Сцепление бетона с металлом

Обновлено: 18.05.2024

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Окольникова Галина Эриковна, Тихонов Георгий Игоревич, Гришин Григорий Евгеньевич

В статье рассмотрены предпосылки и история возникновения инновационных, востребованных на сегодняшний день видов арматурного проката для строительства, их отличительные особенности и качественные показатели, приведены методология и результаты различных исследований, проведенных на базе НИИЖБ имени А.А. Гвоздева АО «НИЦ “Строительство”» и ООО «Института ВНИИжелезобетон». Цель исследования - ознакомление с новыми видами инновационного арматурного проката и демонстрация их преимуществ. Для испытаний, результаты и методика которых приведены в статье, были изготовлены пробные прокатки арматуры с четырехрядным винтовым профилем . По прочности и деформативности сцепления с бетоном арматура с многорядным (четырехрядным и шестирядным) арматурным профилем существенно превзошла арматуру с двухрядным серповидным (европейским) и винтовым (аналог GEWI-Stahl) профилями. Она продемонстрировала высокие показатели сцепления с бетоном не только в эксплуатационной, но и в запредельной стадии деформирования арматуры . Новая четырехрядная винтовая арматура обладает конкурентными преимуществами относительно винтовой двухрядной арматуры (аналог GEWI-Stahl), обеспечивает качество и расширяет применение механических муфтовых соединений взамен сварных и нахлесточных. Конструктивные решения с ее применением могут успешно конкурировать с продукцией фирм Dywidag, Peikko, Halfen, Lenton и др.

ADHESION TO CONCRETE OF NEW TYPES OF REBAR ROLLED PRODUCTS FOR CONSTRUCTION

This article discusses the background and history of the emergence of innovative, popular today, types of rebar for construction, their distinctive features and quality indicators, the methodology and results of various studies conducted on the basis of NIIZHB named after A.A. Gvozdev of JSC Research Center of Construction and LLC “Technological Institute ‘VNIIzhelezobeton’ ”. The purpose of this article is to introduce new types of innovative rebar products and demonstrate their advantages. For the tests, the results and methods of which are given in the article, test rolls of rebar with a four-row screw profile were made. In terms of strength and deformability of adhesion to concrete, the reinforcement with multi-row (four-row and six-row) reinforcement profiles significantly surpassed the reinforcement with two-row crescent (European) and screw (GEWI-Stahl analog) profiles. It has demonstrated high adhesion to concrete not only in the operational, but also in the extreme stage of deformation of the reinforcement. This article discusses the background and history of the emergence of innovative, popular today, types of rebar for construction, their distinctive features and quality indicators, the methodology and results of various studies conducted on the basis of NIIZHB named after A.A. Gvozdev of JSC Research Center of Construction and LLC “Technological Institute ‘VNIIzhelezobeton’ ”. The purpose of this article is to introduce new types of innovative rebar products and demonstrate their advantages. For the tests, the results and methods of which are given in the article, test rolls of rebar with a four-row screw profile were made. In terms of strength and deformability of adhesion to concrete, the reinforcement with multi-row (four-row and six-row) reinforcement profiles significantly surpassed the reinforcement with two-row crescent (European) and screw (GEWI-Stahl analog) profiles. It has demonstrated high adhesion to concrete not only in the operational, but also in the extreme stage of deformation of the reinforcement.

Текст научной работы на тему «СЦЕПЛЕНИЕ С БЕТОНОМ НОВЫХ ВИДОВ АРМАТУРНОГО ПРОКАТА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА»

Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования RUDN Journal of Engineering Researches

DOI 10.22363/2312-8143-2020-21-2-144-152 УДК 624.012:691.714:624.014

Сцепление с бетоном новых видов арматурного проката для строительства

Г.Э. Окольникова", Г.И. ТихоноваЬ, Г.Е. Гришинь

Российский университет дружбы народов, Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6 ьНаучно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона имени А. А. Гвоздева АО «НИЦ "Строительство"», Российская Федерация, 109428, Москва, 2-я Институтская ул., д. 6, корп. 5

Поступила в редакцию: 14 апреля 2020 г. Доработана: 19 мая 2020 г. Принята к публикации: 1 июня 2020 г.

железобетон, арматура, сейсмостойкое строительство, арматурные соединения, винтовой профиль

Аннотация. В статье рассмотрены предпосылки и история возникновения инновационных, востребованных на сегодняшний день видов арматурного проката для строительства, их отличительные особенности и качественные показатели, приведены методология и результаты различных исследований, проведенных на базе НИИЖБ имени А.А. Гвоздева АО «НИЦ "Строительство"» и ООО «Института ВНИИжелезобетон». Цель исследования - ознакомление с новыми видами инновационного арматурного проката и демонстрация их преимуществ. Для испытаний, результаты и методика которых приведены в статье, были изготовлены пробные прокатки арматуры с четырехрядным винтовым профилем. По прочности и деформативности сцепления с бетоном арматура с многорядным (четырехрядным и шестирядным) арматурным профилем существенно превзошла арматуру с двухрядным серповидным (европейским) и винтовым (аналог GEWI-Stahl) профилями. Она продемонстрировала высокие показатели сцепления с бетоном не только в эксплуатационной, но и в запредельной стадии деформирования арматуры. Новая четырехрядная винтовая арматура обладает конкурентными преимуществами относительно винтовой двухрядной арматуры (аналог GEWI-Stahl), обеспечивает качество и расширяет применение механических муфтовых соединений взамен сварных и нахлесточных. Конструктивные решения с ее применением могут успешно конкурировать с продукцией фирм Dywidag, Peikko, Halfen, Lenton и др.

От эффективности сцепления с бетоном периодического профиля поверхности арматурного проката зависит длина анкеровки арматуры на опорах железобетонных плит и балок, прочность

_ This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0

(ccl © 1 International License

их наклонных сечений, момент образования и ширина раскрытия трещин, длина анкерующих стержней закладных деталей и пр.

В предварительно напряженных железобетонных элементах от вида профиля поверхности арматуры и его распорности в бетоне зависит эффективность применения высокопрочной стержневой арматуры.

Несмотря на ряд существенных недостатков, касающихся в основном технологии производства и низкой выносливости, в СССР была рекомендована для массового применения арматура с кольцевым видом профиля по ГОСТ 5781-82 (рис. 1, а) [1].

Нормативные документы того времени для проектирования железобетонных конструкций создавались на базе результатов испытаний элементов (плит, балок стоек и т.п.), армированных кольцевой арматурой по ГОСТ 5781-82, имеющей высокие показатели сцепления с бетоном.

Железобетонные конструкции зданий и сооружений, запроектированные по СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» имели лучшие в мире технико-экономические показатели по расходу арматуры, а их безопасность проверена длительными сроками эксплуатации [1].

Нормативными документами, разработанными для мостостроения, - СНиП 2.05.03-84*

(СП 35.13330.2011) «Мосты и трубы» до настоящего времени предусмотрено использование кольцевой арматуры по ГОСТ 5781-82, для которой из-за ее низкой выносливости введены к расчетному сопротивлению понижающие коэффициенты условий работы (т), зависящие от характеристик многократно повторяющихся циклических нагрузок и наличия сварных соединений. При р= =0,5 для А400 т = 0,75, а для

Применение арматуры класса А500, массово используемой в обычном строительстве, данными нормами не предусмотрено.

Рис. 1. Виды профилей арматурного проката [7]: а, б - обычные; в, г - инновационные; г, д - винтовые [Figure 1. Types of rebar profiles [7]: а, б - normal; в, г - innovative; г, д - screw]

С 1990 г. металлурги России стали массово производить арматурный прокат для экспортной поставки в другие страны.

В соответствии с рекомендациями евро-стандартов, принятых в нормах многих стран, поставка на зарубежный рынок арматуры производится с так называемым европейским профилем, который отличается от кольцевого, производимого в СССР по ГОСТ 5781-82, незамкнутым по периметру (без пересечений с продольными ребрами) двухсторонним (двухрядным) расположением поперечных серповидных ребер (рис. 1, б). С целью унификации производства, арматура с «европейским» видом профиля стала массово внедряться в России, несмотря на то, что ее показатели сцепления с бетоном значительно ниже, чем у кольцевого профиля по ГОСТ 5781-82 [1; 2].

Внедрение нового вида профиля арматуры привело к необходимости гармонизации требований по ее сцеплению с бетоном и трещино-

стойкости железобетона отечественных стандартов с зарубежными нормами.

В СП 63.13330.2018 к СНиП 52-01-2003 рекомендованы методы расчета и конструктивные требования, учитывающие массовое внедрение в России арматуры с европейским профилем с низким браковочным значением критерия Рема (/к > 0,056), имеющую пониженную прочность и повышенную деформативность сцепления с бетоном относительно арматуры с кольцевым профилем, по ГОСТ 5781-82.

Длина анкеровки и нахлестки стержней, а также ширина раскрытия трещин по новым нормам увеличена на 30-40 % по сравнению со старыми

Впервые в истории создания нормативных документов в СССР и России для проектирования железобетонных конструкций расчеты по новому нормативному документу дают результаты по расходу арматуры выше, чем по предшествующим нормам.

Применение новых требований при проектировании привело к удорожанию строительства и излишним расходам металла, используемом в строительной отрасли.

Для исправления сложившейся ситуации необходимо было принимать новые инновационные технические решения.

С 2003 г. различные исследователи и организации разрабатывают виды арматурного проката с принципиально новыми конструктивными решениями профиля поверхности [1; 3].

Успешными оказались разработка и исследование арматуры с шестирядным профилем класса А500СП с высоким критерием Рема (/д > 0,075) (рис. 1, в). Эта арматура более 12 лет производится на ЕВРАЗ ЗСМК (Новокузнецк, Кемеровская область). К настоящему моменту использовано в железобетоне около 4 млн т подобной арматуры. В результате высокой прочности сцепления с бетоном, а также меньшей ширины раскрытия трещин в железобетонных конструкциях, учитываемых СТО 36554501-005-2006** «Применение арматуры класса А500СП в железобетонных конструкциях», расход арматуры в элементах с ее применением снижается на 5-30 %. Подтверждена надежность и эффективность использования новой арматуры в сейсмостойком, высотном и других видах гражданского и промышленного строительства [1].

В процессе освоения производства арматуры класса А500СП экспериментально установлено, что благодаря увеличению оребренности поверхности арматуры, а следовательно, контакта с во-довоздушной охлаждающей средой в процессе термомеханического упрочнения увеличиваются прочностные свойства проката. Таким образом, эффективность термоупрочнения арматуры, как и ее сцепления с бетоном, зависит от профиля поверхности стержней, характеризуемой видом профиля и критерием Рема (/д), минимальные значения которого устанавливаются действующей нормативной документацией для массового производства арматуры (0,056), а оптимальные значения находятся в диапазоне 0,07-0,08 [1; 2].

Увеличение критерия Рема у арматуры с традиционным европейским профилем, имеющим двустороннее расположение поперечных ребер fR > 0,056, возможно только за счет увеличения площади контакта поперечных ребер с бетоном (из-за чего образуется асимметрия (овальность) сечения стержней, возникают трудности по заполнению их металлом) или же за счет уменьшения

расстояния между ними, вследствие чего снижается прочность сцепления с бетоном [1].

В результате исследований установлено, что совершенствование европейского профиля технологически и практически нецелесообразно.

Арматура класса А500СП положительно зарекомендовала себя на стройках Чувашии, Удмуртии, Татарстана, Сибири и Дальнего Востока. Она применялась при строительстве олимпийских объектов и реконструкции морского порта Сочи (Краснодарский край), в высотном монолитном и сборном строительстве Москвы, Санкт-Петербурга, Астаны и Алма-Аты (Казахстан), космодрома «Восточный», атомной электростанции «Нововоронежская», а также на многих других строительных объектах.

Объемы производства и применения арматуры класса А500СП объективно подтверждают эффективность разработки и массового внедрения инновационных видов арматуры в России.

В 2016 г. началась разработка нового вида арматурного проката, сохранявшего преимущества многорядного профиля, а именно низкую распорность в бетоне, но имеющего высокие динамические показатели (выносливость при циклическом динамическом нагружении), необходимые для транспортного и других видов строительства [1; 4; 5].

При создании арматуры с новым профилем ставилась задача не только выполнить оба вышеприведенных условия, но и практически осуществить эту разработку на имеющемся у металлургов серийном двухвалковом прокатном оборудовании без значительных материальных затрат на его переделку.

Кроме того, новую арматуру предполагалось использовать в качестве винтовых крепежных элементов и винтовой арматуры с механическими муфтовыми стыковыми соединениями стержней и их анкеровкой гайками [1; 6].

Данный вид стыковки и анкеровки арматуры является предпочтительным в сейсмостойком строительстве, а также при большом насыщении ею железобетонных конструкций высотного, атомно-энергетического, гидротехнического и других видов строительства.

Задачи были успешно выполнены путем разработки и внедрения новой конструкции четырехрядного профиля арматуры с двухзаходным винтообразным расположением по поверхности серповидных ребер (рис. 1, г) [1; 7].

Данная конструкция позволяет изменять в широком диапазоне критерий Рема ) и без каких-

либо технологических трудностей обеспечить его высокие браковочные значения (fR > 0,07).

Для отработки технологии производства, оценки эффективности применения новой арматуры были произведены опытные прокатки на Тульском металлопрокатном заводе и ЕВРАЗ ЗСМК (Новокузнецк), а также исследования в НИИЖБ имени А.А. Гвоздева [7] и ООО «Институт ВНИИжелезобетон».

Для производства арматуры с винтообразным (резьбовидным) расположением поперечных ребер, позволяющим осуществить стыковку арматуры муфтами и анкеровку гайками, использовалась синхронизация прокатных валков, что несколько усложняет процесс изготовления арматуры, но обеспечивает преимущества, присущие этому виду продукции [1; 8; 9].

Испытания по оценке прочности сцепления арматуры с бетоном проводились по методике ГОСТ Р 57357-2016 «Сталь для армирования железобетонных конструкций. Технические условия» (EN 10080:2005. Steel for the reinforcement of concrete. Weldable reinforcing steel. General, IDT). Метод базируется на RILEM Рекомендациях RC 6 «Испытание на сцепление арматурной стали - 2. Испытание выдергиванием» (1983).

Принцип испытания заключался в следующем. Образец упирался вертикально в опорную плиту испытательного устройства, в которой имелось центральное отверстие размером 2d. К длинному концу арматурного стержня замоноличенного в бетонный куб с заделкой, составляющей 5d, прикладывалось растягивающее усилие. Другой незагруженный конец стержня выступал из образца на 10 мм. Сдвиг арматуры относительно бетона измерялся в начале и в конце каждого приращения нагружения. Соотношение между усилием растяжения и сдвигом (то есть относительное смещение между арматурой и бетоном) измерялось до полного выдергивания арматуры из бетона. Растягивающую нагрузку увеличивали ступенями составляющими ~ 10 % от расчетного усилия разрушения сцепления арматуры с бетоном. Выдержка после приложения каждой ступени составляла 5 мин. В процессе испытания на оборудовании «Института ВНИИжелезобетон» непрерывно регистрировалось прикладываемое к арматуре усилие и перемещение активного захвата динамометром и датчиком перемещения испытательной системы. В на-

чале и конце каждой ступени выдержки регистрировался сдвиг ненагруженного конца арматуры относительно плоскости заделки в бетонный образец и удлинение (деформация) нагруженного конца арматуры [1; 10-12]. Схема испытания в НИИЖБ имени А.А. Гвоздева АО «НИЦ "Строительство"» показана на рис. 2.

На рис. 3 приведены результаты испытаний, выполненных в ООО «Институт ВНИИжелезобетон», а на рис. 4 испытания, проведенные в НИИЖБ имени А.А. Гвоздева АО «НИЦ "Строительство"».

На рис. 3 графики левой части от вертикальной оси характеризуют величину сдвига незагруженных концов испытанных арматурных стержней двух сопоставляемых видов относительно торцевой поверхности опытных бетонных кубов, построенные вручную по показаниям приборов.

В правой части приводятся графики, оценивающие суммарную величину сдвига стержней относительно бетона и удлинение загруженного конца арматуры в процессе поэтапного нагружения, записанные автоматическими датчиками, регистрирующими перемещение захватов испытательной машины. Эти графики наглядно иллюстрируют процесс перераспределения усилий сцепления анкеру-ющего участка арматуры с бетоном в запредельной стадии деформирования ее загруженного конца.

По полученным результатам испытаний в ООО «Институт ВНИИжелезобетон» можно заключить, что:

- арматура с четырехрядным винтовым профилем f = 0,072, рис. 1, г) имеет прочность сцепления с бетоном выше на 20-30 %, чем арматура с двухрядным винтовым профилем f = 0,091, рис. 1, д);

- арматура с четырехрядным расположением поперечных ребер с длиной анкеровки 5d сохраняет сцепление с бетоном прочностью 72,2 МПа на упругом и пластическом участках деформирования стержня.

Более того, прочность сцепления с бетоном продолжала увеличиваться при нагружении загруженного конца стержня в зоне упрочнения до относительных деформаций, достигающих £ = 5 %. Всплески показаний датчиков на графиках после достижения gt фиксируют процесс поэтапного перераспределения усилий сцепления по длине анкерующей части стержня без потери его прочности, что свидетельствует о высокой энергоемкости сцепления новой арматуры в запредельной стадии деформирования.

Рис. 2. Испытания для оценки прочности и деформативности сцепления арматурного проката с бетоном в НИИЖБ имени А.А. Гвоздева АО «НИЦ "Строительство"» (фотографии сделаны Г.И. Тихоновым): 1 - схема испытаний; 2 - испытанные образцы; 3 - вид арматурного стержня после испытаний [Figure 2. Tests to assess the strength and deformability of the coupling of rebar rolled products with concrete in the NIIZHB named after A.A. Gvozdev of JSC Research Center of Construction (photos taken by Georgy I. Tikhonov): 1 - scheme of the test; 2 - tested samples; 3 - view of the reinforcing bar after the test]

Исследование величины сцепления бетона с металлической арматурой, предварительно обработанной цементным раствором Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Акаев А.-Д.И., Батдалов М.М.

По объему использования в различных областях строительства железобетон находится на одном из первых мест и составляет примерно 90-95 %, что связано, прежде всего, с его сравнительной дешевизной и долговечностью. Однако его долговечность прямо связана с долговечностью металлической арматуры, которая подвержена коррозии.I

Текст научной работы на тему «Исследование величины сцепления бетона с металлической арматурой, предварительно обработанной цементным раствором»

Рис. 4 - Высоковольтная линия с дугогасящей катушкой

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ СЦЕПЛЕНИЯ БЕТОНА С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ АРМАТУРОЙ, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ОБРАБОТАННОЙ ЦЕМЕНТНЫМ

Акаев А.-Д.И., к.тн., доцент, Батдалов М.М. д.тн., проф., Хадисов В.Х.*, к.т.н., доцент Институт (филиал) ФГБОУВПО «МГОУ имени В.С. Черномырдина»

*Грозненский государственный нефтяной технический университет

Аннотация: По объему использования в различных областях строительства железобетон находится на одном из первых мест и составляет примерно 90-95 %, что связано, прежде всего, с его сравнительной дешевизной и долговечностью.

Ключевые слова: исследования, бетон, арматура, цементный раствор.

STUDY OF ADHESION CONCRETE WITH METAL REINFORCEMENT PREVIOUSLY TREATED WITH CEMENT MORTAR

Abstract: In terms of use in various fields of construction concrete is one of the first places and is about 90-95%, due primarily to its comparative low cost and durability.

Keywords: research, concrete, rebar, cement.

В железобетонных конструкциях металлическая арматура от коррозии защищается слоем бетона. На практике, коррозия металлических стержней обнаруживается непосредственно после их изготовления на заводе в виде ржавчины, коррозионных язв и т.д. Каждый год во всем мире на антикоррозионные дела расходуются от 70 до 100 миллиардов долларов. На фото 1 и 2 приведен характер разрушений металлических арматурных стержней в железобетонных конструкциях. В данном случае основную отрицательную роль играет защитный слой бетона, который в большинстве случаев не соблюдается и, вода, через поры, трещины и неплотности бетона доходит до арматурных стержней, подвергая их коррозии. При этом коррозионный слой набухает и увеличивается в объеме, возникают напряжения в бетоне, и наблюдается потеря сцепления арматурных стержней с бетоном. Конечно, существуют различные способы защиты арматурных стержней от коррозии. Ряд из них технологически сложны для осуществления, а другие достаточно дороги.

Фото 1 и 2. Характер коррозионных разрушений арматурных стержней в железобетонных конструкциях

В лабораторных условиях были изготовлены ряд арматурных стержней различного диаметра длиной 20 см (64 шт.) с предварительно обработанной цементным раствором поверхностями и 24 шт. без обработки их поверхностей. После набора прочности

цементным раствором (28 дней) в естественных условиях арматурные стержни внедрялись в заранее изготавливаемые растворные кубики (10*10x10) см и, в дальнейшем, они твердели в естественных условиях в течение 28 дней.

После твердения производилось выдергивание арматурных стержней из кубиков для определения величины сцепления их с образцов (фото. 3,4). Особое внимание было технологии его нанесения на образцы и процессу его затвердевания.

Фото. 3 и 4. Общий вид изготовленных образцов с арматурными стержнями, изготовленными с цементным раствором.

Испытания для определения величины сцепления арматурных стержней показали, что гсц арматурных стержней с обработанной поверхностью выше гсц без обработки на 5^7%, причем гсц стержней с периодическим профилем эта разница составляет до 10 %.

В реальных условиях для строящихся объектов (ООО «Мустанг», Дагестан, г. Хасавюрт) были изготовлены различные арматурные каркасы с обработанной поверхностью и внедрены в производство (фото 5 и 6).

Фото 5 и 6. Общий вид арматурных каркасов с обработанной и необработанной

В результате проведенных исследований и испытаний доказана эффективность использования цементного раствора для обеспечения защиты металлических (арматурных) стержней от коррозии. В ООО «Мустанг» под руководством Хадисова Х.И. и к.т.н., доцента Хадисова В.Х. Грозненского нефтяного технического университета налажена технология нанесения цементного раствора на арматурные изделия.

ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ ДВУМЕРНОЙ ЗАДАЧИ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ УПРУГОЙ ЖИДКОСТИ В НЕОДНОРОДНОМ ПЛАСТЕ

Баламирзоев А.Г.,д.т.н., проф., Иванов В.В. ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет»

Ключевые слова: решение, задача, жидкость, пласт.

NUMERICAL SOLUTION OF TWO-DIMENSIONAL PROBLEM ON NONSTATIONARY PERCOLATION ELASTIC FLUID IN THE RESERVOIR

HETEROGENEITY Keywords: decision problem, the liquid reservoir.

Пусть в горизонтальной плоскости (х,у) имеется область Di занятая нефтью и содержащая скважины-точечные источники или стоки. Будем считать, что пласт -неоднородный по проницаемости: k0 = k0(x,y), а разработка залежи ведется при упругом режиме фильтрации. Для простоты будем предполагать, что область фильтрации Di имеет форму прямоугольника: X1 < х < X2 , Y < y < Y2 (рис. 1).

Рис.1. Схема области фильтрации упругой жидкости

На границах области фильтрации х = Х1, х = Х2 и у = У2задано, соответственно, распределение давлений

Р = Р = P2(У,Р = Pз(x,*).

Подошва пласта у = у1 считается непроницаемой, т . е. на этой границе нормальная составляющая скорости фильтрации (или др/ду ) равна нулю.

Пусть в начальный момент времени в пласте (область задано распределение давления по координатам, т.е. р = р0(х,у) при * = .

Сцепление арматуры с бетоном

В области строительства исключительно важное значение имеет понятие сцепления арматуры с бетоном. Речь идет об основном фундаментальном свойстве железобетона. Сила сцепления создает в ближайшем к арматуре бетоне сложнейшее напряженное и деформированное состояние, что приводит к распределению нагрузки по оси арматуры. В результате продольные усилия по всей длине стержня становятся переменными. То, насколько прочным будет сцепление, определяется сопротивляемостью к выдергиванию или выдавливанию стальных стержней из бетона.

К чему приводит недостаточное сцепление

Исследования показывают, что даже при незначительной заделке арматурных стержней в бетон, в месте из соединения развивается значительная сила сцепления. Эта сила препятствует сдвигу металла в бетоне.

Надежное сцепление арматурного проката с бетоном – это основной фактор, который отвечает за тандемную работу стальных прутков и бетона в ЖБ-конструкциях. Они работают под нагрузкой как единое целое.

При недостаточном сцеплении наблюдается образование трещин, что влечет за собой возрастание удлинений на всем протяжении растянутой арматуры. Такое явление приводит к резкому раскрытию образовавшейся трещины, а также сокращению высоты сжатой зоны и уменьшению изгибной жесткости. Кроме того, наблюдается снижение несущей способности.

Как создается надежное сцепление

Если говорить о надежности сцепления стальных стержней с бетоном, нужно отметить три основных момента:

Адгезия поверхности металлического прутка с бетоном осуществляется за счет вязкости коллоидной массы цементного теста.
Сопротивление бетона усилиям среза, а также смятия, что объясняется наличием рифлей на поверхности металлических стержней.
Возникающие на поверхности металлопроката силы трения – за счет обжатия металлических стержней бетоном в процессе его усадки.

Нужно отметить, что именно первый фактор влияет наиболее ощутимо на силу сцепления арматурных прутков с бетоном. Он обеспечивает порядка 75 % от общего показателя.

Дополнительные факторы

Также важно учитывать тип используемого металлопроката. Оптимальные показатели у арматуры периодического профиля. Сцепление рифленых арматурных стержней с бетоном в 2-3 раза выше, чем с гладкими прутками. По этой причине при выполнении армирования с задействованием арматуры периодического профиля отпадает необходимость в использовании на концах специальных анкерных устройств.

Существенное влияние на данный процесс оказывает седиментация твердых частиц, а также выжимание воды при затвердевании и наборе прочности бетонной смеси. Это приводит к тому, что сцепление арматурного проката с бетоном становится различным для прутков в направлении бетонирования и перпендикулярно ему в нижней или в верхней частях сечения ЖБ-изделия, которое бетонируется за один прием. Наличие рифлей на поверхности материала в значительной степени смягчает неблагоприятное влияние такого явления как седиментация.

Еще один важный момент, на который нужно обратить внимание – напряжение в бетоне под выступами арматурных стержней. Этот показатель при их выдергивании может превосходить в несколько раз кубиковую прочность бетона. По этой причине крайне важно не допустить снижение плотности бетона в месте соединения с металлическими стержнями.

Чтобы повысить надежность зацепления арматуры за бетон по всей длине элементов, дополнительно выполняются свивки металлических стержней в канаты. Витые канаты прочно самоанкеруются в бетонной смеси.

Не стоит забывать и о характеристиках самой бетонной смеси. Прочность сцепления возрастает по мере повышения класса бетона и уменьшения водоцементного отношения. Кроме того, учитывается способ укладки раствора и условия твердения.

Если вам нужен надежный поставщик металлопроката, обращайтесь в «Арматура-ММ». Наша компания реализует все востребованные виды арматурного проката. В ассортименте представлены как гладкие стержни, так и периодического профиля. Мы поможем вам подобрать материал, оптимально подходящий для реализации вашего проекта. По всем вопросам можно проконсультироваться с нашими специалистами. Обращайтесь!

Бетон и металлические стержни при их соединении, начинают работать вместе, добавляя друг другу механические и физические свойства.

Это успешное взаимодействие возможно, из-за появления между ними силы сцепления. Связь возникает по всей площади их соприкосновения, а после появления нагрузок не дает арматуре сдвигаться. Так железобетон получает свое фундаментальное свойство, за что он и ценится как строительный материал.

От чего зависит прочность сцепления?

Эта величина зависит от сопротивляемости цементного камня выдергиванию из него стержня, также на нее влияют факторы:

проскальзыванию арматуры препятствует ее периодический профиль, продольные ребра и выступы. Их связь с бетоном создает в нем сопротивление, которое при нагрузках не дает стержню двигаться.
Механические свойства арматурной стали, высота профильного ребра и ее диаметр.
Склеивание цементного раствора и поверхности металла.
Существенно влияют свойства и качество бетонной смеси, возраст, М цемента, заполнители и их % составления. Значение имеет низкое водоцементное отношение.
Приготовление и заливка б/смеси по нормам стандартной технологии, с уплотнением и соблюдением влажного режима для ее схватывания.

Ранее считалось, что на поверхности соприкосновения прута и цементной смеси, при ее усадке и схватывании, образуются силы трения. Но недавние опыты привели к заключительному выводу, что в действительности такие силы отсутствуют. Еще выяснилось, что обжим прута при схватывании смеси негативно влияет на его сопротивляемость выдергиванию.

В какой степени влияет адгезия на прочность связи? При адгезии в местах соединения начинают работать силы притяжения и взаимосвязи на молекулярном уровне. Но при возникновении даже небольших усилий, силы адгезии разрушаются, поэтому их влияние не будет значимым.

Результаты испытаний над образцами показывают, что в основном прочность сцепления зависит от состояния поверхности арматуры. Чем более гладкая, даже полированная поверхность, тем быстрее выдергивается стрежень. Первостепенную роль для величины сцепления выполняет периодический профиль (ребра жесткости и выступы). Профилированная поверхность сопротивляется сдвигам сильнее в 3 раза, чем гладкий пруток.

Зависимость длины заделки от напряжения и диаметра сечения

Возникающее сцепление рассредотачивает нагрузки между стальными прутами и цементным камнем, это особенно нужно, когда в нем начинаются деформации неупругого характера и появляются трещины. Распределение напряжений помогает избежать избыточного расширения трещин.

Напряжения Tbd вдоль стержня располагаются неравномерно. Их максимальные значения Tmax образуются через небольшой интервал от конца, на это указывает эпюра напряжений испытуемого образца, и они не зависят от длины заделки Lan. Их величина может быть больше прочности цементного камня в несколько раз, поэтому в торцах необходимо контролировать плотность укладки бетона к арматуре.

Величину сцепления выражают через отношение среднего напряжения к площади поверхности заделки формулой:Tbd m=NdLan.

Для гладкой арматуры средние значения Tbd m от 2,5 до 4 МПа, а для профилированной до 7 МПа.

Если длину заделки выразить через напряжение N=d2/4, то получим ее выражение:

Прямая пропорциональность формулы показывает, что с увеличением диаметра сечения и напряжения, нужно увеличивать протяженность заделки. При увеличении Tbm прочности бетона можно уменьшить длину заделки, или для ее уменьшения можно применить периодический профиль.

Экспериментальным путем определили, что для прочной связи протяженность заделки при гладких поверхностях прута 30-40 диаметров, а для профилированных 15-20 диаметров.

Также обнаружили разную реакцию опытного образца на продавливание и выдергивание. При продавливании сила взаимосвязи больше, потому что сжатый стержень начинает расширяться поперек и возникает добавочное сопротивление бетона.

Поэтому продольное растягивание стержней предполагает большую длину их заделки, а также ограниченный размер диаметра.

Анкера

Для гладких прутков, без профиля, в торцах необходима анкеровка. На конце балки, где эпюра напряжений показывает максимальные значения, превышающие прочность цементного камня, монтируется анкер. Для гладких прутьев это будет загнутый крюк, петля, поперечный отрезок.

Для сварной сетки из прутьев без профиля функцию анкеров будут выполнять ее крайние поперечные связи.

Профилированная арматура не нуждается в крюках, но у нее может быть отгиб (лапка.)

Длина анкера рассчитываются, и она не менее 15 d анкеруемого прута или 200 мм.

Недостаточное сцепление

При недостаточной связи металла и цементного камня их взаимодействие резко сокращается. Металл уже не может передавать упругие свойства, делая цементный камень жестким, и возникают трещины. В арматуре появляются удлинения, которых не было бы при достаточном сцеплении. Трещины увеличиваются, быстро раскрываются и наступает аварийное состояние конструкции.

Обзор и сравнение методов исследования характеристик сцепления арматуры с бетоном

В статье рассматриваются получившие наибольшее распространение методики исследования характеристик сцепления металлической арматуры с бетоном. В ходе сравнения определяются достоинства, недостатки и области рационального применения данных методик. Подтверждение слов производится на основе результатов численных экспериментов, проведенных в соответствии с рассматриваемыми методикам в программном комплексе ANSYS Workbench при учёте физической, геометрической и конструктивной нелинейности.

Ключевые слова: анкеровка, сцепление, железобетон, арматура, эксперимент.

В настоящее время в нормах проектирования железобетонных конструкций разных стран, а также в международных нормах [1], господствует эмпирический подход в построении зависимостей по определению длины анкеровки и нахлёстки. Значительное расхождение длин анкеровки на уровне как расчётных, так и базовых значений [2, 3] свидетельствует о том, что различия появляются уже при получении экспериментальных значений прочности сцепления.

Чтобы разобраться в причинах этого, рассмотрим основные методики исследования характеристик сцепления, получившие наибольшее распространение в международной практике.

Несмотря на то, что понимание общих принципов механики и общемировой опыт проведения этих исследований позволяет судить о напряженно-деформированном состоянии используемых в испытаниях образцов, для получения более полной, часто недосягаемой в реальных экспериментах, информации о распределении усилий в образцах, прибегнем к проведению численного эксперимента в универсальной программной системе конечно-элементного анализа ANSYS Workbench.

Описание расчётных моделей

При построении моделей была учтена симметрия расчётной области. Плоскость продольных ребер арматуры соответствует плоскости симметрии.

Для моделирования арматуры, стали и бетона применены трехмерные 20-ти узловые твердотельные конечные элементы SOLID 186. Для повышения точности решения и возможности учёта геометрии арматурного профиля конечно-элементная сетка измельчается по мере приближения к контакту между бетоном и испытуемым стержнем.

Учёт физической нелинейности обусловлен применяемыми моделями материалов:

– для описания поведения бетона был использован стандартный нелинейный материал Concrete NL доступный в библиотеке материалов ANSYS , который поддерживает модель Друкера-Прагера ( Drucker-Prager Strength Piecewise);

– для описания поведения арматуры и стали применена модель полилинейного изотропного упрочнения ( Multilinear Isotropic Hardening ). За характерные точки кусочно-линейной диаграммы были приняты: предел упругости, начало и конец площадки текучести, а также одна промежуточная точка на ветви упрочнения. Координаты точек определялись согласно зависимостям, приведенным в пособии [4].

Прочностные и деформативные характеристики материалов задавались в нормативных значениях и соответствовали: для бетона образцов — тяжелому бетону класса B25; для испытуемого стержня — арматуре класса A500С; для конструктивного армирования — арматуре класса A240; для опорных конструкций — стали Ст3.

Диаметр испытуемого стержня был принят равным 16 мм. Геометрия арматурного профиля была задана на основе данных приложения А ГОСТ 34028–2016 [5].

В общем случае сцепление арматуры периодического профиля и бетона обеспечивается за счёт адгезии, трения и механического зацепления поперечных ребер арматуры за бетон. Учитывая, что после начала сдвига, неизбежно происходящего уже на ранних стадиях нагружения, адгезия будет потеряна, а вклад трения в общую емкость сцепления невелик, в целях облегчения сходимости задачи, при моделировании контактной зоны учтено только механическое зацепление, что реализовано путем применения модели контакта Frictionless . Контакт бетонного образца и опорных конструкций реализован подобным образом, за исключением случая моделировании испытания по выдергиванию стержня из призмы, опёртой торцом, где применена модель контакта Frictional . Данный тип контакта назначен по плоскости соприкосновения между бетонным образцом и стальной опорной плитой. Коэффициент трения принят равным 0,35. Таким образом, в расчётной модели произведен учёт конструктивной нелинейности.

Учёт геометрической нелинейности реализован пошаговым приложением нагрузок и активацией опции Large Deflection.

В нелинейных задачах характер распределения усилий в значительной степени зависит от уровня нагружения. Поэтому важно в расчётных схемах задать значения усилий, наиболее ожидаемые на практике, т. е. в средних, а не в расчётных значениях. Такое усилие может быть определено по полуэмпирическим выражениям международного кодекса MC 2010 [1]. Данные о задаваемых в расчётные схемы нагрузках представлены в табл. 1.

Читайте также: