, gdy naprężenia ściskające przekraczają jego wytrzymałość, podatnością lub zniszczeniem pręta zbrojeniowego, gdy naprężenia zginające lub ścinające przekraczają wytrzymałość zbrojenia, lub zniszczeniem wiązania między betonem a zbrojenie.

Karbonatyzacja

Pękanie ścian betonowych jako stalowe zbrojenie koroduje i pęcznieje. Rdza ma mniejszą gęstość niż metal, więc w miarę tworzenia się rozszerza, odrywając dekoracyjne okładziny od ściany i uszkadzając beton konstrukcyjny. Oderwanie materiału od powierzchni nazywane jest odpryskami .
Szczegółowy widok odprysków spowodowanych prawdopodobnie zbyt cienką warstwą betonu pomiędzy stalą a powierzchnią, której towarzyszy korozja spowodowana ekspozycją zewnętrzną.

Karbonizacja lub neutralizacja to reakcja chemiczna między dwutlenkiem węgla w powietrzu a wodorotlenkiem wapnia i uwodnionym krzemianem wapnia w betonie.

Podczas projektowania konstrukcji betonowej zwykle określa się otulinę betonową zbrojenia (głębokość zbrojenia w obiekcie). Minimalna otulina betonu jest zwykle regulowana przez przepisy projektowe lub budowlane . Jeśli zbrojenie znajduje się zbyt blisko powierzchni, może wystąpić wczesne uszkodzenie spowodowane korozją. Głębokość otuliny można zmierzyć miernikiem otuliny . Beton karbonatyzowany ma jednak problem z trwałością tylko wtedy, gdy występuje również wystarczająca ilość wilgoci i tlenu, aby spowodować korozję elektropotencjalną stali zbrojeniowej.

Jedną z metod testowania struktury pod kątem karbonatacji jest wywiercenie świeżego otworu w powierzchni, a następnie potraktowanie przeciętej powierzchni roztworem wskaźnika fenoloftaleiny . To rozwiązanie zmienia kolor na różowy w kontakcie z betonem alkalicznym, umożliwiając obserwację głębokości karbonatyzacji. Użycie istniejącego otworu nie wystarczy, ponieważ odsłonięta powierzchnia będzie już nawęglana.

Chlorki

Chlorki mogą sprzyjać korozji osadzonego pręta zbrojeniowego, jeśli są obecne w wystarczająco wysokim stężeniu. Aniony chlorkowe wywołują zarówno korozję miejscową (korozja wżerowa ), jak i uogólnioną korozję stalowych wzmocnień. Z tego powodu do mieszania betonu należy używać wyłącznie świeżej wody surowej lub wody pitnej, upewnić się, że kruszywa grube i drobne nie zawierają chlorków, a nie domieszek, które mogą zawierać chlorki.

Pręt zbrojeniowy pod fundamenty i ściany przepompowni ścieków.
Paulins Zabij wiadukt , Hainesburg, New Jersey, jest 115 stóp (35 m) wysokości i 1100 stóp (335 m) długości i był zwiastunem jako największy wzmocnionej konstrukcji betonowej na świecie, kiedy została ona ukończona w 1910 roku jako część Lackawanna Cut-Off projekt linii kolejowej. Lackawanna Railroad był pionierem w wykorzystaniu betonu zbrojonego.

Kiedyś powszechnie stosowano chlorek wapnia jako domieszkę przyspieszającą szybkie wiązanie betonu. Błędnie uważano też, że zapobiegnie zamarzaniu. Jednak praktyka ta popadła w niełaskę, gdy ujawniono szkodliwe działanie chlorków. Należy tego unikać, gdy tylko jest to możliwe.

Stosowanie soli odladzających na jezdniach, stosowanych w celu obniżenia temperatury zamarzania wody, jest prawdopodobnie jedną z głównych przyczyn przedwczesnego uszkodzenia żelbetowych lub strunobetonowych pomostów mostowych, jezdni i parkingów. Zastosowanie prętów zbrojeniowych pokrytych żywicą epoksydową i zastosowanie ochrony katodowej w pewnym stopniu złagodziło ten problem. Wiadomo również, że pręty zbrojeniowe FRP (polimer wzmocniony włóknem) są mniej wrażliwe na chlorki. Właściwie zaprojektowane mieszanki betonowe, którym pozwolono na prawidłowe utwardzenie, są skutecznie odporne na działanie odladzaczy.

Innym ważnym źródłem jonów chlorkowych jest woda morska . Woda morska zawiera wagowo około 3,5% soli. Te sole obejmują chlorek sodu , siarczan magnezu , siarczan wapnia , oraz wodorowęglany . W wodzie sole te dysocjują w wolnych jonach (Na + , Mg 2+ , Cl , SO 4 2− , HCO 3 ) i migrują wraz z wodą do naczyń włosowatych betonu. Jony chlorkowe stanowiące około 50% tych jonów są szczególnie agresywne jako przyczyna korozji prętów zbrojeniowych ze stali węglowej.

W latach 60. i 70. stosunkowo często stosowano magnezyt , minerał węglanowy bogaty w chlorki , jako materiał do pokrywania podłóg. Zostało to zrobione głównie jako warstwa wyrównująca i tłumiąca dźwięk. Jednak obecnie wiadomo, że gdy te materiały stykają się z wilgocią, wytwarzają słaby roztwór kwasu chlorowodorowego z powodu obecności chlorków w magnezycie. Po pewnym czasie (zwykle dziesięcioleci) rozwiązanie powoduje korozję osadzonych prętów zbrojeniowych . Było to najczęściej spotykane w obszarach mokrych lub obszarach wielokrotnie narażonych na działanie wilgoci.

Reakcja krzemionki alkalicznej

Jest to reakcja amorficznej krzemionki ( chalcedon , chert , wapień krzemionkowy ) występującej czasami w kruszywach z jonami hydroksylowymi (OH ) z roztworu porów cementu. Słabo skrystalizowana krzemionka (SiO 2 ) rozpuszcza się i dysocjuje przy wysokim pH (12,5 - 13,5) w wodzie alkalicznej. Rozpuszczalny zdysocjowany kwas krzemowy reaguje w wodzie porowej z wodorotlenkiem wapnia ( portlandytem ) obecnym w zaczynie cementowym, tworząc ekspansywny hydrat krzemianu wapnia (CSH). Reakcji alkalia-krzemionka (ASR) powoduje obrzęki odpowiedzialny za naprężenia rozciągającego i pękanie . Warunki wymagane do reakcji krzemionki alkalicznych są trojakie: (1) kruszywo zawierające alkaliczny reaktywny składnik (amorficzna krzemionka), (2) wystarczającej dostępności jonów wodorotlenowych (OH - ) i (3), wystarczającą ilość wilgoci, ponad 75% wilgotności względnej (RH) w betonie. Zjawisko to jest czasami popularnie określane jako „ konkretny rak ”. Ta reakcja zachodzi niezależnie od obecności prętów zbrojeniowych; może mieć to wpływ na masywne konstrukcje betonowe, takie jak tamy .

Konwersja cementu wysokoglinowego

Odporny na działanie słabych kwasów, a zwłaszcza siarczanów, cement ten szybko się utwardza ​​i ma bardzo wysoką trwałość i wytrzymałość. Po II wojnie światowej był często używany do wykonywania prefabrykatów betonowych. Jednak może tracić wytrzymałość pod wpływem ciepła lub czasu (konwersja), zwłaszcza gdy nie jest odpowiednio utwardzona. Po zawaleniu się trzech dachów wykonanych z belek strunobetonowych przy użyciu cementu wysokoglinowego, cement ten został zakazany w Wielkiej Brytanii w 1976 roku. Kolejne dochodzenia w tej sprawie wykazały, że belki zostały wykonane nieprawidłowo, ale zakaz pozostał.

Siarczany

Siarczany (SO 4 ) w glebie lub wodzie gruntowej, w odpowiednim stężeniu, mogą reagować z cementem portlandzkim w betonie powodując powstawanie produktów ekspansywnych, np. etryngitu lub thaumasytu , co może prowadzić do przedwczesnego zniszczenia konstrukcji. Najbardziej typowym atakiem tego typu są płyty betonowe i ściany fundamentowe na tych stopniach, w których stężenie jonów siarczanowych, poprzez naprzemienne zwilżanie i suszenie, może wzrosnąć. Wraz ze wzrostem koncentracji może rozpocząć się atak na cement portlandzki. W przypadku konstrukcji zakopanych, takich jak rury, ten rodzaj ataku jest znacznie rzadszy, zwłaszcza we wschodnich Stanach Zjednoczonych. Stężenie jonów siarczanowych wzrasta znacznie wolniej w masie gleby i jest szczególnie zależne od początkowej ilości siarczanów w glebie rodzimej. Analizę chemiczną odwiertów gruntowych w celu sprawdzenia obecności siarczanów należy przeprowadzić na etapie projektowania każdego projektu, w którym beton ma kontakt z gruntem rodzimym. Jeśli okaże się, że stężenia są agresywne, można zastosować różne powłoki ochronne. Również w USA w mieszance można stosować cement portlandzki ASTM C150 Typ 5. Ten rodzaj cementu został zaprojektowany tak, aby był szczególnie odporny na atak siarczanów.

Konstrukcja z blachy stalowej

W konstrukcji z blachy stalowej podłużnice łączą równoległe blachy stalowe. Zespoły płyt są wytwarzane poza miejscem budowy i spawane na miejscu w celu utworzenia stalowych ścian połączonych podłużnicami. Ściany stają się formą, w którą wlewa się beton. Konstrukcja z blachy stalowej przyspiesza konstrukcję żelbetową poprzez wyeliminowanie czasochłonnych czynności wykonywanych ręcznie na miejscu, związanych z wiązaniem prętów zbrojeniowych i formami budowlanymi. Metoda ta zapewnia doskonałą wytrzymałość, ponieważ stal znajduje się na zewnątrz, gdzie siły rozciągające są często największe.

Beton zbrojony włóknami

Zbrojenie włóknem stosuje się głównie w betonie natryskowym , ale można je również stosować w zwykłym betonie. Beton normalny zbrojony włóknami jest najczęściej używany do wykonywania podłóg naziemnych i chodników, ale można go również rozważać w przypadku szerokiej gamy elementów konstrukcyjnych (belek, filarów, fundamentów itp.) samodzielnie lub z ręcznie wiązanymi prętami zbrojeniowymi.

Beton wzmocniony włóknami (które są zazwyczaj włóknami stalowymi, szklanymi , plastikowymi ) lub włóknem polimerowym celulozowym jest tańszy niż ręcznie wiązany pręt zbrojeniowy. Ważny jest kształt, wymiar i długość włókna. Cienkie i krótkie włókno, na przykład krótkie, włoskowate włókno szklane, działa tylko w pierwszych godzinach po wylaniu betonu (jego funkcją jest zmniejszenie pękania podczas twardnienia betonu), ale nie zwiększa wytrzymałości betonu na rozciąganie . Włókno o normalnym rozmiarze do europejskiego betonu natryskowego (średnica 1 mm, długość 45 mm – stal lub plastik) zwiększy wytrzymałość betonu na rozciąganie. Zbrojenie włóknem jest najczęściej stosowane do uzupełnienia lub częściowego zastąpienia pierwotnego zbrojenia, a w niektórych przypadkach może być zaprojektowane tak, aby całkowicie zastąpić zbrojenie.

Stal jest najmocniejszym powszechnie dostępnym włóknem i występuje w różnych długościach (w Europie od 30 do 80 mm) i kształtach (haki końcowe). Włókna stalowe można stosować tylko na powierzchniach, które tolerują korozję i plamy rdzy lub zapobiegają ich powstawaniu. W niektórych przypadkach powierzchnia z włókna stalowego jest licowana innymi materiałami.

Włókno szklane jest niedrogie i odporne na korozję, ale nie tak plastyczne jak stal. Ostatnio przędzione włókno bazaltowe , od dawna dostępne w Europie Wschodniej , stało się dostępne w Stanach Zjednoczonych i Europie Zachodniej. Włókno bazaltowe jest mocniejsze i tańsze niż szkło, ale historycznie nie było wystarczająco odporne na alkaliczne środowisko cementu portlandzkiego , aby mogło być stosowane jako bezpośrednie wzmocnienie. Nowe materiały wykorzystują plastikowe spoiwa do izolacji włókna bazaltowego od cementu.

Włókna premium to włókna z tworzywa sztucznego wzmocnionego grafitem , które są prawie tak mocne jak stal, lżejsze i odporne na korozję. Niektóre eksperymenty przyniosły obiecujące wyniki wczesne z nanorurek węglowych , ale materiał jest nadal zbyt drogi dla jakiegokolwiek budynku.

Wzmocnienie niestalowe

Tematy zbrojenia niestalowego i zbrojenia włóknem betonowego w znacznym stopniu się pokrywają. Wprowadzenie niestalowego zbrojenia betonu jest stosunkowo nowe; przybiera dwie główne formy: niemetalowych prętów zbrojeniowych i niestalowych (zwykle również niemetalicznych) włókien włączonych do matrycy cementowej. Na przykład rośnie zainteresowanie betonem zbrojonym włóknem szklanym (GFRC) oraz różnymi zastosowaniami włókien polimerowych wprowadzanych do betonu. Chociaż obecnie nie ma zbyt wielu sugestii, że takie materiały zastąpią metalowe pręty zbrojeniowe, niektóre z nich mają duże zalety w określonych zastosowaniach, a także pojawiają się nowe zastosowania, w których metalowe pręty zbrojeniowe po prostu nie wchodzą w grę. Jednak projektowanie i zastosowanie zbrojenia innego niż stal jest obarczone wyzwaniami. Po pierwsze, beton jest środowiskiem silnie zasadowym, w którym wiele materiałów, w tym większość rodzajów szkła, ma słabą żywotność . Również zachowanie takich materiałów wzmacniających różni się od zachowania metali, na przykład pod względem wytrzymałości na ścinanie, pełzania i elastyczności.

Tworzywo sztuczne/polimer wzmocniony włóknami (FRP) i tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem szklanym (GRP) składają się z włókien polimerowych , szklanych, węglowych, aramidowych lub innych polimerów lub włókien o wysokiej wytrzymałości osadzonych w matrycy żywicy, tworząc pręt zbrojeniowy lub siatkę, lub włókna. Te pręty zbrojeniowe są instalowane w podobny sposób jak pręty zbrojeniowe stalowe. Koszt jest wyższy, ale odpowiednio zastosowane struktury mają zalety, w szczególności radykalne zmniejszenie problemów związanych z korozją , albo przez wewnętrzną alkaliczność betonu, albo przez zewnętrzne płyny korozyjne, które mogą przenikać do betonu. Konstrukcje te mogą być znacznie lżejsze i zazwyczaj mają dłuższą żywotność . Koszt tych materiałów drastycznie spadł od czasu ich powszechnego zastosowania w przemyśle lotniczym i wojsku.

W szczególności pręty FRP są przydatne w konstrukcjach, w których obecność stali byłaby nie do przyjęcia. Na przykład urządzenia do rezonansu magnetycznego mają ogromne magnesy i dlatego wymagają budynków niemagnetycznych . Ponownie, budki poboru opłat, które odczytują znaczniki radiowe, wymagają zbrojonego betonu, który jest przezroczysty dla fal radiowych . Również tam, gdzie żywotność konstrukcji betonowej jest ważniejsza niż jej koszty początkowe, zbrojenie niestalowe często ma swoje zalety, ponieważ korozja stali zbrojeniowej jest główną przyczyną awarii. W takich sytuacjach zbrojenie antykorozyjne może znacznie wydłużyć żywotność konstrukcji, na przykład w strefie pływów . Pręty FRP mogą być również przydatne w sytuacjach, w których istnieje prawdopodobieństwo, że konstrukcja betonu może zostać naruszona w przyszłych latach, na przykład krawędzie balkonów podczas wymiany balustrad oraz podłogi łazienkowe w budownictwie wielokondygnacyjnym, gdzie żywotność konstrukcji podłogi prawdopodobnie wielokrotnie wydłuży żywotność hydroizolacyjnej membrany budowlanej.

Zbrojenie z tworzyw sztucznych często jest mocniejsze , a przynajmniej ma lepszy stosunek wytrzymałości do masy niż stale zbrojeniowe. Ponadto, ponieważ jest odporny na korozję, nie wymaga tak grubej osłony betonowej jak zbrojenie stalowe (zwykle od 30 do 50 mm lub więcej). Konstrukcje wzmocnione włóknem szklanym mogą być zatem lżejsze i trwalsze. W związku z tym w przypadku niektórych zastosowań koszt całego okresu eksploatacji będzie konkurencyjny cenowo w przypadku betonu zbrojonego stalą.

Właściwości materiałowe prętów FRP lub GRP znacznie różnią się od stali, dlatego istnieją różnice w rozważaniach projektowych. Pręty FRP lub GRP mają stosunkowo wyższą wytrzymałość na rozciąganie, ale mniejszą sztywność, więc ugięcia mogą być większe niż w przypadku równoważnych jednostek wzmocnionych stalą. Konstrukcje z wewnętrznym wzmocnieniem FRP charakteryzują się zazwyczaj odkształcalnością sprężystą porównywalną z odkształcalnością plastyczną (ciągliwością) konstrukcji zbrojonych stalą. Awaria w obu przypadkach jest bardziej prawdopodobna w wyniku ściskania betonu niż zerwania zbrojenia. Ugięcie jest zawsze głównym elementem projektowania żelbetu. Limity ugięcia są ustalane w celu zapewnienia kontroli szerokości pęknięć w żelbetonie, aby zapobiec przedostawaniu się wody, powietrza lub innych agresywnych substancji do stali i powodowaniu korozji. W przypadku betonu zbrojonego włóknem szklanym estetyka i ewentualnie wodoszczelność będą kryteriami ograniczającymi kontrolę szerokości pęknięć. Pręty FRP mają również stosunkowo mniejszą wytrzymałość na ściskanie niż stalowe pręty zbrojeniowe, a zatem wymagają różnych podejść projektowych dla słupów żelbetowych .

Wadą stosowania zbrojenia FRP jest ich ograniczona odporność ogniowa. Tam, gdzie liczy się bezpieczeństwo przeciwpożarowe, konstrukcje wykorzystujące FRP muszą zachować swoją wytrzymałość i zakotwiczenie sił w temperaturach, jakich można się spodziewać w przypadku pożaru. Dla celów ochrony przeciwpożarowej niezbędna jest odpowiednia grubość otuliny cementowo-betonowej lub okładziny ochronnej. Dodanie 1 kg / m 3 z włókien polipropylenowych do betonu zmniejszają odpryskiwania podczas symulowanego pożaru. (Uważa się, że poprawa jest spowodowana tworzeniem się ścieżek z masy betonu, co pozwala na rozproszenie ciśnienia pary).

Kolejnym problemem jest skuteczność zbrojenia na ścinanie. Strzemiona z prętów zbrojeniowych FRP formowane przez zginanie przed hartowaniem generalnie radzą sobie stosunkowo słabo w porównaniu ze strzemionami stalowymi lub konstrukcjami z włóknami prostymi. Po naprężeniu strefa pomiędzy obszarami prostymi i zakrzywionymi podlega silnym zginaniu, ścinaniu i naprężeniom wzdłużnym. Aby poradzić sobie z takimi problemami, konieczne są specjalne techniki projektowania.

Rośnie zainteresowanie zastosowaniem zewnętrznych wzmocnień istniejących konstrukcji przy użyciu zaawansowanych materiałów, takich jak kompozytowe (włókno szklane, bazalt, węgiel) pręty zbrojeniowe, które mogą nadawać wyjątkową wytrzymałość. Na całym świecie istnieje wiele marek kompozytowych prętów zbrojeniowych uznawanych przez różne kraje, takich jak Aslan, DACOT, V-rod i ComBar. Liczba projektów wykorzystujących kompozytowe pręty zbrojeniowe rośnie z dnia na dzień na całym świecie, w krajach od USA, Rosji i Korei Południowej po Niemcy.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura