Для каких целей изобрели арматуру

Бетон выдерживает огромное давление, но плохо переносит растяжение: балка из чистого бетона треснет снизу под собственным весом и нагрузкой. Арматура появилась, чтобы взять растяжение на себя, и началось всё с цветочных горшков.

Слабое место бетона

Обычный бетон прочен на сжатие: типичная марка держит около 28 МПа. На растяжение он работает намного хуже, и в растянутой зоне быстро появляются трещины. Если положить бетонную балку на две опоры и нагрузить, верх сжимается, а низ растягивается — именно там она и ломается.

Сталь работает на растяжение хорошо. Если уложить стальные стержни в растянутую зону, бетон берёт на себя сжатие, а сталь — растяжение. Так получается железобетон, в котором арматура — совокупность стержней, сеток и каркасов, работающих вместе с бетоном.

От железных связей к железобетону

Железом укрепляли кладку задолго до появления современного бетона. Римляне использовали железные или деревянные стержни в арках, средневековые строители ставили железные тяги и анкерные пластины в своды и купола. В Венсенском замке XIV века около 2500 метров железных связей.

Железобетон в нынешнем смысле появился в середине XIX века почти одновременно во Франции и Англии. Жозеф-Луи Ламбо строил в Париже железобетонные лодки. Франсуа Куанье в 1853–1855 годах возвёл в Сен-Дени четырёхэтажный дом с железом в стенах, а английский строитель Уильям Уилкинсон в 1854 году армировал перекрытия и крышу собственного дома, и по расположению стержней видно, что он понимал, где возникает растяжение.

Самое известное имя — французский садовник Жозеф Монье. В 1867 году он запатентовал цветочные кадки с проволочной сеткой внутри бетона, а в 1877-м — сетку из железных стержней для колонн и балок. Понимал ли он сам, что выигрывает именно в прочности на растяжение, до конца неясно. В том же 1877 году американец Таддеус Хайетт опубликовал результаты своих опытов, и железобетон начали рассчитывать, а не строить на глазок.

Почему у арматуры рёбра

Гладкий стержень может проскальзывать в бетоне. Американский инженер Эрнест Рэнсом стал скручивать железные прутки, чтобы они лучше сцеплялись с бетоном. В 1889 году по его системе построили мост Алворд-Лейк в Сан-Франциско — первый железобетонный мост в США.

Современная стержневая арматура почти вся периодического профиля, с поперечными рёбрами. Гладкой в российской классификации остаётся класс А240 (по старому обозначению A-I), остальные классы — от А400 до А1000 — ребристые. Рёбра упираются в бетон, и сцепление держится в основном на этом механическом зацеплении, а не на трении и склеивании. Концы стержней дополнительно заводят глубоко в бетон или загибают крюком.

Почему сталь и бетон уживаются

Удачное совпадение: при нагреве сталь и бетон расширяются почти одинаково. Коэффициент теплового расширения у стали около 1,2·10⁻⁵ на градус, у бетона — 1,0–1,5·10⁻⁵. Если бы они расширялись по-разному, каждая смена погоды расшатывала бы сцепление.

Второе совпадение защищает сталь от ржавчины. В бетоне сильно щелочная среда, pH выше 12, и в ней сталь не корродирует. Защита пропадает, когда бетон карбонизируется от углекислого газа или в него проникают соли, особенно если защитный слой тонкий. Ржавчина занимает больше места, чем металл, распирает бетон изнутри, и он трескается и отслаивается.

Для агрессивных условий придумали другие варианты: нержавеющую арматуру, дорогую при покупке, но выгодную на морских сооружениях, и композитную из стекловолокна. Последняя не проводит ток и не магнитится, поэтому её используют, например, в помещениях с аппаратами МРТ. Эпоксидное покрытие от коррозии в США применяли на десятках тысяч мостовых настилов, но к середине 2000-х от него стали отказываться: покрытие повреждалось ещё при монтаже.

Сечение, класс и шаг арматуры в конкретной конструкции определяет проектировщик — расчётом по действующим нормам. Для фундамента частного дома и для мостовой балки ответы получатся совсем разные.