Пластичная железобетонная арматура

УДК 691.7

ПЛАСТИЧНАЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ АРМАТУРА

Сафи Мохаммад Юсуф, Абдул кахер Абдул кадер, гул Вазир джамшит Российский университет дружбы народов

Аннотация

Ключевые слова:

арматура, бетон, пластичность, железо, железобетонная арматура, строительство История статьи:

Дата поступления в редакцию 11.02.18 Дата принятия к печати 12.02.18

В статье рассмотрены проблемы укрепления железобетонных конструкций с помощью пластичной арматуры. Применение арматуры в железобетоне

имеет множество методик, причём расчёт их прочности зависит от предполагаемого уровня напряжения на конструкцию. Исходя из тог, что арматура — это гибкие или жесткие стальные стержни, расположенные в массе бетона в соответствии с расчетом или конструктивными и производственными

требованиями, в работе рассмотрены преимущества пластичной арматуры.

Предварительно напряженные прутки из перлитной стали широко применяют для армирования железобетонных конструкций различного назначения, например, каркасов мостов. Преимуществами такого материала является его высокая прочность при значительной пластичности. Такую комбинацию свойств перлитных сталей можно достичь путем холодного волочения (ХВ). Вследствие ХВ улучшаются механические характеристики стали — твердость, предел текучести и предел прочности растут.

Автором указаны преимущества использования пластичной железобетонной арматуры в строительных конструкциях и их значение для современной промышленности.

Актуальность данной темы обусловлена тем, что на современном этапе развития строительной индустрии широко используют сборные и монолитные железобетонные конструкции мостовых и транспортных сооружений, армированные высокопрочной стержневой арматурой различных классов прочности. На сегодняшний день в строительстве нужны новые методики для укрепления прочности железобетонных конструкций, одним из таких решений является использование в них пластичной арматуры.

Цель данной статьи — рассмотреть свойства пластичной железобетонной арматуры и показать её преимущества при использовании в строительных конструкциях.

В качестве арматуры могут выступать и синтетические материалы, стекловолокно и другие элементы. Назначение арматуры в железобетонных конструкциях заключается в восприятии растягивающих напряжений, или укреплении сжатого бетона. Благодаря сцеплению арматуры с бетоном в период твердения бетонной смеси конструкция работает под нагрузкой как одно монолитное тело, способное воспринимать все виды силовых воздействий, хотя доля усилий распределяется на бетон и арматуру неодинаково1.

Арматурой называют гибкие или жесткие стальные стержни, расположенные в массе бетона в соответствии с расчетом или конструктивными и производственными требованиями.

Арматуру подразделяют по её функциональному назначению, технологии изготовления, профилю поверхности и другим параметрам.

По назначению арматуру разделяют на рабочую, устанавливаемую по расчету для работы под влиянием внешних усилий; конструктивную, — воспринимающую усадочные деформации и способствующую равномерному распределению усилий, и монтажную, которая обеспечивает проектное положение рабочей арматуры и объединяет рабочую арматуру в сетки и каркасы.

По технологии изготовления арматуру разделяют на горячекатаную стержневую, термо-механически укрепленную и холоднотянутую проволочную.

'Гарбусенко В.В. Основы расчета железобетона в вопросах и ответах: Уч. Пособие. М., АСВ, 2015. — 104 с.

Б Б

По профилю поверхности арматура может быть гладкой или периодического профиля, характер изменения профиля может быть разным (рис. I)2.

На этом рисунке приведен устаревший профиль. В соответствии с новыми нормативными документами арматурные стали имеют другой профиль, соответствующий европейским и международным стандартам. Этот профиль называется серповидным и приведен на рис.1, Д. е.

По физико-механическим характеристикам арматурная сталь условно подразделяется на три типа:

1 ) пластическую

2) повышенной прочности

3) высокопрочную (твердую). Каждый тип сталей имеет свои

определенные прочностные и деформативные характеристики, свою особую диаграмму растяжения3.

Так, пластические стали,к которым относятся стали СтЗ, Вст5, 10ГТ, 18М2С, 25Г2С, 35ГС и другие, имеют явно выраженную площадку текучести и зонуупрочнения (рис.2, а); стали повышенной прочности, к которым относятся 20ХГ2Ц, 80С, 23Х2М2Т, 20Х2М2СР и другие, не имеют выраженной площадки текучести и

характеризуютсяусловной точкой площадки текучести деформаций при росте нагрузки.

Кривые, приведенные на рис.2, показывают особенности работы арматуры под растягивающими нагрузками. В нормативных документах арматурная сталь в соответствии с ее механическими свойствами подразделяется, как и бетон, на классы. Основой для классификации арматурных сталей на классы служат прочностные характеристики:

- для пластических сталей предел текучести, для сталей повышенной прочности — условная граница текучести и для высокопрочных сталей — предел прочности на растяжение (временное сопротивление разрыву)4.

Арматура подразделяется в соответствии с нормами на стержневую, проводную и канатную. Стержневая арматура обозначается буквой А с добаваением римской цифры. Чем выше прочность стали, тем больше номер римской цифры.

Рис. 1. Вид поверхности арматурных стержней: а - гладкая; б - перио-дичдского профиля А-31; в - то же, АТЛ А -IV; г - с отдельными вмяти-орми; д, е - сертовидныа; 1 - вид со стороны вмятин; 22 - зид с гладкдй

стороны

О

Рис. 2. Характерные диеграммы растяжения стали: а - мягкая сталь; б - укрепленная полутвердая сталь; в - высокопрочная сталь

2Кумпяк О.Г. и др. Железобетонные конструкции. Часть 1.: Учебное издание. — М.: Издательство АСВ, 2017. — 280 с.

3Кумпяк О.Г. и др. Железобетонные конструкции. Часть 1.: Учебное издание. — М.: Издательство АСВ, 2017. — 280 с.

4Шерешевский И.А. Конструирование промышленных зданийи сооружений. Учеб. Пособие для студентов строительных специальностей. — М.: «Архитектура — С», 2015. — 168 с.

Горячекатаная стержневая — A-I, A-II, A-III, A-IV, A-V, A-VI (A-I — гладкая, все другие классы периодического профиля).

Термически и термомеханически упрочненная также стержневая — Ат-III, Ат-IV, Ат-V, Ат-VI, Ат-VII. Если арматура данного класса имеет свариваемость или коррозионную стойкость, то к обычному индексу добавляется буква «С» или «К», например Ат-ИУс, Ат-V к, Ат-V^ и т.п.

Проводная арматура обозначается буквой В и выполняется, как правило, холоднотянутые B-I, Вр-I, высокопрочная проволока сказывается B-II, Вр-II, индекс «р» указывает на периодичность профиля.

Канатная арматура, в основном, применяется двух типов К-7, К-19, хотя существуют и другие канаты К-3, К-36 и т.п.

Для каждого вида арматуры существуют свои диаметры, приводимых в сортаменте арматуры. В нормативных документах классификация арматурных сталей изменена, введены новые обозначения классов5.

Арматурный прокат, который обозначается буквой А, подразделяют на классы в зависимости от показателя механических свойств, установленного стандартом нормируемого значения условного или физического предела текучести в Н / мм2. Арматурный прокат изготовляют следующих классов:

- А240 — с гладким профилем (предел текучести 240 Н / мм2);

- А300С, А400С, А500С, А550С, А600, А600С, А600К, А800, А800К и А1000 — с периодическим профилем.

Гладкий профиль имеет диаметры 5,5 ^ 40 мм, периодический — 6 + 40 мм6.

Индекс С соответствует свариваемости стали, индекс К — устойчивости против коррозионного растрескивания.

Номинальный диаметр арматурного проката, площадь поперечного сечения, масса 1 пог. метра и допускаемые отклонения по массе должны соответствовать табл. 17.

Таблица 1

Номинальный диаметр арматурного проката

Номинальный диаметр проката, йн,мм Номинальная площадь поперечного сечения, мм2 Масса 1 пог. метра прутка

расчетное значение, кг допустимое отклонение, %

5,5 23,8 0,187

6,0 28,3 0,222 ± 8,0

8,0 50,3 0,395

10,0 78,5 0,617

12,0 113,0 0,888 ± 5,0

14,0 154,0 1,210

16,0 201,0 1,580

18,0 254,0 2,000

20,0 314,0 2,470

22,0 380,0 2,980

25,0 491,0 3,850 ± 4,5

28,0 616,0 4,830

32,0 804,0 6,310

36,0 1018,0 7,990

40,0 1256,0 9,860

5Шерешевский И.А. Конструирование промышленных зданий и сооружений. Учеб. Пособие для студентов строительных специальностей. — М.: «Архитектура — С», 2015. — 168 с.

6Байков В. Н., Сигалов Э. Е. Железобетонные конструкции: Общий курс: Учеб. Для вузов. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 2013. — 767 с.

7Байков В. Н., Сигалов Э. Е. Железобетонные конструкции: Общий курс: Учеб. Для вузов. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 2013. — 767 с.

Масса прутка (в кг) вычислена по номинальным диаметрами при плотности стали, равной 7,85 т / м3. Механические свойства арматурного проката и результаты испытаний на изгиб в состоянии поставки должны соответствовать нормам, приведенным в табл. 2.

Обозначение арматурного проката в соответствии с новыми нормативными документами записывают-соответственно классу арматуры.

Таблица 2

Механические свойства арматурного проката и результаты испытаний на изгиб в состоянии поставки8

класс арматурного проката температура электроподогрева, °С механические свойства Испытания на изгиб в холодном состоянии, угол изгиба, град Диаметр оправки

временное сопротивление разрыву, ов Н/ММ2 условная (физическая) предел текучести, о0,2 (от), Н/ММ2 относительное удлинение после разрыва, бе, % относительное равномерное удлинение после разрыва, бр, % полное относительное удлинение при максимальной нагрузке, 6max , % начальный модуль упругости Е x 10-4, Н/мм2

не меньше

А240С АЗООС А400С А500С 370 490 500 600 240 290 400 500 25 19 16 14 2,5 2,5 2,5 21 21 20 19 180 180 90 90 0,54йн зан зан зан

А600 А600С А600К 400 800 600 12 4 2,5 19 45 5ан

А800 А800К 400 1000 800 8 2 2,5 19 45 5ан

А1000 450 1250 1000 7 2 3,5 19 45 5ан

Величины Е • 10-4 и 6max являются факультативными до 01.01.2002 г. Но их определение обязательно для

накопления статистических данных.

Величину 6Р определяли до 01.01.2002 г..

Следует отметить, что при установлении расчетных сопротивлений указанных сталей1, используемых при расчете по первой! группе предельных состояний,можно применять следующие значения уз:

К лас ар ма тури Ъ R,

А240С 1,05 228

АЗООС 1.05 276

А400С 1.1 364

А500С 1,15 435

А600. А600С, А600К 1,15 522

А800, А800К 1.20 667

AI 000 1.20 833

8Бородачев Н.А. Автоматизированное проектирование железобетонных и каменных конструкций: Учеб. пособие для вузов — М.; Стройиздат, 2015. — 211 с.

Таким образом, следует подчеркнуть, что класс А240С соответствует классу А-1, А300С — класса А-11, класс А400С — класса А-111. Другие классы имеют отличные прочностные характеристики. Данных о проводную арматуру ДСТУ 3760-98 не приводится, они считаются действительными нормативы СНиП 2.03.01-84.

Арматура в бетоне находится в пассивном состоянии, что обусловлено сильной щелочной ре акцией по-ровой жидкости на границе арматура — бетон.Но в течение эксплуатации рН среды снижается из-за карбонизации бетона и проникновениея ионов хлора.

Известно, чтовысокопрочные стали особенно чувствительны к воздействию среды, особенно к водородному охрупчиванию, которое может вознилтть в резульрате орошения стали под действием катодной защиты железобетонной конструкции.

В статье проанализированы различия в механической поведении и закономерности разрушения предварительно нрпряженных прутков перлитной стали на воздухе и вмодельной рабочей среде.

Использовали цилиндрические образцы с стали стсле различных этапов технологического процесса ХВ, а также образцы исходного горячекатаного прутка и готового коммерческого продукта. Изучали эвтектоид-ную перлитную сталь, которая прошла семь этапов ХО. Вследствие обработки перлитные колонны постепенно переориентируются в направлении о си провллоки (направления волочения). Их ориентация относительно оси стержня з ависит от степени волочения.

Вследствие обработки перлитные коллоны постепенно переориентируются в направлении оси проволоки (направления волочения). Их ориентация относительно оси стержня зависит от степени волочения. В то же время происходит истончение самых колрний, а также уменьшается расстояние между пластинками, и они ориентируютсяв направлении волочения.

Химический состав исследуемой стали такой, мас. %: 0,88 С, 0,69 Мп, 0,22 81, 0,010 Р, 0,024 8, 0,239 Сг, 0,076 N1, 0,010 Мо, 0,129 Си, 0,118 V, остальные Бе. Пластическая деформация, накопленная на каждом этапе процесса ХВ и вычислена по формуле епл = 21п (Б0 / Б1), где Б0 и Б — начальный и конечный диаметр прутка соответственно, а также диаметр прутков представлены в табл. 3, где номерами обозн чены этапы ХО9.

Таблица 3.

Диаметр стальных прутков и накопленная пластическая деформация

Чувствительность исследуемого материала к водородному охрупчиванию определяли методом медленного растяжения со скоростью 10-7 с-1 цилиндрических образцов длиной 30 см и диаметром, равным диаметру соответствующтго прутка. Начальное радстоянид междо зажимтми Л2 ам. ПроКы полировали, а не только обезжиривали ацетоном и промывали дистиллированной водой для приближения условий эксперимента к эксплуатационным.

Электрохимическую ячейку крепили вокруг образца. Коррозивную среду — насыщенный раствор Са (ОН) 2 с добавлением 0,1г/л №С1 (рН 12,5), который модеаировал порог жидкость в бетоне. Рабочим электродом служил исследуемый пруток, электродом сравнения — насыщенный каломельный (Н | Щ2С12)10.

Как, вспомогательный электрод использована платиновая спираль, что обеспечивало равномерное распределение токапо длине образца. Устойчивый катодный потенциал -1,2 В, избранный на основе предыдущих исследований, поддерживали потенциальную статичность. Исследовали, по крайней мере, три образца каждого вида, результаты усередняли.

9Кузнецов В.С. Расчет и конструирование стыков и узлов элементов железобетонных конструкций. Уч. Пособие. М., АСВ, 2015 — 128с.

10Кузнецов В.С. Расчет и конструирование стыков и узлов элементов железобетонных конструкций. Уч. Пособие. М., АСВ, 2015 — 128с.

Построенные кривые растяжения стали всех этапов ХВ (Рис. 3) отражают поведение стали в стадии равномерного удлинения (до образования шейки) на воздухе и до момента разрушения за орошения. Вследствие обработки прутков их пластичность на воздухе по показателю е однозначно снижается. Исключением является коммерческий проволока, который после ХВ по технологии проходит определенную термообработку для снят

Рис. 3. Кривые растяжения эвтектоидной перлитной стали на воздухе (а) и по орошению в щелочной среде с рН 12,5 (б).

Номера на рисунке соответствуют этапам ХО.

Из полученных результатов можно утверждать, что водород, образующийся при катодной поляризации стали в щелочной среде, существенно влияет на механическое поведение материала, в первую очередь, — на пластичность. При этом предел текучести остается практически неизменной, а предел прочности снижается незначительно.

Следует отметить, что выбранный уровень катодной поляризации близок к минимальному значению, при котором проявляется влияние водорода на исследуемый материал.

Относительное сужение на воздухе в целом растет со степенью ХВ (рис. 4, кривая 1), и лишь на последних этапах несколько снижается. Такое поведение стали объясняют совместным влиянием накопленных пластических деформаций и переориентацией перлитных коллон12.

Во время холодного волочения происходит два принципиальных процесса — накопление деформации (клевета) и переориентация микроструктурных составляющих. С каждым технологическим этапом перлитные колонии постепенно ориентируются в направлении, параллельном продольной оси прутка до тех пор, пока практически все они не будут размещены в направлении волочения. При этом растет и относительное сужение Ч'13.

После этапа 5, очевидно, достигнута максимальная переориентации перлитных коллон, поэтому дальней-Рис. 4. Потеря пластичности исследуемой стали шая обработка стали приводит к некоторому снижению вследствие орошения в среде Сч (ОН) 2 сpH пластичности даже при растущей величине нак°пленн°й

12,5 (кривая 2) по сравнению с испытанием пластической деформации. В противоположность испы-на воздуХс )кривая 1) таниям на воздухе, в среде наблюдали стабильно низкое

0.4 0.8 „ 12

Ял

Е

пБондаренко В.М., Римшин В.И. Примеры расчета железобетонных и каменных конструкций: Учеб. Пособие. — М.: Высш.п1к.,2016.-504 с.

12Бондаренко В.М., Римшин В.И. Примеры расчета железобетонных и каменных конструкций: Учеб. Пособие. — М.: Высш. шк., 2016. -504 с.

13Фро лов А.К. идр. Про ект иров ание железобетонных, каменныни армокаменных конструкций / Учебное пособиеб — М.:АСВ, 2014, — 176 с.

значение Ч'" (рис. 4, кривая 2), подтверждает значительную чувствительность материала к водородному ох-рупчивание , о бнаруженную в арматуре.

Из анализа изломов (рис. 5) следует, что трещины на воздуве зврождались в центре сечения образцов и росли до боковой поверхности, формируя излом типа чашка-конус. В среде трещина зарождалась от боковой поверхности образцов, в частности от поверхностных или подповерхностных дефектов. После образования поверхностной трещины ]еазрупеения лпкализввалось в определенном сечении образца, а дальнейшее растяжение несущественно влияло на изменение его геометрии. Поэтому в среде получили низкие значения относительного сужения Ч'", которое в этом случае, по сути, характеризует сопротивляемость стали зарождению водородной трещины. Некоторый рост 1 с повышением степени ХВ можно объяснить лучшим состоянием боковой повлрхности обработанных прутков и меньшим количеством возможных очагов трещинообразования14.

С практической точки зрения очень важно отметить, что потеря пластичности исследуемой стали под влиянием орошения (разница между и ьН) меньше в коммерческой высокопрочной проволоке по сравнению с исходной горячекатаной сталью.

Независимо от условий эксперимента, сталь начальных этапов ХВ демонстрирует по растяжения изотропную поведение и относительно ровный излом в макромасштабе. С последующей

„ г ,, ^ „ ч обработкой

Рис. 5. Макроизлом образцов перлитнои стали после испытании на воздухе г г

, -чх л - \тт у рельеф макроизлома становится

(верхнии ряд) и после орошения (нижнии). Цифры соответствуют етапам г ^ г

ч неравномернее с большим коли-

лолодного волочения г г

чеством гребней и бородок15.

ВЫВОДЫ. Таким образом, предварительно напряженные прутки из перлитной стали широко применяют для армирования железобетонных канструщий различниго назначения, например, каркасов мостов. Преимуществами такого материала является его высокая прочность при значительной пластичности16.

Такую комбинацию свойств перлитных сталей достигают путем холодного волочения (ХВ). Вследствие ХВ улучшаются механические характеристики стали — твердость, предел текучести и предел прочности растут.

Арматура в бетоне находится в пассивном состоянии, что обусловлено сильно щелочной реакцией по-ровой жидкости на границе арматура — бетон. Но в течение эксплуатации рН среды снижается из-за карбонизации бе тона и пр оникновение ионов хлора.

Известно, что высокопрочные стали особенно чувствительны к воздействию среды, особенно к водородному охрупчивани е, которое может возникать в результате орошения стали под действием катодной защиты железобетонной конструкции.

Нахождение в водной среде практически не влияет на характеристики прочности стали, однако существенно ухудшает пластичность стали по показателям относительное сужение и равномерное удлинение. Разрушение

14Фролов А.К. и др. Проектирование железобетонных, каменных и армокаменных конструкций / Учебное пособиеб — М.: АСВ, 2014, — 176 с.

15Фролов А.К. и др. Проектирование железобетонных, каменных и армокаменных конструкций / Учебное пособиеб — М.: АСВ, 2014, — 176 с.

16Бородачев Н.А. Автоматизированное проектирование железобетонных и каменных конструкций: Учеб. пособие для вузов — М.; Стройиздат, 2015. — 211 с.

прутков на воздухе начинается от центра сечения образца, а по катодной поляризации — инициированное у поверхности, что говорит об определяющей роли поверхностных дефектов в случае орошения стальных прутков.

Трещины в предварительно наклепанного материале по катодной поляризации могут возникать вследствие облегчения оползней в поверхностных слоях металла под влиянием орошения.

Склонность стали к водородному охрупчиванию следует учитывать при катодной и протекторной защиты железобетонных конструкций.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Байков В. Н., Сигалов Э. Е. Железобетонные конструкции: Общий курс: Учеб. Для вузов. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 2013. — 767 с.

2. Бондаренко В.М., Римшин В.И. Примеры расчета железобетонных и каменных конструкций: Учеб. Пособие. — М.: Высш. шк., 2016. -504 с.

3. Бородачев Н.А. Автоматизированное проектирование железобетонных и каменных конструкций: Учеб. пособие для вузов — М.; Стройиздат, 2015. — 211 с.

4. Гарбусенко В.В. Основы расчета железобетона в вопросах и ответах: Уч. Пособие. М., АСВ, 2015. — 104 с.

5. Кузнецов В.С. Расчет и конструирование стыков и узлов элементов железобетонных конструкций. Уч. Пособие. М., АСВ, 2015 — 128с.

6. Кумпяк О.Г. и др. Железобетонные конструкции. Часть 1.: Учебное издание. — М.: Издательство АСВ, 2017. — 280 с.

7. Фролов А.К. и др. Проектирование железобетонных, каменных и армокаменных конструкций / Учебное пособиеб — М.: АСВ, 2014, — 176 с.

8. Шерешевский И.А. Конструирование промышленных зданий и сооружений. Учеб. Пособие для студентов строительных специальностей. — М.: «Архитектура — С», 2015. — 168 с.

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Сафи Мохаммад Юсуф , Абдул кахер Абдул кадер, гул Вазир джамшит. Пластичная железобетонная арматура. — Системные технологии. — 2018. — № 26. — С. 8—15.

REINFORCED CONCRETE REINFORCEMENT

Safi Mohammad Yousuf, People's Friendship University of Russia

Abstract

The article deals with the problems of reinforcement of reinforced concrete structures with the help of plastic reinforcement. The use of reinforcement in reinforced concrete has many methods, and calculation of their strength depends on the expected level of stress on the structure. Proceeding from the fact that the armature is flexible or rigid steel rods located in the mass of concrete in accordance with the calculation or design and production requirements, the work considers the advantages of plastic reinforcement. Pre-stressed bars made of pearlite steel are widely used for reinforcing reinforced concrete structures for various purposes, for example, skeleton bridges. The advantages of such a material are its high strength and considerable plasticity. This combination of properties of pearlitic steels can be achieved by cold drawing (CV). Due to the CV, the mechanical characteristics of steel are improved — hardness, yield strength and ultimate strength increase. The author shows the advantages of using plastic reinforced concrete reinforcement in building structures and their importance for modern industry.

Keywords:

armature, concrete, plasticity, iron, reinforced concrete reinforcement, construction.

Date of receipt in edition: 11.02.18

Date of acceptance for printing: 12.02.18