Железобетон — определение, применение, история, конструкции из железобетона

Почти все здания, сооружения, многие элементы инженерных коммуникаций построены из дешевого, прочного и доступного композитного материала — железобетона. Он обладает рядом качеств, положительно отличающих его от других строительных материалов, поэтому применяется во всех сферах народного хозяйства, а не только в строительстве. Железобетонные изделия (ЖБИ), в обиходе называемые железобетон, представляют собой прочные блоки, плиты или трубы, изготовленные из бетона, усиленные стальным прутом или композитной арматурой. Это сочетание обеспечивает повышение прочности, пластичности и долговечности конструкций. Это один из основных материалов для быстрого и экономичного строительства.

История изобретения железобетона

Сегодня что такое железобетон знает каждый, кто строил дом или облагораживал дачный участок. Почти 170 лет назад — в 1855 году — этот материал шокировал посетителей Всемирной Парижской выставки и дал толчок развитию многих промышленных отраслей. Опыты с бетоном и арматурой вели адвокат Жан Луи Ламбо, соорудивший в 1848 году «железобетонную лодку», которая затем получила приз на Всемирной выставке, а также садовник Жозев Монье, придумавший ж/б кадки для растений. Подобные композиции используются до сих пор для ландшафтного озеленения городов.

Точно известно, когда когда впервые применили конструкции из железобетона. Этот строительный материал был запатентован Жозефом Монье в 1867 году. Технология развивалась стремительно, уже в начале XIX века в Российской империи бетонные полы армировали металлическими стержнями. Патент в России был выдан в 1880 году. Многие дома конца 19 – начала 20 века получили прочные основания из железобетона, благодаря чему сохранились в целости и вошли в состав золотого фонда отечественной архитектуры. 

Несмотря на несомненный успех, железобетон начал играть важную роль в строительстве лишь с конца XIX века. Исследования нового композита активно вели Великобритания, Франция, США, Германия. В 1917 году француз Эжен Фрейсине запатентовал вибрационное уплотнение бетона, а в 1929 предварительное напряжение железобетона.

В России исследования и разработки железобетона начались в 1890-х годах. Были учтены как зарубежный опыт, так примеры из отечественной практики, опередившей теорию. Профессор Н.А. Белелюбского начал испытания железобетонных конструкций, определение предельных нагрузок, исследования разрушающих факторов. Стройную теорию железобетона разработал архитектор А.Ф. Лолейт, разработавший систему расчета прочности железобетонных конструкций на основе определения силы и направления действия разрушающих сил. Дальнейшей индустриализацией железобетона занимались А. А. Гвоздев, В.И. Мурашев, Я. В. Столяров и другие.

Расширение областей применения железобетона связано с совершенствованием методики: разработкой новых формул бетонных смесей, применением специальных арматурных сталей. Были найдены оптимальные формы сечения железобетонных конструкций, расширен перечень стандартных изделий.

Особенности железобетона

В промышленности и строительстве наиболее распространены бетон и железобетон, разница между которыми состоит в составе. Смесь цемента, воды и заполнителей заливается в форму и затвердевает, образует бетон. Это прочный материал, устойчивый к влаге и другим воздействиям окружающей среды.

Если использовано армирование металлическими стержнями или сеткой, получается железобетон. Арматура добавляет бетону стойкость к нагрузкам, позволяющую избежать деформации и разрушения конструкции. Стальной прут или сетка выступает в роли каркаса.

Согласно истории развития железобетона эти технологические решения появились почти одновременно. Причины столь удачного симбиоза кроются в свойствах используемых материалов:

• Высокая прочность бетона на сжатие и в то же время высокая прочность арматурной стали на растяжение создают суммарный системный и синергетический эффект. Эффективное сочетание материалов повышает как сопротивление бетона силам сжатия, так и сопротивление стали растягивающим усилиям.
• Большую роль имеет хорошая адгезия бетона к стали. Полученные конструкции не разрушаются по линии соединения материалов.
• Почти пропорциональное изменение длины бетона и стали при изменении температуры предупреждает появление тещин. Арматура защищает бетон от резких температурных колебаний.

Сборные железобетонные элементы могут быть самых разных размеров и форм: сплошные или с полостями, элементы малого, среднего, большого размера, а также крупные монолиты. Их можно изготавливать на заводах или на месте с использованием специальных форм и оборудования.

Стандарты, нормативы качества

Современные бетоны имеют более сложный состав, чем в 20 веке. Инновационные пластификаторы позволили значительно улучшить качество ЖБИ, повысить долговечность, устойчивость к влаге и деформациям. На марки ж/б конструкций действуют требования ГОСТов и ТУ, обеспечивающие безопасность и надежность возводимых конструкций. Характеристики ж/б изделий, а также производственные процессы устанавливают ГОСТ 13015-2012, 8829-94, СП 52-103-2007.

Допустимо использование только качественных составляющих:

• цемент марок М150-600;
• вода — не более 2700 мг/л;
• для преднапряженных бетонов не более 600 мг/л;
• песок:
• щебень или гравий фракций 5-70;
• пластификаторы.

Дополнительные возможности при создании строительных конструкций открывает текучесть бетона. При затвердевании он принимает любую заданную форму. Промышленностью выпускаются основные железобетонные изделия — кольца, балки, плиты, перекрытия. Для декора, садоводства, ландшафтного дизайна можно изготовить любые формы по индивидуальному проекту.

Преимущества и недостатки железобетона

Главным преимуществом железобетонных изделий является их большая устойчивость к нагрузкам. Усредненный срок службы железобетона от 50 до 100 лет. Он не нуждается в техобслуживании или ремонте. Другие преимущества ЖБИ:

• высока стойкость к статичным нагрузкам;
• пожаробезопасность, ж/б изделия препятствуют распространению пламени;
• инертность по отношению к едким химическим веществам;
• биологическая устойчивость к плесени, грибку, бактериям;
• высокая водонепроницаемость;
• устойчивость к механическим повреждениям;
• высокая по сравнению с натуральным камнем сжимаемость и растяжимость;
• стойкость к вибронагрузкам.

Характеристики железобетона зависят от типа бетонной арматуры, а также компонентов, используемых для ее производства. Разведение смеси это сложные момент, который лучше доверить профессионалам, чтобы исключить ошибки и не допустить растрескивания бетонных элементов.

Минусами ЖБИ можно назвать несколько параметров, которые в разной степени характерны также для других строительных материалов. Это большой вес конструкций, если речь не идет о фундаменте. В зданиях, имеющих железобетонные конструкции, требования к прочности фундамента выше, чем в деревянных или из пеноблоков. Другие недостатки:

• необходимость утепления сооружения из-за высокой теплопроводности материала;
• трудоемкие процессы опалубки, влияющие на сроки строительства;
• требования по температурным режимам в процессе затвердевания бетона (важно при заливке фундамента или обустройстве монолитных конструкций);
• необходимость звукоизоляции в здании;
• усадка и вероятность растрескивания при нарушении технологии заливки.

Монтаж ж/б конструкций может потребовать применения специальной техники из-за большого веса элементов.

Виды железобетонных изделий

Учитывая технологию армирования, процесс производства, место непосредственной заливки бетона различают виды армированных ЖБИ:

• монолитные — возводят непосредственно на строительной площадке, путем заливки смеси в опалубку (например, фундамент здания);
• сборные — выпускаются серийно на заводах ЖБИ, собираются на месте установки (дорожные плиты, колодезные кольца, сборные фундаменты);
• комбинированные — часть конструкций изготавливается на производстве, часть заливается в опалубку на строительной площадке, а после затвердевания осуществляется сборка.

Из армированного бетона можно сделать конструкции, значительно различающиеся по многим параметрам. В широком диапазоне варьируется форма и размер, а также уровень прочности, который определяется маркой цемента. Для устройства обычного фундамента малоэтажного жилого коттеджа подойдет цемент М300, М400. Для сложных инженерных конструкций применяют марки от М600 и выше.

По типу арматуры, используемой в производстве, подразделяют:

• металлические пруты (горячекатаные, холоднодеформированные, канатные);
• стальная сетка;
• стальные уголки;
• хомуты;
• пучки.

Арматура может быть рабочая, распределительная, монтажная, а также ненапрягаемая/напрягаемая, сварная или вязаная. Чаще всего используются стержни диаметром от шести до 40 миллиметров, которые соответствуют ГОСТ 34028-2016. Поверхность прута арматуры бывает рифленая (армирование периодического профиля) для лучшего сцепления с бетоном или гладкая.

Применение железобетона

Железобетон широко применяют при возведении жилых домов, складов, подсобных помещений, ремонте в обычных квартирах, например, для армирования плит или крепления перегородок. Многоэтажное строительство без ЖБИ практически невозможно. Ж6лезобетон необходим на строительстве многоэтажных жилых домов, комплексов, учреждений, торговых центров.

Для чего применяют железобетон, помимо строительства жилых зданий и промышленных объектов:

• производство труб, колодезных колец, элементов для прокладки туннелей;
• в сфере гидротехнических работ при проектировании удароопасных объектов — плотин гидроэлектростанций, зданий и фундаментов атомных реакторов, тепловых электростанций;
• для изготовления саркофагов в нефтяной промышленности;
• для оборудования водной транспортной инфраструктуры: причалов, путепроводов, насыпей, мостов;
• для подземных тоннелей, путепроводов, тоннелей и станций метрополитена;
• на объектах железнодорожной и автодорожной инфраструктуры, оснований и покрытий дорог, аэродромов;
• при производстве железобетонных шпал, дорожных опор воздушных контактных сетей;
• при возведении инженерных сооружений — водонапорных башен, различных резервуаров, трубопроводов;
• в энергетике для устройства фундаментов, строительства зданий, для изготовления опор для прокладки линий электропередачи, крепления и фиксации уличных светильников;
• при строительство зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения;
• реализация промышленных сооружений в машиностроении, судостроении, горнодобывающей, металлургической, химической и других отраслях промышленности.

При реализации крупных проектов выгодны поставки больших оптовых партий ЖБИ непосредственно с завода-изготовителя. Этот же путь оптимален, если нужны элементы сложной формы, нестандартные, в единичном экземпляре или небольшом количестве. На заводе, производящем изделия из железобетона, можно заказать продукцию по специальному техзаданию с любыми габаритами и характеристиками.

Выводы

Области применения железобетона включают все сферы строительства и ведения хозяйства. Несмотря на ряд недостатков, железобетонные изделия были и продолжают быть перспективными для современного строительства. Высокие технико-экономические показатели железобетона позволяют не только сохранить лидирующие позиции материала на рынке, но и расширить сферу его применения.

Подавляющее большинство современных архитектурных проектов включают в себя железобетонные компоненты и в некоторых случаях полагаются прежде всего на прочность железобетона. Большая популярность монолитных и железобетонных строительных изделий приводит к увеличению ассортимента продукции в этом сегменте.