Beton armat - Reinforced concrete

Beton armat
Talbruecke-Bruenn 2005-08-04.jpg
O coloană grea de beton armat, văzută înainte și după ce betonul a fost turnat în locul coliviei sale de armătură
Tip Material compozit
Proprietăți mecanice
Rezistența la tracțiunet ) Mai puternic decât betonul

Din beton armat ( RC ), numit și beton armat de ciment ( RCC ), este un material compozit în care betonul e relativ mică rezistență la tracțiune și ductilitate sunt compensate prin includerea armare având rezistență la tracțiune mai mare sau ductilitate. Armătura este de obicei, deși nu neapărat, bare de oțel ( armătură ) și este de obicei încorporată pasiv în beton înainte de beton. La nivel mondial, în termeni de volum, este un material ingineresc absolut cheie.

Descriere

Schemele de armare sunt, în general, concepute pentru a rezista la solicitări de tracțiune în anumite regiuni ale betonului, care ar putea cauza fisuri inacceptabile și / sau defecțiuni structurale. Betonul armat modern poate conține materiale de armare variate din oțel, polimeri sau material compozit alternativ, împreună cu armătura sau nu. Betonul armat poate fi, de asemenea, stresat permanent (beton în compresie, armare în tensiune), astfel încât să îmbunătățească comportamentul structurii finale sub sarcini de lucru. În Statele Unite, cele mai frecvente metode de a face acest lucru sunt cunoscute sub numele de pre-tensionare și post-tensionare .

Pentru o construcție puternică, ductilă și durabilă , armătura trebuie să aibă cel puțin următoarele proprietăți:

  • Rezistență relativă ridicată
  • Toleranță ridicată la tensiune
  • Legătură bună cu betonul, indiferent de pH, umiditate și factori similari
  • Compatibilitate termică, care nu provoacă tensiuni inacceptabile (cum ar fi dilatarea sau contracția) ca răspuns la schimbarea temperaturilor.
  • Durabilitate în mediul concret, indiferent de coroziune sau de solicitări susținute, de exemplu.

Istorie

Noua formă a pavilionului Philips construit la Bruxelles pentru Expo 58 a fost realizată folosind beton armat

François Coignet a fost primul care a folosit betonul armat cu fier ca tehnică pentru construirea structurilor de construcție. În 1853, Coignet a construit prima structură din beton armat din fier, o casă cu patru etaje la 72 rue Charles Michels din suburbiile Parisului. Descrierile lui Coignet despre betonul armat sugerează că el nu a făcut-o pentru a adăuga rezistență la beton, ci pentru a menține pereții în construcția monolitică de la răsturnare. În 1854, constructorul englez William B. Wilkinson a întărit acoperișul și podelele din beton din casa cu două etaje pe care o construia. Poziționarea sa a armăturii a demonstrat că, spre deosebire de predecesorii săi, avea cunoștințe despre tensiunile de tracțiune.

Joseph Monier , un grădinar francez din secolul al XIX-lea, a fost un pionier în dezvoltarea betonului structural, prefabricat și armat, fiind nemulțumit de materialele existente disponibile pentru realizarea ghivecelor durabile. I s-a acordat un brevet pentru armarea ghivecelor de beton prin amestecarea unei plase de sârmă și a unei cochilii de mortar. În 1877, lui Monier i s-a acordat un alt brevet pentru o tehnică mai avansată de armare a coloanelor și grinzilor din beton, folosind tije de fier așezate într-un model de grilă. Deși Monier știa fără îndoială că betonul de armare îi va îmbunătăți coeziunea interioară, nu este clar dacă știa chiar cât de mult a fost îmbunătățită rezistența la întindere a betonului prin armare.

Înainte de anii 1870, utilizarea construcțiilor din beton, deși datează din Imperiul Roman și a fost reintrodusă la începutul secolului al XIX-lea, nu era încă o tehnologie științifică dovedită. Thaddeus Hyatt , a publicat un raport intitulat An Account of Some Experiments with Portland-Cement-Beton Combined with Iron as a Building material, cu referire la economia metalului în construcții și pentru securitatea împotriva incendiilor la realizarea acoperișurilor, podelelor și suprafețelor de mers pe jos. , în care și-a raportat experimentele despre comportamentul betonului armat. Opera sa a jucat un rol major în evoluția construcției betonului ca știință dovedită și studiată. Fără munca lui Hyatt, s-ar fi putut depinde de metode mai periculoase de încercare și eroare pentru avansarea tehnologiei.

Ernest L. Ransome , inginer englez, a fost un inovator timpuriu al tehnicilor de beton armat la sfârșitul secolului al XIX-lea. Folosind cunoștințele de beton armat dezvoltate în ultimii 50 de ani, Ransome a îmbunătățit aproape toate stilurile și tehnicile inventatorilor anteriori de beton armat. Inovația cheie a lui Ransome a fost răsucirea barei de oțel de armare, îmbunătățind astfel legătura cu betonul. Câștigând faimă din ce în ce mai mare din clădirile sale construite din beton, Ransome a reușit să construiască două dintre primele poduri din beton armat din America de Nord. Una dintre primele clădiri din beton construite în Statele Unite a fost o casă privată proiectată de William Ward , finalizată în 1876. Casa a fost special concepută pentru a fi ignifugă.

GA Wayss a fost un inginer civil german și un pionier al construcțiilor din beton din oțel și oțel. În 1879, Wayss a cumpărat drepturile germane asupra brevetelor lui Monier și, în 1884, firma sa, Wayss & Freytag , a făcut prima utilizare comercială a betonului armat. Până în anii 1890, Wayss și firma sa au contribuit foarte mult la avansarea sistemului de întărire al lui Monier, l-au stabilit ca o tehnologie științifică bine dezvoltată.

Unul dintre primii zgârie - nori din beton armat a fost clădirea Ingalls cu 16 etaje din Cincinnati, construită în 1904.

Prima clădire din beton armat din sudul Californiei a fost Anexa Laughlin din centrul orașului Los Angeles , construită în 1905. În 1906, au fost emise 16 autorizații de construcție pentru clădirile din beton armat din orașul Los Angeles, inclusiv Temple Auditorium și Hayward cu 8 etaje. Hotel.

În 1906, o prăbușire parțială a hotelului Bixby din Long Beach a ucis 10 muncitori în timpul construcției, atunci când țărmurile au fost îndepărtate prematur. Evenimentul respectiv a stimulat un control al practicilor concrete de ridicare și inspecții ale clădirilor. Structura a fost construită din cadre din beton armat, cu pardoseală nervurată din dale de lut și pereți de umplutură din dale de lut. Această practică a fost puternic pusă la îndoială de către experți și s-au făcut recomandări pentru construcția de beton „pur”, folosind beton armat pentru pardoseli și pereți, precum și pentru cadre.

În aprilie 1904, Julia Morgan , arhitect și inginer american, care a fost pionierul utilizării estetice a betonului armat, a finalizat prima sa structură din beton armat, El Campanil, o clopotniță de 22 de metri la Colegiul Mills , care este golful din San Francisco . Doi ani mai târziu, El Campanil a supraviețuit fără cutremure la cutremurul din San Francisco din 1906 , ceea ce i-a ajutat să-și construiască reputația și să-și lanseze cariera prolifică. Cutremurul din 1906 a schimbat, de asemenea, rezistența inițială a publicului la betonul armat ca material de construcție, care fusese criticat pentru oboseala percepută. În 1908, Consiliul de supraveghere din San Francisco a schimbat codurile de construcție ale orașului pentru a permite o utilizare mai largă a betonului armat.

În 1906, Asociația Națională a Utilizatorilor de Ciment (NACU) a publicat Standardul nr. 1 și, în 1910, Regulamentul de construcție standard pentru utilizarea betonului armat .

Utilizare în construcții

Armăturile acoperișului Sagrada Família în construcție (2009)

Multe tipuri diferite de structuri și componente ale structurilor pot fi construite folosind beton armat, inclusiv plăci , pereți , grinzi , stâlpi , fundații , cadre și multe altele.

Betonul armat poate fi clasificat ca beton prefabricat sau turnat .

Proiectarea și implementarea celui mai eficient sistem de pardoseală este esențială pentru crearea structurilor de construcție optime. Schimbările mici în proiectarea unui sistem de pardoseală pot avea un impact semnificativ asupra costurilor materialelor, a programului de construcție, a rezistenței finale, a costurilor de exploatare, a nivelurilor de ocupare și a utilizării finale a unei clădiri.

Fără armături, construirea unor structuri moderne cu material beton nu ar fi posibilă.

Comportamentul betonului armat

Materiale

Betonul este un amestec de agregate grosiere (piatră sau cărămidă) și fine (în general nisip sau piatră zdrobită) cu o pastă de material liant (de obicei ciment Portland ) și apă. Când cimentul este amestecat cu o cantitate mică de apă, se hidratează pentru a forma rețele cristaline opace microscopice care încapsulează și blochează agregatul într-o structură rigidă. Agregatele utilizate pentru fabricarea betonului trebuie să fie liber de substanțe nocive , cum ar fi impurități organice, nămol, argilă, lignit etc. Amestecuri de beton tipice au o rezistență ridicată la compresiune tensiuni (aproximativ 4000 psi (28 MPa)); cu toate acestea, orice tensiune apreciabilă (de exemplu, datorată îndoirii ) va sparge rețeaua rigidă microscopică, rezultând fisurarea și separarea betonului. Din acest motiv, betonul nearmat tipic trebuie să fie bine sprijinit pentru a preveni dezvoltarea tensiunii.

Dacă un material cu rezistență ridicată la tensiune, cum ar fi oțelul , este plasat în beton, atunci materialul compozit, betonul armat, rezistă nu numai la comprimare, ci și la îndoire și la alte acțiuni de tracțiune directe. O secțiune compozită în care betonul rezistă la comprimare și armătura „ armatura ” rezistă la tensiune poate fi realizată în aproape orice formă și dimensiune pentru industria construcțiilor.

Caracteristici cheie

Trei caracteristici fizice conferă betonului armat proprietățile sale speciale:

  1. Coeficientul de dilatare termică a betonului este similară cu cea a oțelului, eliminarea tensiunilor interne mari din cauza diferențelor de termice de expansiune sau contracție.
  2. Când pasta de ciment din beton se întărește, aceasta se conformează detaliilor suprafeței oțelului, permițând transmiterea eficientă a stresului între diferitele materiale. De obicei, barele de oțel sunt asprate sau ondulate pentru a îmbunătăți și mai mult legătura sau coeziunea dintre beton și oțel.
  3. Mediul chimic alcalin oferit de rezerva alcalină (KOH, NaOH) și portlanditul ( hidroxid de calciu ) conținut în pasta de ciment întărit determină formarea unei pelicule pasivante pe suprafața oțelului, făcându-l mult mai rezistent la coroziune decât ar face-o să fie în condiții neutre sau acide. Când pasta de ciment este expusă aerului și apa meteorică reacționează cu CO 2 atmosferic , portlanditul și hidratul de silicat de calciu (CSH) al pastei de ciment întărite se carbonizează progresiv și pH-ul ridicat scade treptat de la 13,5 - 12,5 la 8,5, pH-ul apei în echilibru cu calcitul ( carbonat de calciu ) și oțelul nu mai sunt pasivate.

De regulă, oțelul este protejat doar la ordinele de mărime, la pH peste ~ 11, dar începe să se corodeze sub ~ 10 în funcție de caracteristicile oțelului și de condițiile fizico-chimice locale atunci când betonul devine carbonat. Carbonatarea betonului împreună cu pătrunderea clorurii sunt printre principalele motive pentru eșecul barelor de armare în beton.

Relativa secțiunii transversale zona de oțel necesar pentru beton armat tipic este de obicei destul de mici și variază de la 1% pentru cele mai multe grinzi și plăci de la 6% pentru unele coloane. Barele de armare sunt în mod normal rotunde în secțiune transversală și variază în diametru. Structurile din beton armat au uneori prevederi precum miezuri goale ventilate pentru a le controla umiditatea și umiditatea.

Distribuția caracteristicilor de rezistență a betonului (în ciuda armăturii) de-a lungul secțiunii transversale a elementelor verticale din beton armat este neomogenă.

Mecanismul acțiunii compozite a armăturii și betonului

Armătura dintr-o structură RC, cum ar fi o bară de oțel, trebuie să sufere aceeași deformare sau deformare ca și betonul din jur, pentru a preveni discontinuitatea, alunecarea sau separarea celor două materiale sub sarcină. Menținerea acțiunii compozite necesită transferul de sarcină între beton și oțel. Stresul direct este transferat de la beton la interfața barei astfel încât să se schimbe tensiunea de tracțiune a barei de armare pe lungimea sa. Acest transfer de sarcină se realizează prin legătură (ancorare) și este idealizat ca un câmp de solicitare continuu care se dezvoltă în vecinătatea interfeței oțel-beton. Motivele pentru care cele două componente diferite ale betonului și oțelului pot funcționa împreună sunt următoarele: (1) Armătura poate fi bine legată de beton, astfel pot rezista împreună la sarcini externe și se pot deforma. (2) Coeficienții de dilatare termică a betonului și a oțelului sunt atât de apropiați (1,0 × 10-5 ~ 1,5 × 10-5 pentru beton și 1,2 × 10-5 pentru oțel) încât deteriorarea indusă de tensiunea termică a legăturii dintre cele două componentele pot fi prevenite. (3) Betonul poate proteja oțelul încorporat de coroziune și de înmuiere indusă la temperaturi ridicate.

Ancorare (legătură) în beton: Coduri de specificații

Deoarece tensiunea reală a legăturii variază de-a lungul lungimii unei bare ancorate într-o zonă de tensiune, codurile internaționale actuale de specificații folosesc mai degrabă conceptul de lungime de dezvoltare decât tensiunea de legătură. Principala cerință pentru siguranța împotriva defectării legăturii este de a asigura o extensie suficientă a lungimii barei dincolo de punctul în care oțelul este necesar pentru a-și dezvolta tensiunea de randament și această lungime trebuie să fie cel puțin egală cu lungimea sa de dezvoltare. Cu toate acestea, dacă lungimea reală disponibilă este inadecvată pentru dezvoltarea completă, trebuie prevăzute ancoraje speciale, cum ar fi roți dințate sau cârlige sau plăci mecanice de capăt. Același concept se aplică și lungimii de îmbinare a turei menționată în coduri în care îmbinările (suprapunerea) prevăzute între două bare adiacente pentru a menține continuitatea solicitată a solicitării în zona de îmbinare.

Măsuri anticorozive

În climă umedă și rece, betonul armat pentru drumuri, poduri, structuri de parcare și alte structuri care pot fi expuse la sare de degivrare pot beneficia de utilizarea armăturilor rezistente la coroziune, cum ar fi neacoperite, cu conținut scăzut de carbon / crom (micro compozit), acoperite cu epoxidă , armătură zincată la cald sau oțel inoxidabil . Un design bun și un amestec de beton bine ales vor oferi o protecție suplimentară pentru multe aplicații. Armătura neacoperită, cu conținut scăzut de carbon / crom arată similar armăturii standard din oțel carbon datorită lipsei sale de acoperire; caracteristicile sale foarte rezistente la coroziune sunt inerente microstructurii din oțel. Poate fi identificat prin marcarea unică a moriului specificată ASTM pe finisajul său neted, cu cărbune întunecat. Armatura acoperită cu epoxidă poate fi ușor identificată prin culoarea verde deschis a acoperirii sale epoxidice. Armătura zincată la cald poate fi gri strălucitor sau mat în funcție de lungimea expunerii, iar armătura inoxidabilă prezintă un luciu metalic tipic alb care se distinge ușor de bara de armare din oțel carbon. Specificații standard de referință ASTM A1035 / A1035M Specificație standard pentru bare deformate și simple cu conținut scăzut de carbon, crom, oțel pentru armarea betonului, A767 Specificație standard pentru bare de armare zincate la cald, A775 Specificație standard pentru bare de armare din oțel acoperite cu epoxidică și A955 Specificație standard pentru deformate și bare simple din oțel inoxidabil pentru armarea betonului.

Un alt mod mai ieftin de a proteja armăturile este acoperirea lor cu fosfat de zinc . Fosfatul de zinc reacționează lent cu cationii de calciu și anionii hidroxil prezenți în apa porilor de ciment și formează un strat stabil de hidroxiapatită .

Etanșanții pătrunzători trebuie de obicei aplicați la ceva timp după întărire. Produsele de etanșare includ vopsea, spume de plastic, folii și folie de aluminiu , pâsle sau covoare de țesătură sigilate cu gudron și straturi de argilă bentonitică , uneori folosite pentru etanșarea paturilor de drum.

Inhibitori de coroziune , cum ar fi nitritul de calciu [Ca (NO 2 ) 2 ], pot fi, de asemenea, adăugați la amestecul de apă înainte de turnarea betonului. În general, 1-2 gr. Procentul de [Ca (NO 2 ) 2 ] în raport cu greutatea cimentului este necesar pentru a preveni coroziunea armăturilor. Anionul nitrit este un oxidant ușor care oxidează ionii feroși solubili și mobili (Fe 2+ ) prezenți la suprafața oțelului corodat și îi determină să precipite ca hidroxid feric insolubil (Fe (OH) 3 ). Acest lucru determină pasivarea oțelului în locurile de oxidare anodică . Nitritul este un inhibitor de coroziune mult mai activ decât nitratul , care este un oxidant mai puțin puternic al fierului divalent.

Armarea și terminologia grinzilor

Două grinzi care se intersectează, integrate în placa de garaj de parcare, care vor conține atât oțel de armare, cât și cablajul, cutii de joncțiune și alte componente electrice necesare pentru instalarea iluminatului aerian pentru nivelul garajului de sub acesta.
Un scurt videoclip al ultimei grinzi plasate pe un drum ridicat, parte a unui drum nou lângă Cardiff Bay , Țara Galilor

Un fascicul se îndoaie în momentul de încovoiere , rezultând o mică curbură. La fața exterioară (fața de tracțiune) a curburii betonul prezintă stres de tracțiune, în timp ce la fața interioară (fața de compresie) se confruntă cu stres de compresie.

O grindă armată individual este una în care elementul de beton este întărit doar lângă fața de întindere și armătura, numită oțel de tensiune, este proiectată pentru a rezista la tensiune.

O grindă dublu armată este secțiunea în care, pe lângă armătura de tracțiune, elementul de beton este, de asemenea, armat lângă fața compresivă pentru a ajuta betonul să reziste la compresiune și să ia tensiuni. Ultima armătură se numește oțel de compresie. Atunci când zona de compresie a unui beton este inadecvată pentru a rezista momentului de compresie (moment pozitiv), trebuie să se asigure o armare suplimentară dacă arhitectul limitează dimensiunile secțiunii.

O grindă sub-armată este una în care capacitatea de întindere a armăturii de întindere este mai mică decât capacitatea combinată de compresie a betonului și a oțelului de compresie (sub-armat la fața de întindere). Atunci când elementul de beton armat este supus unui moment de încovoiere crescând, oțelul de tensiune cedează în timp ce betonul nu atinge starea sa de defecțiune finală. Pe măsură ce oțelul de tensiune cedează și se întinde, un beton „subarmat” cedează, de asemenea, într-o manieră ductilă, prezentând o mare deformare și avertizare înainte de defecțiunea sa finală. În acest caz, tensiunea de producție a oțelului guvernează proiectarea.

O grindă supra-armată este una în care capacitatea de tensiune a oțelului de tensiune este mai mare decât capacitatea de compresie combinată a betonului și a oțelului de compresie (supra-armat la fața de întindere). Deci, grinda "beton supraarmat" eșuează prin zdrobirea betonului din zona de compresie și înainte de cedarea oțelului din zona de tensiune, ceea ce nu oferă niciun avertisment înainte de eșec, deoarece eșecul este instantaneu.

O grindă armată cu echilibru este aceea în care atât zonele de compresiune, cât și zonele de tracțiune cedează la aceeași sarcină impusă pe grindă, iar betonul va zdrobi și oțelul de tracțiune va ceda în același timp. Acest criteriu de proiectare este totuși la fel de riscant ca betonul supraarmat, deoarece defecțiunea este bruscă, deoarece betonul se zdrobește în același timp cu randamentele din oțel de tracțiune, ceea ce dă un avertisment foarte mic de primejdie în caz de eșec de tensiune.

Elementele de transportare a momentelor din beton armat din oțel ar trebui să fie proiectate în mod normal pentru a fi subarmate, astfel încât utilizatorii structurii să primească avertizare de prăbușire iminentă.

Rezistența caracteristică este rezistența unui material în care mai puțin de 5% din specimen prezintă o rezistență mai mică.

Rezistența de proiectare sau rezistența nominală este rezistența unui material, inclusiv un factor de siguranță a materialului. Valoarea factorului de siguranță variază în general de la 0,75 la 0,85 în proiectarea tensiunii admisibile .

Starea limită finală este punctul teoretic de eșec cu o anumită probabilitate. Este menționat sub sarcini și rezistențe factorizate.

Structurile din beton armat sunt proiectate în mod normal în conformitate cu regulile și reglementările sau recomandările unui cod precum ACI-318, CEB, Eurocod 2 sau altele asemenea. Metodele WSD, USD sau LRFD sunt utilizate în proiectarea elementelor structurale RC. Analiza și proiectarea membrilor RC pot fi efectuate utilizând abordări liniare sau neliniare. Atunci când se aplică factori de siguranță, codurile de construcție propun în mod normal abordări liniare, dar în unele cazuri abordări neliniare. Pentru a vedea exemplele de simulare și calcul numeric neliniar, vizitați referințele:

Beton precomprimat

Betonul precomprimat este o tehnică care mărește foarte mult rezistența portantă a grinzilor de beton. Oțelul de armare din partea de jos a grinzii, care va fi supus la forțe de tracțiune în funcțiune, este pus în tensiune înainte ca betonul să fie turnat în jurul său. Odată ce betonul s-a întărit, tensiunea pe oțelul de armare este eliberată, punând o forță de compresie încorporată pe beton. Atunci când se aplică sarcini, oțelul de armare preia mai multă tensiune și forța de compresie din beton este redusă, dar nu devine o forță de întindere. Deoarece betonul este întotdeauna sub presiune, este mai puțin supus fisurilor și defecțiunilor.

Moduri comune de defectare a betonului armat din oțel

Betonul armat poate defecta din cauza rezistenței inadecvate, ducând la defecțiuni mecanice sau datorită reducerii durabilității acestuia. Ciclurile de coroziune și îngheț / dezgheț pot deteriora betonul armat slab proiectat sau construit. Când armatura se corodează, produsele de oxidare ( rugină ) se extind și tind să se descuameze, crăpând betonul și dezlegând armătura de beton. Mecanismele tipice care duc la probleme de durabilitate sunt discutate mai jos.

Defect mecanic

Crăparea secțiunii de beton este aproape imposibil de prevenit; cu toate acestea, dimensiunea și amplasarea fisurilor pot fi limitate și controlate prin armare adecvată, îmbinări de control, metodologie de întărire și proiectarea amestecului de beton. Crăparea poate permite umezelii să pătrundă și să corodeze armătura. Acesta este un eșec de întreținere în proiectarea stării limită . Crăparea este în mod normal rezultatul unei cantități inadecvate de armătură sau armătură distanțată la o distanță prea mare. Betonul se fisurează fie sub încărcare excesivă, fie din cauza efectelor interne, cum ar fi contracția termică timpurie în timp ce se întărește.

Defecțiunea finală care duce la prăbușire poate fi cauzată de zdrobirea betonului, care apare atunci când tensiunile la compresiune îi depășesc rezistența, prin cedarea sau defectarea armăturii atunci când solicitările de îndoire sau forfecare depășesc rezistența armăturii sau prin defectarea legăturii dintre beton și armare.

Carbonatarea

Crăparea zidului de beton, deoarece armarea din oțel se corodează și se umflă. Rugina are o densitate mai mică decât metalul, astfel încât se extinde pe măsură ce se formează, crăpând învelișul decorativ de pe perete, precum și deteriorând betonul structural. Spargerea materialului de pe o suprafață se numește spalling .
Vedere detaliată a scindării cauzată probabil de un strat prea subțire de beton între oțel și suprafață, însoțit de coroziune din cauza expunerii externe.

Carbonatarea sau neutralizarea este o reacție chimică între dioxidul de carbon din aer și hidroxidul de calciu și silicatul de calciu hidratat din beton.

Când este proiectată o structură de beton, este de obicei specificat capacul de beton pentru armătură (adâncimea armăturii din interiorul obiectului). Învelișul minim de beton este reglementat în mod normal de coduri de proiectare sau de construcție . Dacă armătura este prea aproape de suprafață, poate apărea o defecțiune timpurie din cauza coroziunii. Adâncimea de acoperire a betonului poate fi măsurată cu un contor de acoperire . Cu toate acestea, betonul carbonat are o problemă de durabilitate numai atunci când există, de asemenea, suficientă umiditate și oxigen pentru a provoca coroziunea electropotențială a oțelului de armare.

O metodă de testare a unei structuri pentru carbonatare este să găuriți o gaură proaspătă în suprafață și apoi să tratați suprafața tăiată cu soluție indicator de fenolftaleină . Această soluție devine roz la contactul cu betonul alcalin, făcând posibilă vizualizarea adâncimii carbonatării. Folosirea unei găuri existente nu este suficientă, deoarece suprafața expusă va fi deja carbonatată.

Cloruri

Clorurile pot favoriza coroziunea armăturii încorporate dacă sunt prezente în concentrație suficient de mare. Anionii cloruri induc atât coroziune localizată ( coroziune prin picurare ), cât și coroziune generalizată a armăturilor din oțel. Din acest motiv, ar trebui să utilizați doar apă proaspătă brută sau apă potabilă pentru amestecarea betonului, asigurându-vă că agregatele grosiere și fine nu conțin cloruri, decât amestecuri care ar putea conține cloruri.

Armătură pentru fundațiile și pereții unei stații de pompare a apelor uzate.
Paulins ucide Viaductul , Hainesburg, New Jersey, este de 115 picioare (35 m) inaltime si 1.100 de picioare (335 m) lungime, și a fost anunțat ca cea mai mare structură de beton armat din lume , atunci când a fost finalizată în 1910 , ca parte a Lackawanna Proiect linie feroviară de tăiere . Calea ferată Lackawanna a fost un pionier în utilizarea betonului armat.

Odată era obișnuit ca clorura de calciu să fie utilizată ca amestec pentru a promova instalarea rapidă a betonului. De asemenea, s-a crezut din greșeală că va preveni înghețarea. Cu toate acestea, această practică a căzut în dizgrație odată ce efectele dăunătoare ale clorurilor au devenit cunoscute. Ar trebui evitat ori de câte ori este posibil.

Utilizarea sărurilor de dezghețare pe căile rutiere, utilizate pentru scăderea punctului de îngheț al apei, este probabil una dintre principalele cauze ale eșecului prematur al punților, căilor rutiere și garajelor de parcare din beton armat sau precomprimat. Utilizarea barelor de armare cu acoperire epoxidică și aplicarea protecției catodice au atenuat într-o oarecare măsură această problemă. De asemenea, armăturile din FRP (polimer întărit cu fibre) sunt cunoscute a fi mai puțin sensibile la cloruri. Amestecurile de beton proiectate corespunzător, cărora li s-a permis să se vindece corespunzător, sunt efectiv impermeabile la efectele degivrătorilor.

O altă sursă importantă de ioni clorură este apa de mare . Apa de mare conține în greutate aproximativ 3,5% săruri. Aceste săruri includ clorura de sodiu , sulfatul de magneziu , sulfatul de calciu și bicarbonați . În apă aceste săruri se disociază în ioni liberi (Na + , Mg 2+ , Cl - , SO 4 2− , HCO 3 - ) și migrează cu apa în capilarele betonului. Ionii de clorură, care reprezintă aproximativ 50% din acești ioni, sunt deosebit de agresivi ca cauză a coroziunii barelor de armare din oțel carbon.

În anii 1960 și 1970 a fost, de asemenea, relativ obișnuit ca magnezita , un mineral carbonat bogat în cloruri , să fie folosit ca material de acoperire a podelei. Acest lucru a fost realizat în principal ca un nivel de nivelare și de atenuare a sunetului. Cu toate acestea, acum se știe că atunci când aceste materiale intră în contact cu umiditatea, produc o soluție slabă de acid clorhidric datorită prezenței clorurilor în magnezită. Pe o perioadă de timp (tipic decenii), soluția provoacă coroziune a încorporate barelor . Acest lucru a fost găsit cel mai frecvent în zonele umede sau în zone expuse în mod repetat la umiditate.

Reacție de siliciu alcalin

Aceasta este o reacție de silice amorfă ( calcedonie , chert , calcar siliceu ) prezent uneori în agregate cu ionii hidroxil (OH - ) din soluția de pori de ciment. Silice (slab cristalizat SiO 2 ) , se dizolvă și se disociază la pH ridicat (12.5-13.5) în apă alcalină. Acidul silicic disociat solubil reacționează în apa de pori cu hidroxidul de calciu ( portlandit ) prezent în pasta de ciment pentru a forma un hidrat de silicat de calciu expansiv (CSH). Reacția alcalin-silice (ASR) provoacă umflături localizate responsabile de stresul de tracțiune și crăpături . Condițiile necesare pentru reacția de siliciu alcalin sunt triple: (1) agregat care conține un constituent reactiv la alcali (silice amorfă), (2) disponibilitate suficientă de ioni hidroxil (OH - ) și (3) umiditate suficientă, peste 75% umiditate relativă (RH) în beton. Acest fenomen este uneori denumit în mod popular „ cancerul concret ”. Această reacție are loc independent de prezența armăturilor; pot fi afectate structuri masive de beton precum baraje .

Conversia cimentului cu conținut ridicat de alumină

Rezistent la acizi slabi și în special la sulfați, acest ciment se vindecă rapid și are o durabilitate și rezistență foarte ridicate. A fost folosit frecvent după cel de-al doilea război mondial pentru a realiza obiecte prefabricate din beton. Cu toate acestea, poate pierde puterea cu căldura sau timpul (conversie), mai ales atunci când nu este vindecat corespunzător. După prăbușirea a trei acoperișuri realizate din grinzi de beton precomprimat care utilizează ciment cu conținut ridicat de alumină, acest ciment a fost interzis în Marea Britanie în 1976. Cercetările ulterioare în această privință au arătat că grinzile au fost fabricate necorespunzător, dar interdicția a rămas.

Sulfati

Sulfații (SO 4 ) din sol sau din apele subterane, în concentrație suficientă, pot reacționa cu cimentul Portland în beton provocând formarea de produse expansive, de exemplu, ettringit sau taumazit , care pot duce la defectarea timpurie a structurii. Cel mai tipic atac de acest tip se află pe plăcile de beton și pereții de fundație la niveluri în care ionul sulfat, prin udare și uscare alternativă, poate crește în concentrație. Pe măsură ce concentrația crește, poate începe atacul asupra cimentului Portland. Pentru structurile îngropate, cum ar fi țeava, acest tip de atac este mult mai rar, în special în estul Statelor Unite. Concentrația ionilor de sulfat crește mult mai lent în masa solului și depinde în special de cantitatea inițială de sulfați din solul nativ. În timpul fazei de proiectare a oricărui proiect care implică beton în contact cu solul nativ ar trebui efectuată o analiză chimică a forajelor solului pentru a verifica prezența sulfaților. Dacă se constată că concentrațiile sunt agresive, pot fi aplicate diferite acoperiri de protecție. De asemenea, în SUA ASTM C150 tip 5 ciment Portland poate fi utilizat în amestec. Acest tip de ciment este conceput pentru a fi deosebit de rezistent la un atac de sulfat.

Construcție placă de oțel

În construcția plăcilor de oțel, șnururile se alătură plăcilor de oțel paralele. Ansamblurile de plăci sunt fabricate în afara amplasamentului și sudate împreună la fața locului pentru a forma pereți de oțel conectați prin șnururi. Pereții devin forma în care se toarnă betonul. Construcția plăcilor de oțel accelerează construcția de beton armat prin tăierea pașilor manuali care necesită mult timp pentru legarea armăturii și a formelor de construcție. Metoda are ca rezultat o rezistență excelentă, deoarece oțelul este la exterior, unde forțele de tracțiune sunt adesea cele mai mari.

Beton armat cu fibre

Armătura cu fibre este utilizată în principal în beton , dar poate fi utilizată și în beton normal. Betonul normal armat cu fibre este utilizat în cea mai mare parte pentru etajele și pavajele de la sol, dar poate fi luat în considerare și pentru o gamă largă de piese de construcție (grinzi, stâlpi, fundații etc.), fie singure, fie cu armături legate manual.

Betonul armat cu fibre (care sunt de obicei fibre de oțel, sticlă , plastic ) sau fibre polimerice de celuloză este mai puțin costisitor decât armătura legată manual. Forma, dimensiunea și lungimea fibrei sunt importante. O fibră subțire și scurtă, de exemplu fibră de sticlă scurtă, în formă de păr, este eficientă numai în primele ore după turnarea betonului (funcția sa este de a reduce fisurarea în timp ce betonul se rigidizează), dar nu va crește rezistența la întindere a betonului . O fibră de dimensiuni normale pentru betonul european (1 mm diametru, 45 mm lungime - oțel sau plastic) va crește rezistența la întindere a betonului. Armătura cu fibre este folosită cel mai adesea pentru a completa sau înlocui parțial armătura primară și, în unele cazuri, poate fi proiectată pentru a înlocui complet armătura.

Oțelul este cea mai puternică fibră disponibilă în mod obișnuit și are diferite lungimi (30 până la 80 mm în Europa) și forme (cârlige de capăt). Fibrele de oțel pot fi utilizate numai pe suprafețe care pot tolera sau evita coroziunea și petele de rugină. În unele cazuri, o suprafață din fibră de oțel este confruntată cu alte materiale.

Fibra de sticlă este ieftină și rezistentă la coroziune, dar nu la fel de ductilă ca oțelul. Recent, fibra de bazalt filată , disponibilă de mult în Europa de Est , a devenit disponibilă în SUA și Europa de Vest. Fibra de bazalt este mai puternică și mai puțin costisitoare decât sticla, dar istoric nu a rezistat suficient mediului alcalin al cimentului Portland pentru a fi folosită ca armare directă. Noile materiale utilizează lianți din plastic pentru a izola fibra de bazalt de ciment.

Fibrele premium sunt fibre de plastic armate cu grafit , care sunt aproape la fel de puternice ca oțelul, cu o greutate mai ușoară și rezistente la coroziune. Unele experimente au avut rezultate promițătoare timpurii cu nanotuburile de carbon , dar materialul este încă mult prea scump pentru orice clădire.

Armături din oțel

Există o suprapunere considerabilă între subiectele armăturii din oțel și armăturii cu fibră a betonului. Introducerea armăturii non-oțel a betonului este relativ recentă; ia două forme majore: tije de armătură nemetalice și fibre nemetalice (de obicei, de asemenea, nemetalice) încorporate în matricea de ciment. De exemplu, există un interes crescând pentru betonul armat cu fibră de sticlă (GFRC) și pentru diverse aplicații ale fibrelor polimerice încorporate în beton. Deși în prezent nu există prea multe sugestii că astfel de materiale vor înlocui armătura metalică, unele dintre ele au avantaje majore în aplicații specifice și există, de asemenea, noi aplicații în care armătura metalică pur și simplu nu este o opțiune. Cu toate acestea, proiectarea și aplicarea armăturilor din oțel sunt pline de provocări. În primul rând, betonul este un mediu foarte alcalin, în care multe materiale, inclusiv cele mai multe tipuri de sticlă, au o durată de viață slabă . De asemenea, comportamentul acestor materiale de armare diferă de comportamentul metalelor, de exemplu în ceea ce privește rezistența la forfecare, fluajul și elasticitatea.

Plasticul / polimerul armat cu fibre (FRP) și plasticul armat cu sticlă (GRP) constau din fibre de polimer , sticlă, carbon, aramidă sau alți polimeri sau fibre de înaltă rezistență așezate într-o matrice de rășină pentru a forma o tijă de armare sau o rețea, sau fibre. Aceste armături sunt instalate în același mod ca armăturile din oțel. Costul este mai mare, dar, aplicate corespunzător, structurile prezintă avantaje, în special o reducere dramatică a problemelor legate de coroziune , fie prin alcalinitatea intrinsecă a betonului, fie prin fluide corozive externe care ar putea pătrunde în beton. Aceste structuri pot fi semnificativ mai ușoare și de obicei au o durată de viață mai lungă . Costul acestor materiale a scăzut dramatic de la adoptarea lor pe scară largă în industria aerospațială și de către armată.

În special, tijele din FRP sunt utile pentru structuri în care prezența oțelului nu ar fi acceptabilă. De exemplu, mașinile RMN au magneți uriași și, în consecință, necesită clădiri nemagnetice . Din nou, casetele de taxare care citesc etichete radio au nevoie de beton armat transparent pentru undele radio . De asemenea, în cazul în care durata de viață a structurii de beton este mai importantă decât costurile sale inițiale, armarea din oțel are adesea avantajele sale, în cazul în care coroziunea oțelului de armare este o cauză majoră a defectării. În astfel de situații, armarea rezistentă la coroziune poate prelungi viața unei structuri în mod substanțial, de exemplu în zona intertidal . Lansetele din FRP pot fi utile și în situații în care este posibil ca structura de beton să fie compromisă în anii următori, de exemplu marginile balcoanelor la înlocuirea balustradelor și podelele băii în construcția cu mai multe etaje în care durata de viață a structurii pardoselii este probabil să fie de multe ori durata de viață a membranei clădirii impermeabilizante .

Armătura din plastic este adesea mai puternică sau cel puțin are un raport mai bun rezistență / greutate decât oțelurile de armare. De asemenea, deoarece rezistă la coroziune, nu are nevoie de un capac de protecție din beton la fel de gros ca armătura din oțel (de obicei 30 până la 50 mm sau mai mult). Prin urmare, structurile armate cu FRP pot fi mai ușoare și pot dura mai mult. În consecință, pentru unele aplicații, costul întregii vieți va fi competitiv la preț cu betonul armat cu oțel.

Cele Proprietățile materiale ale FRP sau GRP bare diferă considerabil de oțel, astfel încât există diferențe în considerațiile de proiectare. Barele din FRP sau GRP au rezistență la tracțiune relativ mai mare, dar rigiditate mai mică, astfel încât deviațiile sunt probabil mai mari decât pentru unitățile echivalente armate cu oțel. Structurile cu armare internă din FRP au de obicei o deformabilitate elastică comparabilă cu deformabilitatea plastică (ductilitate) a structurilor armate din oțel. Eșecul în ambele cazuri este mai probabil să apară prin comprimarea betonului decât prin ruperea armăturii. Devierea este întotdeauna o considerație majoră de proiectare pentru betonul armat. Limitele de deformare sunt stabilite pentru a se asigura că lățimile fisurilor din betonul armat cu oțel sunt controlate pentru a împiedica apa, aerul sau alte substanțe agresive să ajungă la oțel și să provoace coroziune. Pentru betonul armat cu FRP, estetica și, eventual, etanșeitatea la apă vor fi criteriile limitative pentru controlul lățimii fisurilor. Lansetele din FRP au, de asemenea, rezistențe la compresiune relativ mai mici decât armăturile din oțel și, în consecință, necesită abordări de proiectare diferite pentru coloanele din beton armat .

Un dezavantaj al utilizării armăturii FRP este rezistența limitată la foc. În cazul în care siguranța la incendiu este o considerație, structurile care utilizează FRP trebuie să își mențină rezistența și ancorarea forțelor la temperaturi de așteptat în caz de incendiu. Pentru protecția împotriva incendiilor , este necesară o grosime adecvată a capacului de beton din ciment sau a placării de protecție. Adăugarea a 1 kg / m 3 de fibre de polipropilenă la beton s-a dovedit a reduce spallarea în timpul unui incendiu simulat. (Se consideră că îmbunătățirea se datorează formării căilor din partea cea mai mare a betonului, permițând disiparea presiunii aburului.)

O altă problemă este eficiența întăririi forfecare. Etrierele din armătură din FRP formate prin îndoire înainte de întărire sunt în general relativ slabe în comparație cu etrierii din oțel sau cu structurile cu fibre drepte. Când este tensionată, zona dintre regiunile drepte și curbate este supusă unor solicitări puternice de îndoire, forfecare și longitudinale. Pentru a rezolva astfel de probleme sunt necesare tehnici speciale de proiectare.

Există un interes din ce în ce mai mare în aplicarea armăturilor externe structurilor existente folosind materiale avansate, cum ar fi armăturile compozite (fibră de sticlă, bazalt, carbon), care pot conferi o rezistență excepțională. La nivel mondial, există o serie de mărci de armături compozite recunoscute de diferite țări, cum ar fi Aslan, DACOT, V-rod și ComBar. Numărul de proiecte care utilizează armături compozite crește zi de zi în întreaga lume, în țări care variază de la SUA, Rusia și Coreea de Sud până la Germania.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare