Современная арматура и ее стыковые соединения
Современная арматура выпускается в виде прямолинейных стержней гладкого или периодического профиля диаметром 8- 70 мм , бунтов диаметром 3- 14 мм , арматурных канатов, а также фибр для фибробетона.
Кроме того, перспективным направлением является расширение применения неметаллического армирования бетона.
Качественная арматура для ненапряженных железобетонных конструкций начала применяться в нашей стране недавно. В 50-х гг. прошлого века вместо горячекатаной арматуры периодического профиля класса A-II начался выпуск арматуры класса А-III из стали марок 25Г2С и 35ГС 06- 40 мм . Арматура этого класса изготовлялась из стали с очень высоким содержанием углерода - 0,29 и 0,37%, а также марганца - 1,6 и 1,29% соответственно, что зачастую приводило к хрупким разрушениям в местах дуговой сварки. По данным НИИЖБ, большинство аварий железобетонных конструкций связано с хрупким разрушением арматуры из стали марки 35ГС. Вероятность хрупкого разрушения в месте сварки в этой арматуре, по экспертным оценкам, достигает 50%.
По международным нормам сталь с содержанием углерода 0,3% и более считается несвариваемой.
Арматура из стали этих марок выпускается 06-40 и по современным нормативам называется А400 .
В 70-х гг. в нашей стране впервые в мире была разработана технология изготовления термомеханически упрочняемого проката, применяемая сегодня на всех металлургических предприятиях мира.
Вначале, по этой технологии, разогретая заготовка попадает на прокатный стан, в котором на последних валках, образующих профиль, скорость достигает 20-40 м/сек, а температура 1050 °С. При такой скорости и температуре дефор- мативность металла при образовании профиля возрастает в десятки раз.
После этого металл попадает в холодильную зону, где он остывает, а затем разрезается.
Новая технология отличается тем, что металл с высокой скоростью проходит сквозь трубы, в которые под давлением 20-25 атм. подается вода. При этом внутренние слои стали не успевают охладиться и тепло постепенно выходит через поверхностный охлажденный слой. Металл приобретает различную структуру внутри и снаружи, а также особые механические свойства - он практически не ломается при изгибе, даже в местах дуговой прихватки.
Эта унифицированная свариваемая арматура класса А500С содержит в стали не более 0,22% углерода и выпускается, кроме термомеханически упрочненной (6- 40 мм ), горячекатаной с микролегированием (5- 40 мм ) и холоднодеформированной (4- 16 мм ).
Изгиб вокруг оправки 3d составляет 180°.
Переход на сталь этого класса позволяет экономить не менее 10% арматуры, так как ее расчетное сопротивление на растяжение и сжатие Rs = 450 Н/мм 2 , что на 23% больше, чем у стали класса А400.
Высокая прочность и пластичность позволяют применять эту арматуру взамен других классов - А-I, A-II и A-III во всех климатических зонах.
Следует также отметить, что себестоимость термомеханически упрочненной стали ниже, чем у горячекатаной марки 35ГС и 25Г2С, так как позволяет сократить расход легирующих добавок и перейти на полуспокойную сталь.
Осуществленный на ряде заводов переход на серповидный (европейский) профиль (рис. ниже, а) позволяет значительно сократить расходы на изготовление валков, так как их износ уменьшается на 20-30%.
Современные профили стержневой арматуры
а - серповидный (европейский); б - профиль НИИЖБ
Данная арматура выпускается диаметрами от 10 до 40 мм , повышает прочность сцепления на 15-20%, что особенно важно для конструкций, испытывающих воздействие многократно повторяющихся динамических нагрузок.
В настоящее время в мире производится
90 млн тонн стали периодического профиля. В нашей стране производится сейчас только 4 млн тонн, причем расход стали на 1 м 3 железобетона в России
65 кг/м 3 , что почти в два раза больше, чем в Америке и Европе (35 кг/м 3 ).
Причинами такого большого удельного расхода арматуры являются:
- Недостаточно активное применение арматуры класса А500С. Объем ее выпуска составляет только 60% от общего объема, а при ее применении не всегда осуществляется необходимый пересчет.
- Неэффективная технология строительства.
- Малое применение предварительного напряжения арматуры, особенно в монолитном домостроении.
Неэффективная технология арматурных работ содержит два основных недостатка - нахлестные стыки рабочей арматуры и очень малый объем применения сеток заводского изготовления.
При производстве монолитного железобетона до 10% арматуры перерасходуется на стыки, выполняемые внахлестку.
Использование дуговой сварки, кроме увеличения расхода арматуры, значительно повышает трудоемкость работ, так же как и при ванной сварке, требует большого расхода электроэнергии и не гарантирует необходимого качества. Перепуски рабочей арматуры требуют также заметного увеличения поперечной арматуры.
Экспертная проверка качества соединений ванной сваркой обнаруживает до 30% брака, так как этот вид сварки требует очень высокой квалификации сварщиков.
В большинстве зарубежных экономически развитых стран применяют резьбовые муфты (рис. ниже) или опрессованные втулки.
Соединительные муфты
На концах стержней нарезается резьба на длину 2d,, и они соединяются муфтой, иногда с контргайкой.
Применяются также переносные прессы для опрессовки соединительных втулок. Подобное оборудование начинает применяться и в России. Применение втулок экономичнее резьбовых муфт.
Вязка арматуры на объектах за рубежом практически не применяется. Заранее на заводе готовятся сетки в виде «карт» или рулонов, а также плоские или пространственные каркасы.
Объясняется это также необходимостью экономии дорогого ручного труда на стройке и требованиями контроля качества арматурных работ.
Современная напрягаемая арматура применяется в основном в виде высокопрочной стержневой арматуры диаметром 10—40 мм классов А600, А800, А1000; высокопрочной проволоки диаметром 3- 8 мм В1500, В1400, В1300, В1200 и канатов К7-1500, К7-1400, К19-1500. Цифры в маркировке показывают значение Rs„ в Н/мм 2 .
Стержневая высокопрочная напрягаемая арматура достаточно широко применяется в нашей стране, так как изготовление преднапряженных конструкций на коротких стендах или по поточной или конвейерной технологиям, с натяжением на упоры используется на большинстве заводов железобетонных изделий.
В России чаще всего используется арматура Ат800, АтЮОО и А800 диаметрами 10- 18 мм . Применение более высокопрочной арматуры для таких технологий вряд ли целесообразно, из-за значительных потерь напряжения от релаксации в период изготовления.
Арматура этих классов, но больших диаметров, у нас в массовых объемах не выпускается, так как для обеспечения высокого качества стали необходимо после прокатки проводить механотермическое упрочнение вытяжкой и низкотемпературным отпуском.
Проволочная и канатная арматура применяется при изготовлении изделий на длинных стендах, особенно при методе непрерывного формования, а также при монолитном домостроении за рубежом.
К сожалению, большинство выпускаемой на наших заводах проволоки и канатной арматуры не является стабилизированной, т.е. с низкими потерями напряжений от релаксации.
Следует отметить, что ранее, в завершающий период существования СССР, объем применения преднапряженных конструкций в нашей стране был выше, чем в западных странах. Сегодня, учитывая резкое увеличение объема монолитного домостроения за рубежом, в котором широко применяется напряженная арматура, а также ее использование и при строительстве дорог, мостов и других сооружений, мы начинаем значительно отставать в этом вопросе от передовых экономически развитых стран. К тому же, использование напрягаемой арматуры для зданий, испытывающих сейсмические или ударные нагрузки, повышает их эксплуатационную надежность.
Неметаллическая арматура
Применяемая в качестве напрягаемой, имеет определенные перспективы, особенно для перекрытия больших помещений и помещений с агрессивной средой.
В ряде стран уже производится арматура из углепластика диаметром 6- 15 мм с Sb > 2500 Н/м 2 с дальнейшим переходом на углепластик из высокомодульных углеродных волокон с Sb > 4000 Н/м 2 и Es > 3-10 5 Н/мм 2 .
Осваивается производство арматуры из кевлара, стеклопластика.
Распространение неметаллической арматуры сдерживается ее высокой ценой, превышающей цену проволоки в несколько раз.
Однако специалисты предсказывают, что при резком увеличении объемов производства, ее цена может быть сопоставима с ценой стальной проволоки.
Необходимо также отметить, что широкое применение напрягаемой арматуры потребует разработки современных зажимов, домкратов и другого оборудования.
Фибровое армирование бетона
Фибровое армирование бетона расширяет свое применение. Использование фибры в качестве одного из компонентов композиционного материала - бетона - повышает такие характеристики элементов конструктивных систем, как сейсмо-, коррозионно- и пожаростойкость, а также значительно снижает трудоемкость изготовления.
В качестве материала для фибры могут использоваться стальные, стеклянные, углеродные, базальтовые, полипропиленовые и др. волокна.
Каждый из перечисленных материалов имеет свою рациональную область применения.
Наиболее эффективными волокнами, обеспечивающими высокую прочность и надежность при воздействии высоких температур, влажности, агрессии и т.п., являются углеродные. Однако стоимость их весьма велика.
Заметно дешевле химически стойкая базальтовая фибра.
Фибра из высокомодульного полипропилена имеет относительно высокий модуль упругости и хорошую прочность.
Стекловолокно, используемое для фибробетона, должно быть щелочестойким. Кроме того, ведутся научно-исследовательские работы с целым рядом волокон из других материалов, таких как полиэтилен, акрил, хлопок, карбон, полиамид и др.
Наибольшее распространение в настоящее время получила стальная фибра, в том числе из нержавеющей стали.
Стальная фибра имеет высокий модуль упругости и при достаточно хорошей анкеровке успешно работает при I и II предельных состояниях.
Вначале в нашей стране фибру изготовляли из старых стальных канатов с проволокой 0,1- 1 мм , рубя его на отрезки длиной 2- 8 см . Но наиболее сложной и трудоемкой была очистка от канатной смазки.
Изготовление фибр производится резкой проволоки, рубкой стального листа, экструдированием, фрезерованием из сляба.
Сечение стальной фибры чаще всего не превышает 1 мм , а длина 5 см .
В России довольно много заводов выпускает в относительно небольшом объеме стальную фибру.
Выпускается также фибра из щелочестойкого стекловолокна и полипропилена.
При использовании фибры, кроме механических свойств, следует обратить внимание на обеспечение анкеровки и сцепления, которые достигаются загнутыми концами, волнистым или периодическим профилем, винтовой формой плоской фибры и др.
Необходимо также учитывать, что коэффициенты вариации прочности фибры могут значительно меняться.