Jak zapewnić trwałą i dobrą współpracę betonu ze zbrojeniem? ZADANIA INŻYNIERA.
Co decyduje o dobrej współpracy betonu i stali?
Zasadniczą niedoskonałością betonu jako materiału konstrukcyjnego (dotyczy to także innych podobnych mu strukturalnie materiałów, np. kamienia, ceramiki) jest jego bardzo mała wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu z wytrzymałością na ściskanie. Ta dysproporcja jest z reguły kilkunastokrotna. Ogranicza to zatem w sposób istotny jego samodzielne użycie do wykonywania elementów, w których wskutek oddziaływań zewnętrznych mogą się pojawić naprężenia rozciągające (płyty, żebra, podciągi, ramy itp.). Teoretycznie ten brak można oczywiście uzupełnić materiałem o dobrej wytrzymałości na rozciąganie (np. stal), pod warunkiem jednak że zapewniona będzie odpowiednia, dobra współpraca między tymi dwoma komponentami. O istocie żelbetu decyduje zatem mechanizm współpracy między betonem a stalą, którą zasadniczo osiąga się dzięki przyczepności, czyli zdolności do przeciwstawienia się wzajemnemu przemieszczaniu stali i otaczającego ją betonu albo prościej – oporowi stawianemu na powierzchni styku obu materiałów siłom wyrywającym pręt zbrojeniowy z betonu.
Fot. Proces wbudowywania mieszanki betonowej w elemencie o gęstym układzie prętów w szkielecie zbrojenia
| Żelbet jako połączenie dwóch komponentów o bardzo odmiennych, ale wzajemnie uzupełniających się właściwościach stał się w połowie XIX w. materiałem konstrukcyjnym niemal doskonałym. Choć dzisiaj wydaje się nam, że używany był od zawsze, to dopiero wtedy dwóch niezależnych od siebie wynalazców francuskich (L. Lambott 1848 r. i J. Monier 1867 r.) odkryło możliwość świadomego ich połączenia, a podstawy teoretyczne charakteru pracy takiej konstrukcji opracowano na przełomie XIX i XX w. Stało się to także w niedługim czasie po odkryciu i opatentowaniu cementu portlandzkiego (J. Aspidin 1824 r.), umożliwiającego masową produkcję betonu konstrukcyjnego.
Pierwsza połowa XX w. przyniosła z kolei rozwiązanie problemu zasadniczej wady żelbetu, czyli podatności na zarysowanie (znaczne odkształcenia) w strefach naprężeń rozciągających. Osiągnięto to dzięki odkryciu możliwości sprężenia betonu, zapewniającego w nim wyłącznie naprężenia ściskające w każdej fazie pracy konstrukcji. Pozwoliło to na zapewnienie szczelności i trwałości konstrukcji, a także na realizację elementów o dużych rozpiętościach. |
Powszechnie wiadomo i tak też kojarzą się pręty zbrojeniowe przeciętnemu użytkownikowi, że ich powierzchnia jest użebrowana, przez co intuicyjnie uznajemy, iż ich przyczepność jest lepsza niż w przypadku prętów o gładkiej powierzchni. Żeberka na powierzchni prętów nie są jednak niezbędne do dobrej współpracy tych
dwóch materiałów, bo przecież gdy dokonywano wynalazku żelbetu, to dysponowano wyłącznie gładkimi prętami. Przyczepność bowiem zawdzięczamy przede wszystkim dwóm czynnikom:
- adhezji dzięki przyciąganiu międzycząsteczkowemu oraz wzajemnym reakcjom chemicznym przylegających do siebie powierzchni betonu i zbrojenia, a także
- dociskowi otaczającego pręt betonu wskutek jego naturalnego skurczu.
Czynnik pierwszy, czyli wzajemne reakcje chemiczne w strefie styku są efektem wysokoalkalicznego środowiska, jakie tworzy od samego początku dojrzewania beton wobec powstającego w wyniku reakcji chemicznych wodorotlenku wapniowego. To właśnie takie warunki sprzyjają pokrywaniu się powierzchni stalowego zbrojenia szorstką warstewką pasywną, złożoną z tlenków żelaza (rys. 1). Oprócz poprawy adhezji te tlenkowe powłoczki pełnią drugą niezmiernie ważną funkcję z punktu widzenia właściwej współpracy dwóch komponentów tworzących żelbet – stanowią doskonałą ochronę antykorozyjną dla wbudowanej w betonie stali. Zjawisko, które zachodzi samoistnie, można by porównać do celowego malowania powierzchni stali preparatami antykorozyjnymi, w których składzie z reguły używane są właśnie tlenki metali. Efekt ochronny ma jednak pewne ograniczenia spowodowane postępującą w czasie nieuchronną karbonatyzacją eksploatowanego betonu, prowadzącą do stopniowego zobojętnienia wcześniej mocno zasadowego środowiska.
Współpraca betonu i stali. Rys. 1. Mechanizm ochrony korozyjnej stali w betonie. Rys. 2. Poprawa przyczepności betonu do stali dzięki skurczowi betonu
Czynnik z drugi, czyli docisk otaczającego pręt betonu, wywołany jest skurczem dojrzewającego betonu. O ile skurcz betonu budzi zawsze negatywne skojarzenia, o tyle w tym (jedynym!) przypadku jest zjawiskiem pozytywnym, a nawet pożądanym. Im większy, tym mocniej zaciska się na pręcie (rys. 2), zwiększając tym samym opór stawiany siłom wyrywającym.
W dalszej części artykułu:
- Zasady projektowania i wymiarowania konstrukcji żelbetowych ustalone w Eurokodzie 2
- Dobra współpraca betonu i stali na etapie projektowania
- Współpraca betonu i stali na etapie wykonawstwa
 |
dr inż. Grzegorz Bajorek, prof. PRz Politechnika Rzeszowska Centrum Technologiczne Budownictwa Instytut Badań i Certyfikacji |
 |
dr inż. Zbigniew Plewako Politechnika Rzeszowska |
Zobacz:
Czy zbrojenia niemetaliczne będą coraz popularniejsze?
Spawanie prętów do zbrojenia betonu – nowa jakość i wymagania
Płyta konstrukcyjna z betonu zbrojonego włóknami stalowymi
