Главная » Исследования » Проблемы армирования бетона стальной арматурой и их решение
Источник: iflscience.com.

Проблемы армирования бетона стальной арматурой и их решение

Гай Кулеманс, ассоциированный преподаватель Университета Нового Южного Уэльса в Австралии (Сидней) обратился к проблеме, которая существует не одну сотню лет – недостатки армирования бетонных конструкций стальной арматурой.

Сам по себе бетон, подчеркивает Кулеманс, очень надежный строительный материал. Фантастический Пантеон в Риме, самый большой купол в мире из неармированного бетона, сохранился в превосходном состоянии и через 1900 лет. Но все же многие бетонные строения прошлого века – мосты, дороги и здания – разрушаются. Много бетонных конструкций, построенных в начале этого века, устареют раньше, чем он придет к концу.

Учитывая живучесть древних сооружений, это любопытный факт. Решающее отличие – использование в современных сооружениях стального укрепления, известного как армирование, которое скрывают внутри бетона. Сталь сделана в основном из железа, а одно из непременных свойств этого металла – ржавление. Оно разрушает долговечность бетонных конструкций так, что возникшие дефекты сложно обнаружить и дорого ликвидировать.

Хотя восстановление может быть оправданным при сохранении архитектурного наследия ХХ века в виде культовых зданий, вроде творений поклонника железобетона Фрэнка Ллойда Райта, вряд ли такие действия будут оправданными экономически или целесообразными для подавляющего большинства зданий. Роберт Курлянд в книге «Планета бетона» прикинул, что затраты на ремонт и восстановление бетонных конструкций только в США обойдутся в триллионы долларов, которые заплатят будущие поколения.

Источник: CC BY-NC

Источник: CC BY-NC

Армирование сталью стало грандиозным новшеством 19 века. Стальные пруты усиливают бетон, позволяя создавать длинные консольные конструкции и более тонкие плиты с меньшим числом опор. Это ускоряет время строительства, поскольку для оливки таких плит требуется меньше бетона.

Эти качества, продвигавшиеся напористой и порой двуличной рекламой бетонной отрасли в начале ХХ века, привели к огромной популярности бетона.

Железобетон конкурирует с более долговечными строительными технологиями, такими, как стальные конструкции или традиционные кирпич и цемент. Во всем мире он заменил экологичные низкоуглеродистые материалы на подобие глинобитного кирпича и уплотненного связного грунта.
В начале ХХ века инженеры думали, что железобетонные конструкции простоят очень долго, возможно, тысячи лет. На самом деле их жизненный цикл ближе к 50-100 годам, а иногда и меньше. Строительные нормы и правила обычно требуют, чтобы здание стояло несколько десятилетий, но повреждения могут появится уже через 10 лет.

Многие инженеры и архитекторы указывают на естественное сходство стали и бетона: у них похожие характеристики теплового расширения, а щёлочность бетона может сдерживать ржавчину. Но по-прежнему не хватает данных о результирующих свойствах, например, при изменениях температуры, связанных с инсоляцией.

Множество альтернативных армированному бетону материалов – нержавеющая сталь, алюминиевая бронза и армированные минеральными волокнами композиты – до сих пор не нашли широкого применения. Строителей привлекает доступность армирования обычной сталью. Но многие проектировщики и застройщики не учитывают дополнительные затраты на обслуживание, ремонт или восстановление конструкций.

Источник: CC BY-SA

Источник: CC BY-SA

Существуют технологии, помогающие решить проблему стальной коррозии, типа катодной защиты, при которой на всю конструкцию подается антикоррозионный электрический ток. Также существуют интересные новые методы для контроля коррозии электрическими или акустическими способами.

Другой вариант заключается в том, чтобы применять бетон вместе с антикоррозионным комплексом, хотя последний может быть токсичным и неприемлемым для строений. Есть несколько новых нетоксичных замедлителей, включая комплексы, извлеченные из бамбука или полученные бактериальным способом «биомолекулы».

Однако ни один из этих методов не может раз и навсегда решить проблему краха потенциально огромной долговечности бетона при его армировании сталью.

Затраты на охрану окружающей среды

Существуют серьезные последствия для планеты. Бетон – третий по величине источник выбросов углекислого газа после автомобилей и работающих на угле электростанций. Одни только предприятия по производству цемента отвечают за 5% мировых выбросов CO₂. Также бетон занимает самую большую долю строительных отходов и мусора при демонтаже, составляя третью часть отходов на мусорных свалках.

Переработка бетона трудная и дорогая, она уменьшает его прочность и может запустить химические реакции, ускоряющие разрушение материала. Миру нужно снизить производство бетона, но это невозможно без строительства долговечных конструкций.

Источник: Anna Frodesiak/Wikimedia Commons

Источник: Anna Frodesiak/Wikimedia Commons

Можно предположить, что широкое распространение армированного бетона выражает традиционное доминирующее и, в конечном счете, разрушительное представление об этом материале как инертном. Но на самом деле армированный бетон не инертный.

Бетон обычно воспринимают как похожий на камень, монолитный и однородный материал. На самом деле это сложное соединение обожжённого известняка, глиноподобных материалов и разнообразных каменных или песчаных фракций. Сам по себе известняк – это осадочная порода, состоящая из ракушек и кораллов, на формирование которой влияет множество биологических, геологических и климатических факторов.

Это означает, что бетонные конструкции, несмотря на всю их внешнюю схожесть с камнем, на самом деле сделаны из скелетов морских существ, перемолотых с камнем. На то, чтобы пожить, умереть и превратиться в известняк, этим морским существам понадобились миллионы лет. Такие временные границы резко контрастируют с долговечностью современных зданий.

Сталь часто воспринимают также как инертный и стойкий материал. Такие понятия, как «Железный век», подразумевают многовековую долговечность, хотя археологические находки этого периода сравнительно редкие как раз потому, что они ржавеют. Если конструкционная сталь видна, она может быть защищена, например, как неоднократно покрашенный и перекрашенный мост Харбор-Бридж в Сиднее.

Однако, когда сталь заделана в бетон, она скрыта, но втайне активная. Влага, проходящая через тысячи крошечных трещин, создает электрохимическую реакцию. Один конец арматуры становится анодом, а второй – катодом, образуя «батарею», которая запускает процесс превращения железа в ржавчину. Ржавчина может в несколько раз расширить арматуру, увеличив трещины и заставляя бетон лопаться на куски в процессе выкрашивания, более известном как «рак бетона».

Пора менять взгляды и считать бетон и сталь динамичными и активными материалами. Это не повод изменять какие-то данные, а скорее переосмысливание того, как мы их понимаем и как действуем, опираясь на них. Попытка избежать отходов, загрязнения и бесполезного восстановления потребует взглядов, выходящих далеко за рамки современных отраслевых представлений, что особенно актуально для строительной промышленности.

"Рак бетона". Источник: Sarang/Wikimedia Commons

«Рак бетона». Источник: Sarang/Wikimedia Commons

Рухнувшие цивилизации показывают нам результат краткосрочных суждений. Мы должны сосредоточить внимание на строительных конструкциях, которые выдержат испытание временем, чтобы не остаться в итоге с нескладным, заброшенным наследием прошлого, пригодного для использования по первоначальному предназначению не больше, чем статуи с острова Пасхи.

О Oksana Tkachenko

x

Читайте также

Сравнение результатов получения композиционных асфальтобетонных смесей дисперсно-армированых с добавкой базальтового фиброволокна

Сравнение результатов получения композиционных асфальтобетонных смесей дисперсно-армированых с добавкой базальтового фиброволокна

В процессе выполнения работы подобраны составы композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей и определено влияние на их свойства базальтовой фибры с различной плотностью, проведены эксперименты по отработке режимов приготовления и введения базальтовой фибры в состав смеси.