Вышегородцев А.Г. СЕКЦИЯ "Архитектура и городское строительство"

[Кулешова А.И.]

УДК 1418

Вышегородцев А.Г. (Россия, г. Рязань, Рязанский институт (филиал) Московского Политехнического Университета)
Vyshegorodtsev A.G. (Russia, Ryazan, Ryazan Institute (branch) Moscow Polytechnic University)

АНАЛИЗ И АКТУАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
ANALYSIS AND ACTUAL SOLUTIONS TO THE PROBLEMS OF REINFORCED CONCRETE

Аннотация: в статье рассматриваются структура бетона, его ключевые способности, выделяются основные недостатки, а также способы их решения.
Abstract: the article examines the structure of concrete, its key abilities, highlights the main disadvantages, as well as ways to solve them.
Ключевые слова: бетон, недостаток, проблема, прочность, арматура.
Key words: concrete, disadvantage, problem, strength, reinforcement.

Железобетон широко используется в современном строительстве для создания конструкций, которые должны выдерживать значительные механические нагрузки. Сочетание бетона, обладающего высокой прочностью на сжатие, и арматуры, обеспечивающей прочность на растяжение, позволило железобетону стать универсальным и экономичным материалом для строительных объектов разного назначения [1]. Он применяется при возведении жилых домов, мостов, дорог, гидротехнических сооружений и других объектов, обеспечивая их долгосрочную эксплуатацию и безопасность.
Однако, несмотря на свою универсальность и долговечность, железобетон сталкивается с рядом проблем, таких как коррозия армирования, трещинообразование и т.д. Актуальность решения этих проблем возрастает с каждым годом, и необходимо постоянно искать новые материалы и методы для улучшения характеристик железобетона. Рассмотрим более подробно эти недостатки и возможные способы их решения:
Коррозия арматуры
Она является одной из самых серьезных и актуальных проблем в эксплуатации железобетонных конструкций. Арматура, предназначенная для обеспечения прочности бетона на растяжение, со временем может подвергаться разрушению из-за воздействия внешних факторов. Процесс коррозии значительно снижает механическую прочность конструкций, вызывает трещинообразование и разрушение бетона, что в свою очередь угрожает безопасности зданий и сооружений.
Для борьбы с коррозией арматуры разработано несколько эффективных методов защиты. Один из них — использование антикоррозийных покрытий для арматуры [2], таких как эпоксидные и полиуретановые покрытия. Эти покрытия создают защитный барьер между арматурой и внешней средой, предотвращая контакт с влагой и агрессивными веществами, что существенно замедляет процесс коррозии. Другим важным решением является применение композитных армирующих материалов (углеродное и стекловолоконное армирование), которые не подвержены коррозии, имеют высокую прочность и способны значительно повысить долговечность конструкций, особенно в сложных эксплуатационных условиях, таких как мосты и морские сооружения.
Кроме того, эффективным методом защиты является внедрение в бетон коррозионностойких добавок — ингибиторов коррозии. Эти добавки замедляют процесс разрушения арматуры и повышают устойчивость бетона к внешним воздействиям.
Способы повышения прочности бетона
Прочность бетона является одним из ключевых факторов, определяющих его долговечность и устойчивость к внешним воздействиям. Для повышения прочностных характеристик бетона используются различные добавки, которые значительно улучшают его механические свойства, такие как прочность на сжатие, растяжение и изгиб, а также устойчивость к износу и воздействию внешних факторов. Одной из самых популярных и эффективных добавок является микрокремнезём (или аморфный кремнезем) [3], представляющая собой мелкодисперсный материал, получаемый при производстве ферросплавов. Микрокремнезём значительно улучшает плотность бетона, уменьшая его пористость и повышая прочность на сжатие. Она способствует гидратации цемента, образуя дополнительные химические связи, которые усиливают прочность и устойчивость бетона. Это делает бетон более устойчивым к воздействию воды, кислотных и щелочных веществ, а также к воздействию замораживания и оттаивания.
Важными добавками для повышения прочности являются пластификаторы и суперпластификаторы, которые уменьшают количество воды в бетонной смеси при сохранении необходимой подвижности.
Пластификаторы — это вещества, которые увеличивают подвижность бетонной смеси, позволяя уменьшить количество воды, необходимое для достижения требуемой консистенции, при сохранении необходимой текучести [4]. Применение пластификаторов позволяет улучшить распределение цементных частиц в смеси, тем самым улучшая контакт между частицами и повышая прочность бетона на сжатие. Пластификаторы особенно полезны в тех случаях, когда необходимо добиться высокой плотности бетона, снижая пористость и увеличивая его устойчивость к внешним воздействиям, таким как воздействие влаги и агрессивных химических веществ. Эти добавки часто используются в производстве бетонов для строительных конструкций, где важно обеспечить хорошее уплотнение и отсутствие трещин на поверхности.
Суперпластификаторы — это более мощные добавки, чем пластификаторы, и они способны значительно увеличить подвижность бетонной смеси при сохранении низкого водоцементного отношения. Суперпластификаторы позволяют добиться высокой прочности бетона без необходимости увеличивать количество цемента, что делает их эффективными с точки зрения экономии ресурсов. Они обеспечивают улучшенную укладку и уплотнение смеси, что также способствует повышению долговечности бетонных конструкций. Суперпластификаторы обладают уникальной способностью значительно уменьшать водоцементное отношение, что ведет к уменьшению пористости бетона и повышению его прочности на сжатие, устойчивости к морозам, воздействию химических веществ и износу.
Пластификаторы и суперпластификаторы могут быть на основе различных химических соединений, таких как лигносульфонаты, поликарбоксилаты, сульфитные и карбоновые соединения. Применение этих добавок значительно улучшает технологические характеристики бетона, позволяет более эффективно использовать цемент и улучшает его свойства, что делает конструкции более долговечными и надежными. Использование суперпластификаторов в современных строительных проектах, например, при возведении монолитных конструкций, сооружений с высокой прочностью и долговечностью, а также в условиях ограниченного времени для укладки и твердения бетона, стало стандартом в современной строительной практике.
Для повышения прочности бетона на растяжение и устойчивости к образованию трещин широко используются волокна. Они играют важную роль в улучшении его механических свойств, таких как прочность на растяжение, устойчивость к трещинообразованию и износостойкость. Эти волокна не заменяют традиционную арматуру, а дополняют ее, значительно повышая прочностные характеристики бетона. В зависимости от материала, из которого они изготовлены, волокна могут быть стеклянными, углеродными, полипропиленовыми, стальными или базальтовыми.
Стеклянные волокна увеличивают прочность бетона, предотвращая образование трещин и повышая его сопротивление внешним механическим воздействиям, что особенно важно в условиях с высокой влажностью и химическими агрессорами.
Полипропиленовые волокна играют ключевую роль на ранних стадиях твердения бетона, предотвращая образование трещин, вызванных усадкой, и помогают улучшить прочность и стабильность материала. Эти волокна также способствуют улучшению долговечности бетона, повышая его устойчивость к воздействию переменных температур и влажности.
Углеродные волокна обладают высокой прочностью и стойкостью к агрессивным воздействиям, таким как коррозия, что делает их идеальными для применения в бетоне, который будет эксплуатироваться в сложных и экстремальных условиях, например, в морской среде, на мостах и других конструкциях, подверженных высокой нагрузке и воздействию химических веществ.
Стальные волокна значительно увеличивают прочность бетона на сдвиг, делают его более устойчивым к механическим повреждениям и улучшат сопротивление износу, что особенно важно для бетонных конструкций, подвергающихся высоким динамическим и ударным нагрузкам, таких как автомобильные дороги и аэродромы.
Базальтовые волокна, благодаря высокой термостойкости и химической стойкости, применяются в особых условиях, таких как высокая температура или воздействие агрессивных веществ. Волокна помогают создать более равномерное распределение напряжений в бетоне, что повышает его устойчивость к трещинообразованию и улучшает общую прочность.
Использование волокон в бетонных смесях позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики бетона, снижая вероятность появления трещин, улучшая его механическую прочность и долговечность, а также повышая устойчивость к разнообразным внешним воздействиям.
Инновационные виды бетона
Современные исследования в области бетона привели к разработке нескольких и видов материала, которые значительно расширяют возможности его применения и предлагают новые решения для различных строительных задач.
Гибкий бетон — это материал, который сочетает в себе прочность традиционного бетона и эластичность, позволяя ему выдерживать деформации и растяжение, не теряя своей целостности. Это возможно благодаря добавкам, таким как полимерные волокна или углеродные нановолокна, которые распределяются по матрице бетона и помогают ему адаптироваться к изменениям формы. Это особенно важно для конструкций, подверженных динамическим и циклическим нагрузкам, например, для мостов, фасадов зданий и дорожных покрытий.
Ультра-высокопрочный бетон (УВБ) обладает исключительными механическими характеристиками, такими как высокая прочность на сжатие, стойкость к воздействиям внешней среды и долговечность. Это достигается за счет использования специфических добавок, таких как наночастицы, которые укрепляют структуру бетона и позволяют использовать его в самых нагруженных конструкциях, таких как аэродромы, мосты и крупные инженерные сооружения. Этот бетон применяется там, где требуется высокая прочность, долговечность и устойчивость к разрушению при сильных внешних нагрузках, таких как землетрясения, перепады температур или воздействие химических веществ.
Самовосстанавливающийся бетон — это одна из самых передовых разработок в строительной отрасли. Этот бетон имеет способность восстанавливать свою целостность после образования трещин или повреждений, что значительно увеличивает его долговечность и снижает потребность в ремонте [5]. Это достигается за счет добавления в состав бетона специальных микроорганизмов, бактерий или капсул с химическими веществами, которые активируются при контакте с влагой и начинают заполнять образовавшиеся трещины. Такой бетон особенно эффективен в конструкциях, подвергающихся воздействию воды или экстремальных температур, таких как мосты, тоннели или подземные сооружения. Он может значительно продлить срок службы объектов, снизить эксплуатационные расходы и сократить количество строительных отходов, связанных с ремонтом или реконструкцией поврежденных конструкций.
Все эти новые виды бетона — гибкий, ультра-высокопрочный, легкий, самовосстанавливающийся и с памятью формы — представляют собой значительный шаг вперед в строительных технологиях. Они не только предлагают более устойчивые и долговечные решения для сложных конструкций, но и открывают новые возможности для создания более энергоэффективных, экологичных и безопасных зданий и инфраструктуры. Внедрение таких инновационных материалов способствует развитию устойчивого строительства и отвечает на вызовы, стоящие перед современной архитектурой и инженерией.
Заключение
В результате проведенного анализа было установлено, что, несмотря на широкое использование железобетона в строительстве, данный материал сталкивается с рядом проблем, влияющих на его долговечность и надежность. Эти проблемы требуют комплексного подхода к решению, включая как усовершенствование материалов, так и инновационные методы защиты и эксплуатации. Отсутствие единого универсального решения для всех случаев эксплуатации железобетона подчеркивает важность постоянного совершенствования технологий и материалов.

Библиографический список

1. Железобетон [Электронный ресурс] / режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Reinforced_concrete (дата обращения 24.01.2025). – Текст: электронный.
2. Булков, А. С. Защита от коррозии арматурной стали железобетонных конструкций транспортных сооружений / М. А. Баев, И. Г. Овчинников // Интернет-журнал «Транспортные сооружения» – 2020. – №1. – С. 2-17.
3. Микрокремнезём и его применение [Электронный ресурс] / режим доступа: http://agrotermal.ru/images/stat/18.pdf (дата обращения 24.01.2025). – Текст: электронный
4. Пластификаторы [Электронный ресурс] / режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Plasticizer (дата обращения 24.01.2025). – Текст: электронный.
5. Самовосстанавливающийся бетон [Электронный ресурс] / режим доступа https://en.wikipedia.org/wiki/Self-healing_concrete (дата обращения 24.01.2025). – Текст: электронный.