Железобетон


Бетон и железо! Как непохожи друг на друга эти два материала! Бетон, как и всякий камень, тверд, но хрупок, его трудно раздавить, но гораздо легче сломать или разбить. Он стойко выносит воздействие влаги, высокой и низкой температуры и многих химических веществ. Все его части кажутся крепко связанными между собой.

Вот какие испытания выдерживает бетон.
Вот какие испытания выдерживает бетон.

А на самом деле эта связь не такая уж прочная.

Чтобы проверить прочность бетона, из него отливают правильные кубики размером 20х20x20 см и ставят их под пресс. Приборы покажут, какое давление они могут выдержать, пока не разрушатся. Обычно, чтобы раздавить бетонный кубик такого размера, понадобится сила, равная 80-100 Т, а иногда и в 2-3 раза большая.

Но если этот же кубик зажать с двух сторон клещами и попытаться разорвать пополам, то достаточно будет приложить к нему силу в 10 раз меньшую. А от одного удара кузнечного молота он разлетится на множество мелких частей. Следовательно, бетон хорошо выдерживает давление, но плохо сопротивляется удару и разрыву. Поэтому из него можно возводить фундаменты и стены, плотины и дамбы, делать основания под полы и дороги. А для тех частей сооружений, где действуют ударные силы или где надо сопротивляться разрыву, нужны материалы с совсем иными свойствами.

Сталь во многом отличается от бетона. Стальные детали при тех же размерах могут выдержать давление в 10-15 раз большее, чем бетон. А главное — сталь одинаково хорошо сопротивляется и сжатию и разрыву. Это объясняется ее внутренним строением: мельчайшие кристаллы в ней очень плотно «пригнаны» друг к другу и связаны мощными силами молекулярного сцепления.

 Балка, отлитая из бетона, легко разрушается под действием груза. Та же балка со стальной арматурой свободно выдерживает большой груз.
 Балка, отлитая из бетона, легко разрушается под действием груза. Та же балка со стальной арматурой свободно выдерживает большой груз.

Сталь — материал, обладающий высокой упругостью. В этом легко убедиться, согнув стальную линейку: как только ее отпустить, она снова станет прямой. Недаром пружины делают из стали. Упругость ее можно наблюдать не только при изгибе. Попробуем с большой силой растянуть стальную проволоку и измерим ее длину до и после опыта. Если измерение сделано очень точно, то мы заметим, что проволока при растяжении стала немного длиннее, а как только действие этой силы прекратилось, она немедленно приняла прежний размер.

Сталь не боится ударов, ее можно даже ковать. И вот возникла счастливая мысль соединить эти два материала вместе.

В результате был получен новый строительный материал — железобетон, без которого теперь нельзя даже представить себе современную строительную технику.

Чтобы лучше понять, что дает сочетание столь разнородных материалов, как сталь и бетон, проделаем один опыт. Попробуем на прямоугольный длинный брусок (строители назвали бы его балкой) поставить в середине какой-либо груз. Если наша балка отлита из чистого бетона, то при сравнительно небольшой нагрузке на ее нижней грани внезапно появятся трещины и она быстро разрушится. Но если во время отливки балки положить в ее форму несколько длинных стальных прутков, она сможет выдержать во много раз большую нагрузку.

Объяснение этому найти нетрудно. Ведь стальные прутки вполне выдерживают усилие, которое легко может оторвать друг от друга отдельные частицы бетона. И если внимательно рассмотреть, где и как располагают в железобетоне стальные стержни, называемые арматурой, то окажется, что больше всего их там, где в бетоне могли бы появиться опасные трещины.

Объем арматурных стержней обычно не превышает 2-3% от объема бетона. Однако и этого небольшого количества стали достаточно, чтобы резко увеличить прочность железобетонной конструкции.

В этой составной балке отдельные бруски плотно прижаты друг к другу силой натяжения бечевы
В этой составной балке отдельные бруски плотно прижаты друг к другу силой натяжения бечевы

Стальную арматуру укладывают еще до того, как форму будущей конструкции заполнят бетоном. Пластичная бетонная смесь плотно окутает каждый арматурный стержень. Когда она «схватится» и затвердеет, между бетоном и сталью образуется прочная связь, настолько прочная, что иногда бывает легче разорвать стальной стержень, чем выдернуть его из бетона. А чтобы эта связь была еще более прочной, на концах металлических стержней загибают крючки.

Металлурги давно уже научились готовить очень прочную сталь, такую, к примеру, какая идет для проволочных канатов. Но строители долго не могли использовать эти марки стали для железобетонных конструкций, хотя это дало бы большую экономию материала.

Дело в том, что, когда стальную проволоку с большой силой растягивают, она становится несколько длиннее. Проволока из разных сортов стали имеет различную прочность, но способность ее удлиняться при растяжении всегда одинакова. И чем больше прочность проволоки, тем на большую длину можно ее растянуть, прежде чем она разорвется.

А в железобетоне и бетон, и сталь крепко связаны между собой и могут удлиняться лишь на одну и ту же величину, причем только на такую, какую может выдержать, не разрушаясь, хрупкий бетон. Вот почему арматуру для железобетона долгое время готовили из наименее прочной стали. Лишь при этом условии предел величины тех сил, которые могут разорвать бетон, будет пределом и для прочности стали. А высокопрочную и, конечно, более дорогую сталь, которую можно было бы уложить в бетон в значительно меньшем количестве, употреблять было бессмысленно: все равно ее свойства не удалось бы полностью использовать.

Так продолжалось до тех пор, пока не были открыты возможности создания так называемого предварительно напряженного железобетона.

В чем же его отличие от обычной железобетонной конструкции? Представим себе, что произойдет, если стальные арматурные стержни растянуть с большой силой еще до того, как форма будущей конструкций заполнится бетоном, и держать их в таком напряженном состоянии, пока бетон не затвердеет и не наберет своей полной прочности. Нетрудно догадаться, что освобожденные после этого от упоров стальные стержни будут стремиться вернуть свою первоначальную длину. Сжимаясь сами, они с огромной силой сожмут также связанный с ними бетон.

Примерно в таком же состоянии окажется длинная пачка небольших прямоугольных брусков, крепко-накрепко перевязанная прочной бечевой. Эта пачка не рассыплется, хотя бруски в ней ничем не склеены, а только прижаты друг к другу силой натяжения бечевы. Если уложить ее краями на две опоры, то она представит собой своеобразную балку и даже сможет выдержать действие тяжести небольшого груза.

Как отдельные бруски в этой пачке прижаты силой натяжения бечевы друг к другу, так и все частицы бетона будут сжаты силой натяжения стальной арматуры. Теперь, чтобы разрушить бетон, нужно преодолеть не только сцепление его частиц, но и ту добавочную силу, которая создается благодаря натяжению металлической арматуры.

Предварительное напряжение дало возможность применить в качестве арматуры высокопрочную стальную проволоку. А это в сочетании с бетоном, тоже повышенной прочности, позволило создать железобетонные конструкции более тонкие и легкие, чем обычно.

Железобетон применяется сейчас в самых различных конструкциях. Из него делают перекрытия между этажами в жилых домах, колонны, балки и перекрытия в производственных зданиях, тонкостенные оболочки и купола над большими залами, круглые стенки огромных цилиндров для складов зерна и цемента, массивные плотины гидроэлектростанций, навесные козырьки над спортивными стадионами и т. д. Все это разнообразие конструкций, недоступное при использовании каких-либо других строительных материалов, стало возможным лишь потому, что бетон заливается в пластичном, полужидком состоянии в подготовленные для него формы и, застывая, точно повторяет их размеры и очертания.

Деревянная опалубка для железобетонного перекрытия и колонны
Деревянная опалубка для железобетонного перекрытия и колонны

Большей частью форма железобетонной конструкции — опалубка — делается из досок. Опалубка служит только один раз: после того как бетон затвердеет и станет достаточно прочным, ее разбирают, чтобы освободить готовую конструкцию. На рисунке показана опалубка одной из наиболее простых железобетонных конструкций — междуэтажного перекрытия, состоящего из плиты, балок и поддерживающих колонн. Эта форма собрана из заранее заготовленных деревянных щитов, которые удерживаются на месте уложенными «на ребро» досками. Вся система опирается на временные поддерживающие стойки — леса.

Такие леса должны быть достаточно прочными, чтобы выдержать тяжесть конструкции, нередко достигающей десятков и даже сотен тонн. Поэтому устройство лесов и опалубки требует большого труда рабочих и очень значительного расхода ценных лесных материалов. Немало сил и энергии уходит также на то, чтобы установить на стройке машины для приготовления бетонной смеси, промывки и сортировки гравия или дробления щебня, для заготовки арматурных стержней. Трудно избавиться от ручной работы и при укладке арматуры и бетона в опалубку. Но наиболее сложно возводить их в холодное время года, особенно в северных районах страны. Как известно, бетон плохо твердеет на морозе и его приходится отеплять и греть.

Все это мешало широкому распространению железобетонных конструкций, несмотря на их отличные качества. И все-таки им нужно было открыть дорогу на стройку. Сделать это можно было только путем широкой механизации всех процессов производства железобетона.