Строительная арматура: применение и тенденции развития

Строительная арматура: применение и тенденции развития.

Основной вид арматуры для производства железобетона в строительной индустрии СССР до 90-х годов прошлого века был освоен на металлургических заводах по ГОСТ 5781.

Этот арматурный профиль (рис. 1, а) прокатывается с нанесением рифления на поверхность круглого сердечника и имеет кольцевые поперечные ребра, пересекающиеся с продольными ребрами.

Рис. 1. Разновидности арматуры.

С 1990 года многие металлургические заводы стран СНГ, производящие арматурный прокат для строительства, начали массовое освоение зарубежных рынков сбыта своей продукции, ориентируясь при этом на требования стандартов стран-покупателей арматурной стали. Основные производители арматуры в СНГ перешли на выпуск нового проката с периодическим профилем европейского образца по СТО АСЧМ 7-93 и ГОСТ 1088-94 (рис. 1, б). В странах Европы и СНГ серповидный профиль широко используется и выполняется согласно нормам EN-10080-1 (1998). Как видно на рисунке, арматура отличается по внешнему виду, прежде всего тем, что в профиле европейского образца серповидные выступы не пересекаются с продольными ребрами. Анализ многочисленных исследований по обоснованию геометрических параметров профилей кольцевого по ГОСТ 5781 и серповидного по СТО АСЧМ 7-93 показал, что как тот, так и другой имеют свои достоинства и недостатки, к сожалению, зачастую взаимоисключающие друг друга.

В кольцевом профиле по ГОСТ 5781 наличие концентраторов напряжений в местах пересечений поперечных ребер с продольными является одной из основных причин снижения прочностных характеристик. При динамических нагрузках в бетоне в случае возникновения в месте пересечения ребер трещины она распространяется по линии поперечного ребра (по кольцу), и при достижении критического размера происходит разрыв находящегося под нагрузкой стержня. По сравнению с кольцевым, серповидный профиль способствует формированию более высоких (выше на 4 8%) прочностных и пластических свойств при прокатке, не имеет концентраторов напряжений в виде пересечений, однако имеет худшие показатели, характеризующие прочность и жесткость сцепления с бетоном.

Многочисленными исследованиями доказано, что в массивных конструкциях с большой толщиной защитного слоя бетона экономически целесообразно применять кольцевой профиль из-за его высокой анкерующей способности. В конструкциях тонкостенных, особенно предварительно напряженных, объективно применение арматуры серповидного профиля для обеспечения высокой степени их эксплуатационной надежности.

В 2002 году руководителем Центра проектирования и экспертизы НИИЖБ (Москва) И. Н. Тихоновым было найдено оригинальное компромиссное решение, которое позволяет в основном разрешить противоречия между профилями по ГОСТ 5781 и СТО АСЧМ 7-93.

Новый арматурный профиль по своей конструкции и взаимодействию с бетоном выгодно отличается от кольцевого и серповидного главным образом из-за чередования по длине стержня вершин смежных серповидных поперечных ребер во взаимно перпендикулярных осевых плоскостях (рис. 1, в). Он обеспечивает высокую жесткость и прочность сцепления при низкой распорности в бетоне.

Опытная стержневая арматура с новым видом профиля впервые была прокатана на Белорусском металлургическом заводе в 2003 году и в настоящее время исследуется на опытно-промышленных партиях на заводах ЖБИ России.

На рис. 2 показаны виды нового профиля и обозначены площади участков поперечных ребер, участвующих в сопротивлении его выдергиванию из бетона.

При сопоставлении с сопротивлением поперечных ребер европейского профиля с равным шагом их расположения по длине с и одинаковой высотой ребра h очевидно, что жесткость и прочность сцепления нового профиля с бетоном увеличивается за счет участия площадей F1, расположенных равномерно по периметру стержня с шагом с/2, F2 и F3 c шагами, равными с, смещенных по длине стержня относительно друг друга на величину, равную с/2, и расположенных с вершинами во взаимно перпендикулярных осевых плоскостях. В данном случае распорность стержня при той же нагрузке уменьшается практически в два раза из-за перераспределения ее за счет дополнительных поперечных ребер на другую взаимно перпендикулярную осевую плоскость. Из рис. 2 видно, что по прочности сцепления с бетоном арматура с этим профилем имеет преимущества перед арматурой с серповидным и кольцевым профилями. Как показали результаты опытов, при fR і 0,075 арматура с новым профилем не уступает по жесткости арматуре с кольцевым профилем и превышает по данному показателю арматуру серповидного профиля.

Следует заметить, что в 1990 году под руководством И.Н. Тихонова создана конструкция арматурного профиля, которая была впервые прокатана на Белорусском металлургическом заводе и запатентована в Беларуси (патент №776 Арматурный стержень периодического профиля с приоритетом 06.12.1993). В настоящее время этот профиль осваивается на РУП БМЗ в виде термомеханически упрочненного арматурного профиля мелких диаметров в бунтах. Вид профиля показан на рис. 3.

Рис. 2. Вид нового профиля.

Таким образом, по внешнему виду арматурный профиль, произведенный способом горячей прокатки, сегодня можно подразделить на кольцевой . серповидный . смешанный (новый) и трефовый (четырехсторонний.

Европейский серповидный профиль (рис. 1, б) по EN-10080-1 и DIN 488 может иметь варианты исполнения, которые отличаются шагом, углом наклона серповидных выступов по отношению друг к другу.

По физико-механическим свойствам и другим показателям качества строительная арматура подразделяется на классы прочности. Поскольку она используется для производства ответственных строительных деталей и конструкций и потребление металла на 1м железобетона составляет в среднем 70 кг, или 10 25% от стоимости железобетона, к ней предъявляются весьма жесткие требования, а именно.

высокие прочностные и пластические механические свойства.

прочность и жесткость сцепления с бетоном.

низкая распорность в бетоне.

хорошая свариваемость.

коррозионная стойкость и усталостная прочность.

Рис. 3. Термомеханически упрочненный арматурный профиль.

Прочность и жесткость сцепления арматуры с бетоном и другими материалами, а также ее распорность в бетоне во многом определяются видом и геометрическими параметрами профиля поверхности арматурного стержня, а также свойствами бетона и технологическими параметрами его укладки. Выпуская продукцию по собственным техническим условиям, большинство заводов стремятся к унификации, ориентируясь на СТО АСЧМ 7-93 Прокат периодического профиля из арматурной стали . Этот нормативный документ распространяется на классы А400С, А500С, А600С стержневую и бунтовую арматуру, производимую как.

горячекатаную без последующей обработки.

термомеханически упрочненную в потоке станов.

механически упрочненную в холодном состоянии.

Механические свойства и свариваемость арматурной стали зависят от ее химического состава (горячекатаная арматура) и способа упрочнения (термомеханическая или термическая обработка, холодная деформация). Механические свойства, химический состав, способы прокатки и упрочнения, параметры и вид профиля в той или иной степени определяют коррозионную стойкость и усталостную прочность арматуры.

Металлургические заводы стран СНГ производят строительную арматуру диаметром от 6 до 40 мм и пределом текучести от 235 до 1200 Н/мм . Поставка арматуры осуществляется в бунтах и прутках мерной и немерной длины. В зависимости от механических свойств арматуру делят на классы: горячекатаную А-I A-VI (старое обозначение) или с указанием предела текучести (в новой редакции) А240 А1000, термомеханически или термически упрочненную Aт-IIIC Aт-VII или Aт400 Aт1200.

Эффективность использования железобетонных конструкций в значительной степени зависит от потребительских характеристик арматуры. Так, применение термомеханически упрочненного арматурного проката с прочностью 500 1200 Н/мм за счет снижения расходных коэффициентов позволяет повысить эффективность использования металла на 15 35%. Подсчитано, например, что использование 500 тыс. тонн в год такого проката дает экономию 169,5 млн. кВт/ч электроэнергии, или 37 тыс. тонн условного топлива.

Рассмотрим эксплуатационные характеристики арматуры по механическим свойствам (табл. 1). В г орячекатаной арматурной стали по ГОСТ 5781 требуемые механические свойства обеспечиваются химическим составом стали. С этой целью используются не только углеродистые стали 3-5сп, но и стали, легированные марганцем и кремнием 35ГС, 25Г2С, а также более прочные стали, легированные хромом и титаном, 23Х2Г2Т, 23Х2Г2Ц.

Таблица 1. Механические характеристики горячекатаной арматуры.

Арматурная сталь подразделяется на классы в зависимости от минимального значения предела текучести (Н/мм2) и эксплуатационных характеристик (С свариваемая, К стойкая против коррозионного растрескивания под напряжением). Свариваемость проката обеспечивается технологией производства и химическим составом стали, из которой он изготовлен. Величина углеродного эквивалента (Сэ) для свариваемого арматурного проката класса А400 должна быть в пределах 0,3 0,52%, для класса А500 в пределах 0,35 0,52% и 0,4 0,65% для класса А600.

Арматурную сталь классов А-I(А240) А-IV(А600) производят горячекатаной, класса А-V(А800) с низкотемпературным отпуском, класса А-VI (А1000) с низкотемпературным отпуском или термической обработкой в потоке прокатного стана.

Для армирования железобетонных конструкций в соответствии с ГОСТ 10884 изготавливают термомеханически или термически упрочненную арматуру Ж 10 40 мм из углеродистых и низколегированных сталей, марки и режимы термического упрочнения которых выбираются заводом-изготовителем. Арматурную сталь изготавливают 6 классов (см. табл. 2.

Таблица 2. Термически упрочненная арматура по ГОСТ 10884.

Наиболее часто используется арматура Ат800 (Ат-V) Ж10 14 мм. Крупнейшие поставщики термически упрочненной арматуры Северсталь (Ж14 мм), ЗСМК (Ж12 18 мм), РУП БМЗ (Ж15 32 мм). Термомеханически упрочненная арматура для преднапряженных конструкций по ГОСТ 10884 производится только мерной длины, обычно 6,8 и 7,5 м. Эта арматура предназначена для изготовления преднапряженных плит-перекрытий.

Механические свойства термически упрочненной арматурной стали различных классов, в том числе свариваемой и стойкой против коррозионного растрескивания под напряжением, до и после электронагрева, а также результаты испытания на изгиб должны соответствовать требованиям, приведенным в табл. 3.

Таблица 3. Механические свойства термически упрочненной арматурной стали.

Арматура для железобетонных конструкций Ж 6 12 мм поставляется в бунтах массой от 500 до 2000 кг. Как правило, это арматура класса А-I и А-III. В прутках идет в основном арматура классов А-III и А-VI стержни периодического профиля Ж10 40 мм. Горячекатаная арматура производится обычно мерной длины 6,8 11,2 м. Встречаются заказы с длиной стержней до 25 м. Свариваемая горячекатаная арматура по ГОСТ 5781 поставляется также немерной от 3 до 9 м, которая затем сваривается потребителями на стыкосварочных станках. Термомеханически упрочненная арматура по ГОСТ 10884 не сваривается, однако уже появляются публикации по использованию технологии стыковки немерной арматуры с помощью запрессовки арматурных стержней в специальные трубы.

Рис. 4. Схема производства холоднодеформированной арматуры.

В последнее время заводы редко производят арматуру класса A-I по ГОСТ 5781, вместо этого катают круглый профиль по ГОСТ 535, который как строительная арматура не может быть использован.

Основным нормативным документом на производимую арматуру в Республике Беларусь являются технические условия. Для гладкой арматуры класса А240 диаметром 5,5 12 мм в мотках ТУ РБ 400074854.031-2000 и для арматуры диаметром 5,5 7,1 мм класса А500С ТУ РБ 400074854.047-2000. Горячекатаный и термически упрочненный арматурный прокат периодического профиля в стержнях диаметром от 9,53 мм до 32,26 мм класса А300 А400 поставляется по ТУ РБ 400074854. 051-2001, термически упрочненный прокат периодического профиля в стержнях размером от №10 до №25 классов Ат800 и Ат1200 по ТУ 14-1-5434-2001. Горячекатаный прокат серповидного периодического профиля в стержнях размером от №10 до №40 из углеродистых и низколегированных марок сталей поставляется по ТУ 14-1-545302992.

Рис. 5. Разновидности холоднодеформированной арматуры.

Поставка арматуры производства РУП БМЗ на рынки СНГ и в дальнее зарубежье осуществляется по СТО АСЧМ 7-93 и нормативным документам страны-потребителя. Арматурная продукция РУП БМЗ сертифицирована по национальным стандартам России, Польши и большинства стран ЕС.

Значительное количество арматуры поставляется на внешний рынок в соответствии с требованиями евронорм ENV 10080.1995, ISO 6934-1.1990, ISO 6935-2.1990, стандартов Великобритании BS 4449-97, Германии DIN 448.1984, США ASTM A722-90, ASTM A706/ A706M0-90 и ACI 439, 4R-89.

Общая тенденция предприятий-производителей арматуры попытка унификации требований и создание свариваемых арматурных сталей класса А400С и А500С с содержанием углерода не более 0,22%, получаемых путем термомеханического упрочнения. Оправданным, по мнению НИИЖБ России, является производство арматуры легированием хромом и с микролегированием ванадием и бором.

Следует отметить, что РУП БМЗ совместно с НИИЖБ РФ еще в бытность СССР первым начал унификацию и производство арматуры класса А500С. По заказам строительных предприятий выпускались и опытные партии арматуры длиной 24,2 м. С увеличением доли монолитного домостроения эта арматура пользуется возрастающим спросом.

Рис. 6. Холоднодеформированный витой арматурный профиль по патенту № 361 BY.

Все вышеперечисленное относится к арматуре, производимой на металлургических предприятиях способом горячей прокатки с последующим охлаждением на воздухе или термическим упрочнением в трассе водяного охлаждения. Бунтовой прокат диаметром 6 8 мм является сегодня дефицитной продукцией у строителей, так как производится на металлургических предприятиях в малых количествах из-за пониженной рентабельности в сравнении с арматурой больших диаметров. Практически отсутствует на строительных рынках арматура диаметром 6 мм.

В Европе сегодня просматривается тенденция на увеличение объема выпуска холоднодеформированной арматуры диаметром до 20 мм в бунтах. Она имеет более высокие прочностные свойства и коррозионную стойкость, выгодно отличаясь от горячекатаной и по внешнему товарному виду. Основным нормативным документом является DIN 488. Арматура выполняется в виде круглого в сечении профиля с нанесенным трехсторонним рифлением по периметру сечения и в основном производится в трехвалковых клетях фирм Koche, GSG по схеме, приведенной на рис. 4.

В СНГ холоднодеформированная арматура с трехсторонним профилем диаметром 6 10 мм выпускается в очень малых объемах по техническим условиям предприятия-производителя. В России есть несколько производителей арматуры этого вида по своим техническим условиям, например ТУ 14-1-5372-99 Сталь холоднодеформированная периодического профиля для армирования железобетонных конструкций . Орловский сталепрокатный завод в свое время выпускал арматуру с четырехсторонним профилем по ТУ 14-170-217-94 Холоднодеформированная с четырехсторонним периодическим профилем для армирования железобетонных конструкций . Подобная арматура в настоящее время освоена в Челябинске и Магнитогорске. Кроме вышеперечисленных разновидностей, на строительном рынке периодически появляются внешне разнообразные виды холоднодеформированной арматуры (рис. 5.

Характерной особенностью данных изделий, производимых в России, является пониженное значение относительного удлинения s10 не более 6%. Это связано в основном с явлением наклепа и последеформационного старения.

В Беларуси производство холоднодеформированной арматуры начато ООО Строительные ресурсы . Первоначально был освоен витой арматурный профиль по патенту № 361 BY от 22.01.2001 г. (рис. 6), который хорошо показал себя взамен арматурной проволоки ВР-1 диаметром 4 5 мм по ГОСТ 6727-80. Затем двухсторонний арматурный профиль по патенту № 612 BY от 04.12.2001 г. практически не отличающийся по внешнему виду от привычного для строительных организаций двустороннего серповидного профиля по СТО СЧМ 7-93. На его основе разработаны и внедрены технические условия ТУ РБ 190266671.001-2002, внесенные в строительные нормы РБ Бетонные и железобетонные конструкции (СНБ 5.03.01-02, Минск, 2003, Министерство архитектуры и строительства, РУП Стройтехнорм , с.139.

Для холоднодеформированной арматуры диаметром 6 8 мм по этим техническим условиям характерно обеспечение достаточно высокого относительного удлинения. При норме s5 = 6% по ТУ РБ 190266671.001-2002 фактическое его значение обеспечивается в пределах 13 15% без потери пластических свойств после вылеживания бунта арматуры в течение 15 20 дней. Этот результат получен за счет новых технических решений при обработке металла после его деформации и перед намоткой на катушку.

В заключение следует упомянуть используемую строителями для производства кладочной сетки арматурную проволоку ВР-1 диаметром 3 5 мм по ГОСТ 6727-80 и высокопрочную арматуру по ГОСТ 7348-81 Проволока из углеродистой стали для армирования предварительно напряженных железобетонных конструкций для струнобетонов и железнодорожных шпал. Если проволока ВР-1 производится из обычной низкоуглеродистой стали по ГОСТ 380, то высокопрочная арматурная проволока выпускается из высокоуглеродистой стали Ст.75 85 по ГОСТ 14959. Такая сталь обеспечивает номинальное временное сопротивление в пределах 1470 1780 Н/мм в готовом профиле диаметром 3 8 мм. В настоящее время эта арматура в Беларуси не производится и закупается в России, хотя по химическому составу она соответствует катанке для металлокорда и РМЛ, которую выпускает РУП Белорусский металлургический завод . К сожалению, несмотря на возможность изготовления такой катанки, организовать производство высокопрочной арматуры в настоящее время не представляется возможным, так как кроме специального деформирующего инструмента и оборудования для рихтовки и намотки готовой арматуры необходимы агрегаты для патентирования катанки перед деформацией и отпуска арматурной проволоки перед смоткой.

Технология производства высокопрочной арматуры принципиально разработана, причем без традиционного патентирования, специалистами ООО Строительные ресурсы , но по организационным причинам пока не реализована на практике.