СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ АРМАТУРНОГО СТЕРЖНЯ ИЗ МАТЕРИАЛА, ОБЛАДАЮЩЕГО ПЛОЩАДКОЙ ТЕКУЧЕСТИ
METHOD TO STRENGTHEN REINFORCEMENT BAR FROM MATERIAL WITH YIELD PLATEAU

Изобретение относится к строительству, а именно к технологиям, которые позволяют увеличить потенциал прочности интенсивно деформируемого материала - арматурных стержней для железобетона.
Традиционно при изготовлении железобетонных элементов любого вида (панелей, блоков, тротуарной плитки, фибробетона) используют короткие прутки (фибры) из стали разных марок, к которым предъявляются соответствующие требования по прочности.
Известен, например, способ термомеханической обработки проката (патент RU 2340684, C21D 8/08 (2006.01), C21D 1/02 (2006.01), опубликовано 10.12.2008), относящийся к черной металлургии, в частности к изготовлению термоупрочненной стержневой арматурной стали в крупных профилях с использованием тепла прокатного нагрева из непрерывно-литой низколегированной стали при термическом упрочнении проката в потоке среднесортных станов.
Признаком известного аналога, совпадающим с существенным признаком заявляемого изобретения, является прием упрочнения.
Однако известный способ не позволяет достаточно повысить потенциал прочности материала только за счет термического упрочнения.
Известен способ упрочнения стержня путем вытяжки продольной силой с преодолением физического или условного предела текучести его материала (Н.Н.Попов и др. Проектирование и расчет железобетонных и каменных конструкций. М., Высшая школа, 1989, с.34, рис.1.6.]. После вытяжки диаграмма растяжения стержня становится с повышенным пределом текучести и прочности.
Признаком известного аналога, совпадающим с существенным признаком заявляемого изобретения, является прием упрочнения посредством приложения усилия.
Недостатком способа является неэффективное использование возможностей упрочняющего эффекта и большая величина усилия для упрочнения, так как для преодоления физического или условного предела текучести металла требуется приложение продольной силы значительной величины с использованием специальных прессов, стендов и другого оборудования.
За прототип принят способ упрочнения арматурных стержней, раскрытый в описании к патенту RU 2074084, МПК B24B 39/00, B21D 11/12, опубликовано 27.02.1997.
Признаком прототипа, совпадающим с существенным признаком заявляемого изобретения, является прием упрочнения стали посредством деформирования материала.
Однако в способе по прототипу потенциал прочности стали не может достигнуть уровня упрочнения, достигаемого заявляемым способом. Многократный изгиб металлического арматурного стержня в прототипе позволяет набрать запас прочности лишь за счет воздействия на наружные волокна, не включая участия в напряженном состоянии волокон центральной части поперечного сечения стержня. Таким образом, арматурные стержни, упрочненные способом по прототипу, не обеспечат эффективного их применения при армировании железобетонных элементов, таких как панели, блоки, тротуарная плитка, колонны, фибробетон, или в качестве самостоятельных элементов, работающих на продольное усиление, например, в виде ограждений, перил, поручней, дизайнерских конструкций.
Изобретение направлено на создание технологии, которая в широком промышленном масштабе позволила бы в значительной степени упрочнять арматурные стержни, применяемы при армировании железобетонных элементов и в качестве самостоятельных элементов различного назначения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение потенциала прочности материала за счет создания запаса прочности, складываемого из прочности упрочненных вытяжкой от скручивания периферийных волокон и от погашения сжимающих напряжений в центральной области поперечного сечения арматурного стержня, а также в результате работы до уровня предела текучести этой центральной части поперечного сечения.
Технический результат достигается тем, что способ упрочнения арматурного стержня из материала, обладающего площадкой текучести, заключается в скручивании арматурного стержня вокруг своей продольной оси с превышением предела текучести на растяжение материала наружных волокон арматурного стержня до достижения уровня предела прочности, при этом при скручивании один конец арматурного стержня закреплен, а скручивание арматурного стержня производят с другого конца до образования нераскручивающейся винтовой формы по всей длине стержня.
Из книги Н.Н.Малинина (Н.Н.Малинин. Прикладная теория пластичности и ползучести, М., Машиностроение, 1968, с.173-176) действительно известно, что «при кручении стержня пластическая деформация возникает при величине напряжений угловой деформации, находящейся в интервале от предела текучести на растяжение до предела прочности». Однако в этом источнике (Н.Н.Малинин. Прикладная теория пластичности и прочности, М.,Машиностроение, 1968, с 173-176) не приведена информация о напряженном состоянии центральных волокон вдоль стержня при скручивании, а только приведена информация о напряженном состоянии волокон в поперечном направлении. Другими словами, только из заявляемого способа установлено уменьшение длины стержня после скручивания, что свидетельствует о сжатии центральных волокон поперечного сечения в объемном напряженном состоянии, при котором, как известно, прочность резко возрастает. Доказательством сжатия центральных волокон и в продольном, и в поперечном направлениях является зрительно видимое уменьшение длины скрученного стержня по сравнению с исходным.
Таким образом, из уровня техники неизвестно влияние скручивания стержня вокруг продольной его собственной оси на появление объемного напряжененного состояния центральных волокон поперечного сечения, вызывающего значительное упрочнение стержня, как на продольное растягивающее, так и на продольное сжимающее усилие. Следовательно, заявляемый способ соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется графическим материалами, где
на фиг.1 - представлена фотография двух арматурных стержней из полосок листовой стали с исходной одинаковой длиной, шириной 2 мм и толщиной 0,2 мм, один из которых подвергнут упрочнению заявляемым способом;
- на фиг.2 - представлена фотография двух арматурных стержней из полосок листовой стали с исходной одинаковой длиной, шириной 4 мм и толщиной 0,2 мм, один из которых подвергнут упрочнению заявляемым способом;
на фиг.3 - представлена фотография арматурных стержней различного диаметра из дюралюминия, подвергнутых упрочнению заявляемым способом, которые могут служить основанием для изготовления электропровода.
При работе стержня на продольное усилие его используемая прочность будет складываться из прочности упрочненных вытяжкой от скручивания периферийных волокон материала арматурного стержня и от погашения сжимающих напряжений в центральной области поперечного сечения арматурного стержня, а также в результате работы до уровня предела текучести этой центральной части поперечного сечения.
При работе стержня на сжимающее усилие в наружных растягивающих волокнах будет происходить плавное от края уменьшение растягивающих напряжений и дополнительное сжатие центральных волокон. При этом центральные волокна будут находиться в условиях объемного напряженного состояния, при котором прочностные характеристики этого участка материала значительно выше.
Доказательством этого обстоятельства может быть сравнение длины стержня до и после скручивания, что четко видно из фотографий, представленных на фиг.1 и фиг.2. Скрученные стержни оказались короче исходных, что особенно заметно на фиг.2.
При этом исследование с использованием тензодатчиков, наклеенных до скручивания стержня, позволит получить лишь искаженную качественную, а не количественную ситуацию, потому что наклеенные тензодатчики тоже скручиваются. К тому же граница между сжатыми центральными и растянутыми наружными волокнами материала арматурного стержня также неопределенна.
Длина арматурного стержня после упрочнения скручиванием становится меньше исходной на величину сжатия средних волокон. Крайние волокна в поперечном сечении будут длиннее в результате спиральной линии за счет пластических деформаций. При этом полученная форма не раскручивается.
Таким образом, за счет скручивания стержня вокруг своей продольной оси происходит взаимное перераспределение напряженного состояния. В результате обеспечивается общее упрочнение стержня за счет вытяжки от скручивания наружных волокон в одном и том же поперечном сечении и сжатия центральных волокон без потери их устойчивости в результате цельности поперечного сечения.
Из уровня техники известно скручивание стержней различного поперечного сечения с целью придания им конструктивных возможностей, соответствующей жесткости для формирования расположения арматуры в сечении железобетонного элемента [Заявка Великобритании №2197006 (8724925), МКИ E04C 5/03. Арматурный элемент для бетона или пластмассы, публикация 11.05.1988, №19]. Однако при этом не отмечено состояние и роль средних волокон поперечного сечения и их влияние на упрочнение самого арматурного стержня, что доказывает соответствие заявляемого решения критерию техническая «изобретательский уровень».
Нормативное сопротивление на растяжение стержней в целом будет повышенным за счет сочетания двух факторов: упрочнения наружных волокон поперечного сечения стержня и погашения сжатия его центральных волокон. Доли этих факторов между собой зависят от формы поперечного сечения элемента. Очевидно, что они должны быть равными, так как после скручивания обратного раскручивания не происходит при значительной их величине.
Известно также упрочнение и повышение изгибной жесткости балок [Gezhards, kare DЕ, 2001, 10139751, 29.08.2001]. Однако при этом также не отмечено состояние и роль средних волокон поперечного сечения работающей на изгиб балки.
Другим положительным свойством полученных заявляемым способом скрученных арматурных стержней, кроме круглой формы поперечного сечения, будет значительное увеличение анкерующей способности. Это обстоятельство обеспечивает существенное снижение раскрытия трещин после их образования, что повышает трещиностойкость железобетонного элемента. Объясняется этот фактор тем, что ширина раскрытия трещин в бетоне железобетонного элемента в основном определяется проскальзыванием арматуры у краев трещины с обычной арматурой периодического профиля. В то время как скрученное сечение создает повышенное сцепление с бетоном.
Способ осуществляют следующим образом.
Заявляемый способ упрочнения арматурного стержня может быть использован для упрочнения арматурных стержней из материала, обладающего площадкой текучести (например, сталь, дюраль, медь), различного поперечного сечения (круглых, прямоугольных, фасонных). Традиционно при изготовлении железобетонных элементов любого вида изделий (панелей, блоков, тротуарной плитки, фибробетона) используют арматурные стержни (прутки) из стали разных марок. Для получения арматурных стержней заводы железобетонных изделий (ЖБИ) используют станки для выпрямления арматуры, поступающей на заводы в бухтах и гильотиновые ножницы для резки листовой стали. Скручивание арматурного стержня вокруг своей продольной оси с превышением предела текучести на растяжение материала наружных волокон арматурного стержня производят с использованием оборудования для выпрямления из бухт или с использованием специального оборудования (дрели, токарные станки). Для малосерийного производства арматурных стержней их упрочнение заявляемым способом можно производить с использованием слесарного и токарного оборудования. Контроль прочностных характеристик арматурных стержней в заводских лабораториях заводов ЖБИ осуществляют с использованием стандартных прессов.
Пример 1. Арматурный стержень, полученный из листовой стали 3 длиной 400 мм, шириной 2 мм, толщиной 0,2 мм, зажимали в слесарных тисах с одного конца и закрепляли в дрели другой его конец. Скручивали арматурный стержень дрелью до образования устойчивого нераскручивающегося винта по всей длине стержня (см. фиг.1).
Пример. 2. Арматурный стержень, полученный из листовой стали 3 длиной 400 мм, шириной 4 мм, толщиной 0,2 мм, зажимали в слесарных тисах с одного конца и закрепляли в дрели другой его конец. Скручивали арматурный стержень дрелью до образования устойчивого нераскручивающегося винта по всей длине стержня (см. фиг.2).
Образцы, упрочненные заявляемым способом по примерам 1 и 2, были подвергнуты испытанию на растяжение до разрыва лабораторных условиях на разрывном прессе с разрывным усилием 500 кг. Испытания подтвердили повышение прочности стержней. В качестве эталонов были использованы образцы, не подвергнутые упрочнению заявляемым способом. Установлено увеличение разрывного усилия у образцов, упрочненных заявляемым способом, до 35-40%.