Арматура и железобетон: история и современные материалы

Введение

Стальная арматура (сокращенно арматурный стержень), известная в больших количествах как арматурная сталь или стальная арматура, представляет собой стальной стержень, используемый в качестве элемента, воспринимающего растяжение, в железобетонных и армированных каменных конструкциях для усиления бетона при растяжении и повышения его прочности. Бетон прочен на сжатие, но обладает низкой прочностью на растяжение. Арматура значительно увеличивает прочность конструкции на растяжение. Поверхность арматуры имеет непрерывную серию ребер, выступов или углублений для обеспечения лучшего сцепления с бетоном и снижения риска проскальзывания. Наиболее распространенным типом арматуры является углеродистая сталь, обычно представляющая собой горячекатаные круглые стержни с деформационным рисунком, отштампованным на поверхности. Сталь и бетон имеют схожие коэффициенты теплового расширения, поэтому железобетонный элемент, армированный сталью, будет испытывать минимальные дифференциальные напряжения при изменении температуры. Другие доступные типы арматуры изготавливаются из нержавеющей стали, а композитные – из стекловолокна, углеродного волокна или базальтового волокна. Углеродистые арматурные стержни также могут быть покрыты цинком или эпоксидной смолой для защиты от коррозии, особенно при использовании в морской воде. Было показано, что бамбук является жизнеспособной альтернативой стальной арматуре в бетонных конструкциях. Эти альтернативные типы, как правило, дороже или могут обладать более низкими механическими свойствами и поэтому чаще используются в специализированном строительстве, где их физические характеристики соответствуют конкретным требованиям к производительности, которые не обеспечивает углеродистая сталь.

История

Укрепление арматурой в строительстве каменной кладки использовалось с древности, когда римляне применяли железные или деревянные стержни в строительстве арок. Железные прутья и якорные пластины позднее использовались в средневековой Европе для усиления арок, сводов и куполов. В XIV веке в замке Венсенн было использовано 2500 метров арматуры. В XVIII веке арматура применялась для формирования каркаса Невянской наклонной башни в России, построенной по заказу промышленника Акинфия Демидова. Для арматуры использовался высококачественный чугун, и на стержнях до сих пор отсутствует коррозия. Каркас башни был соединен с ее чугунной шатровой крышей, увенчанной одним из первых известных громоотводов. Однако лишь в середине XIX века, с внедрением стальных стержней в бетон (что привело к созданию современного железобетона), арматура проявила свои наилучшие качества. В 1850-х годах несколько специалистов в Европе и Северной Америке разработали железобетон. Среди них – француз Жозеф Луи Ламбо, построивший в Париже железобетонные лодки (1854 год), и американец Таддеус Хайат, производивший и испытывавший железобетонные балки. Француз Жозеф Монье – одна из наиболее известных фигур в изобретении и популяризации железобетона. Будучи французским садовником, Монье запатентовал железобетонные цветочные горшки в 1867 году, а затем приступил к строительству железобетонных резервуаров для воды и мостов. Эрнест Л. Рэнсом, английский инженер и архитектор, работавший в США, внес значительный вклад в развитие арматурных стержней в бетонных конструкциях. Он изобрел витую арматуру, о которой впервые задумался при проектировании самонесущихся тротуаров для масонского зала в Стоктоне, Калифорния. Однако его витая арматура поначалу не была оценена и даже высмеяна в Техническом обществе Калифорнии, где утверждалось, что витиеватость ослабит железо. В 1889 году Рэнсом работал на Западном побережье, в основном проектируя мосты. Один из них – мост через озеро Альворд в парке "Золотые ворота" в Сан-Франциско – стал первым железобетонным мостом, построенным в США. В этой конструкции он использовал витую арматуру. Одновременно с тем, как Рэнсом изобретал витую стальную арматуру, К. А. П. Тернер проектировал свою "грибную систему" железобетонных напольных плит с гладкими круглыми стержнями, а Джулиус Кан экспериментировал с инновационной прокатной алмазообразной арматурой с плоскими пластинчатыми фланцами, поднятыми вверх на 45° (запатентованной в 1902 году). Кан предсказывал, что бетонные балки с такой системой армирования будут изгибаться как ферма Уоррена, и также рассматривал эту арматуру как поперечное усиление. Армирующая система Кана применялась в бетонных балках, стропилах и колоннах. Система была одновременно похвалена и раскритикована современниками Кана: Тернер выразил серьезные возражения против этой системы, поскольку она могла привести к катастрофическим разрушениям бетонных конструкций. Он отверг идею о том, что система армирования Кана в бетонных балках будет действовать как ферма Уоррена, а также отметил, что эта система не обеспечит достаточного количества поперечного напряжения на концах простоопираемых балок, где сдвигающее напряжение наибольшее. Кроме того, Тернер предупредил, что система Кана может привести к хрупкому разрушению, поскольку в балках отсутствовало продольное армирование в местах опирания на колонны. Этот тип разрушения проявился в частичном обрушении отеля Биксби в Лонг-Бич, Калифорния, и полном обрушении здания Eastman Kodak в Рочестере, Нью-Йорк, оба во время строительства в 1906 году. Однако было заключено, что оба обрушения были следствием низкого качества работ. С ростом спроса на стандартизацию строительства инновационные системы армирования, такие как система Кана, отошли на второй план в пользу современных систем армирования бетона. Требования к деформациям стальной арматуры не были стандартизированы в строительстве США до 1950 года. Современные требования к деформациям были установлены в "Предварительных спецификациях для деформаций деформированных стальных стержней для армирования бетона", ASTM A305 47T. Впоследствии были внесены изменения, увеличившие высоту ребер и уменьшившие расстояние между ними для определенных размеров стержней, а квалификация "предварительный" была снята при выпуске обновленного стандарта ASTM A305 49 в 1949 году. Требования к деформациям, содержащиеся в действующих спецификациях для стальной арматуры, таких как ASTM A615 и ASTM A706, среди прочих, соответствуют требованиям, указанным в ASTM A305 49.

Reinforcing bars in masonry construction have been used since Antiquity, with Rome using iron or wooden rods in arch construction. Iron tie rods and anchor plates were later employed across Medieval Europe, as a device to reinforce arches, vaults, and cupolas. 2,500 meters of rebar was used in the 14th century Château de Vincennes. During the 18th century, rebar was used to form the carcass of the Leaning Tower of Nevyansk in Russia, built on the orders of the industrialist Akinfiy Demidov. The cast iron used for the rebar was of high quality, and there is no corrosion on the bars to this day. The carcass of the tower was connected to its cast iron tented roof, crowned with one of the first known lightning rods. However, not until the mid 19th century, with the embedding of steel bars into concrete (thus producing modern reinforced concrete), did rebar display its greatest strengths. Several people in Europe and North America developed reinforced concrete in the 1850s. These include Joseph Louis Lambot of France, who built reinforced concrete boats in Paris (1854) and Thaddeus Hyatt of the United States, who produced and tested reinforced concrete beams. Joseph Monier of France is one of the most notable figures for the invention and popularization of reinforced concrete. As a French gardener, Monier patented reinforced concrete flowerpots in 1867, before proceeding to build reinforced concrete water tanks and bridges. Ernest L. Ransome, an English engineer and architect who worked in the United States, made a significant contribution to the development of reinforcing bars in concrete construction. He invented twisted iron rebar, which he initially thought of while designing self supporting sidewalks for the Masonic Hall in Stockton, California. His twisted rebar was, however, not initially appreciated and even ridiculed at the Technical Society of California, where members stated that the twisting would weaken the iron. In 1889, Ransome worked on the West Coast mainly designing bridges. One of these, the Alvord Lake Bridge in San Francisco's Golden Gate Park, was the first reinforced concrete bridge built in the United States. He used twisted rebar in this structure. At the same time Ransome was inventing twisted steel rebar, C. A. P. Turner was designing his "mushroom system" of reinforced concrete floor slabs with smooth round rods and Julius Kahn was experimenting with an innovative rolled diamond shaped rebar with flat plate flanges angled upwards at 45° (patented in 1902). Kahn predicted concrete beams with this reinforcing system would bend like a Warren truss, and also thought of this rebar as shear reinforcement. Kahn's reinforcing system was built in concrete beams, joists, and columns. The system was both praised and criticized by Kahn's engineering contemporaries: Turner voiced strong objections to this system as it could cause catastrophic failure to concrete structures. He rejected the idea that Kahn's reinforcing system in concrete beams would act as a Warren truss and also noted that this system would not provide the adequate amount of shear stress reinforcement at the ends of the simply supported beams, the place where the shear stress is greatest. Furthermore, Turner warned that Kahn's system could result in a brittle failure as it did not have longitudinal reinforcement in the beams at the columns. This type of failure manifested in the partial collapse of the Bixby Hotel in Long Beach, California and total collapse of the Eastman Kodak Building in Rochester, New York, both during construction in 1906. It was, however, concluded that both failures were the consequences of poor quality labor. With the increase in demand of construction standardization, innovative reinforcing systems such as Kahn's were pushed to the side in favor of the concrete reinforcing systems seen today. Requirements for deformations on steel bar reinforcement were not standardized in US construction until about 1950. Modern requirements for deformations were established in "Tentative Specifications for the Deformations of Deformed Steel Bars for Concrete Reinforcement", ASTM A305 47T. Subsequently, changes were made that increased rib height and reduced rib spacing for certain bar sizes, and the qualification of “tentative” was removed when the updated standard ASTM A305 49 was issued in 1949. The requirements for deformations found in current specifications for steel bar reinforcing, such as ASTM A615 and ASTM A706, among others, are the same as those specified in ASTM A305 49.

Использование в бетоне и каменной кладке

Бетон – материал, очень прочный на сжатие, но относительно слабый на растяжение. Для компенсации этого дисбаланса в поведении бетона в него закладывают арматуру, чтобы воспринимать растягивающие усилия. Большая часть стальной арматуры делится на первичную и вторичную:

Первичная арматура – это сталь, используемая для обеспечения необходимой устойчивости всей конструкции к расчетным нагрузкам. Вторичная арматура, также известная как распределительная или температурная арматура, применяется для повышения долговечности и эстетических качеств, обеспечивая достаточное локальное сопротивление для ограничения образования трещин и противодействия напряжениям, вызванным, например, изменениями температуры и усадкой. Вторичное применение включает арматуру, встроенную в каменные стены, – стержни, уложенные горизонтально в швы кладки (каждые четвертый или пятый ряд блоков) или вертикально (в горизонтальные пустоты полых бетонных блоков и керамзитобетонных кирпичей), которые затем фиксируются раствором. Каменные конструкции, скрепленные раствором, обладают свойствами, схожими с бетоном – высокой устойчивостью к сжатию, но ограниченной способностью воспринимать растягивающие усилия. При добавлении арматуры они называются "армированной кладкой". Аналогичный подход (встраивание арматуры вертикально в специально предусмотренные пустоты в строительных блоках) также используется в сухих ландшафтных стенах, по крайней мере, для закрепления нижнего ряда в грунте, а также для фиксации нижнего ряда и/или анкеров в стенах из сборного бетона или деревянных ландшафтных элементов. В редких случаях стальная арматура может быть встроена и частично оставаться видимой, как, например, стальные стяжки, удерживающие и укрепляющие каменную кладку Невянской башни или древних сооружений в Риме и Ватикане.

Физические характеристики

Коэффициент теплового расширения стали почти равен коэффициенту современного бетона. Если бы это было не так, это привело бы к проблемам из-за дополнительных продольных и поперечных напряжений при температуре, отличной от температуры затвердевания. Хотя арматура имеет ребра, обеспечивающие механическое сцепление с бетоном, она все же может быть вырвана из бетона при высоких нагрузках, что часто сопровождается масштабным обрушением конструкции. Для предотвращения такого разрушения арматура либо глубоко заделывается в смежные конструктивные элементы (в 40–60 раз больше диаметра), либо изгибается и загибается на концах для надежной фиксации в бетоне и другой арматуре. Первый подход увеличивает трение, удерживающее стержень на месте, а второй использует высокую прочность бетона на сжатие. Обычная арматура изготавливается из неотвержденной закаленной стали, что делает ее подверженной коррозии. Обычно бетонное покрытие обеспечивает pH выше 12, предотвращая коррозионную реакцию. Недостаточное количество бетонного покрытия может нарушить эту защиту из-за карбонизации с поверхности и проникновения солей. Слишком большое количество бетонного покрытия может привести к увеличению ширины трещин, что также снижает местную защиту. Поскольку ржавчина занимает больший объем, чем сталь, из которой она образовалась, она создает значительное внутреннее давление на окружающий бетон, вызывая трещины, отслоение и, в конечном итоге, разрушение конструкции. Это явление известно как оксидное распорствование. Это особенно актуально при воздействии бетона на соленую воду, например, на мостах, где зимой на дороги наносится соль, или в морских сооружениях. В таких ситуациях могут использоваться необработанные коррозионностойкие низкоуглеродистые/хромистые (микрокомпозитные), кремниевые бронзовые, эпоксидные, оцинкованные или арматурные стержни из нержавеющей стали, что требует больших первоначальных затрат, но значительно снижает затраты в течение всего срока службы проекта. Особая осторожность требуется при транспортировке, изготовлении, обработке, установке и укладке бетона при работе с эпоксидной арматурой, поскольку повреждение снизит ее долгосрочную коррозионную стойкость. Даже поврежденные эпоксидные стержни показали лучшие результаты, чем неэпоксидные, хотя сообщалось о проблемах с отслаиванием эпоксидного покрытия и коррозией под эпоксидной пленкой. Эти эпоксидные стержни используются более чем в 70 000 мостовых пролетных строений в США, но эта технология постепенно вытеснялась арматурой из нержавеющей стали с 2005 года из-за ее неудовлетворительных характеристик. Требования к деформациям содержатся в американских стандартах на стальную арматуру, таких как ASTM A615 и ASTM A706, и определяют шаг и высоту выпусков. Арматура из композитных материалов, армированная волокном, также используется в условиях высокой коррозии. Она доступна в различных формах, таких как спирали для армирования колонн, обычные стержни и сетки. Большинство коммерчески доступных арматурных стержней изготавливаются из однонаправленных волокон, заключенных в термореактивную полимерную смолу, и часто называются FRP. Некоторые специальные конструкции, такие как исследовательские и производственные объекты с чувствительной электроникой, могут требовать использования арматуры, не проводящей электричество, а помещения для медицинского оборудования для визуализации могут требовать немагнитных свойств для предотвращения помех. FRP-арматура, особенно из стекловолокна, обладает низкой электропроводностью и немагнитна, что обычно используется для таких целей. Также доступна арматура из нержавеющей стали с низкой магнитной проницаемостью, которая иногда используется для предотвращения проблем с магнитными помехами. Арматурная сталь также может смещаться под воздействием таких факторов, как землетрясения, что приводит к разрушению конструкции. Ярким примером этого является обрушение виадука Сайпресс-стрит в Окленде, штат Калифорния, в результате землетрясения в Лома-Приета в 1989 году, в результате которого погибли 42 человека. Толчки землетрясения привели к вырыванию арматуры из бетона и ее изгибу. Обновленные конструкции зданий, включая большее количество арматуры по окружности, могут решить эту проблему.

Steel has a thermal expansion coefficient nearly equal to that of modern concrete. If this were not so, it would cause problems through additional longitudinal and perpendicular stresses at temperatures different from the temperature of the setting. Although rebar has ribs that bind it mechanically to the concrete, it can still be pulled out of the concrete under high stresses, an occurrence that often accompanies a larger scale collapse of the structure. To prevent such a failure, rebar is either deeply embedded into adjacent structural members (40–60 times the diameter), or bent and hooked at the ends to lock it around the concrete and other rebar. This first approach increases the friction locking the bar into place, while the second makes use of the high compressive strength of concrete. Common rebar is made of unfinished tempered steel, making it susceptible to rusting. Normally the concrete cover is able to provide a pH value higher than 12 avoiding the corrosion reaction. Too little concrete cover can compromise this guard through carbonation from the surface, and salt penetration. Too much concrete cover can cause bigger crack widths which also compromises the local guard. As rust takes up greater volume than the steel from which it was formed, it causes severe internal pressure on the surrounding concrete, leading to cracking, spalling, and, ultimately, structural failure. This phenomenon is known as oxide jacking. This is a particular problem where the concrete is exposed to salt water, as in bridges where salt is applied to roadways in winter, or in marine applications. Uncoated, corrosion resistant low carbon/chromium (microcomposite), silicon bronze, epoxy coated, galvanized, or stainless steel rebars may be employed in these situations at greater initial expense, but significantly lower expense over the service life of the project. Extra care is taken during the transport, fabrication, handling, installation, and concrete placement process when working with epoxy coated rebar, because damage will reduce the long term corrosion resistance of these bars. Even damaged epoxy coated bars have shown better performance than uncoated reinforcing bars, though issues from debonding of the epoxy coating from the bars and corrosion under the epoxy film have been reported. These epoxy coated bars are used in over 70,000 bridge decks in the US, but this technology was slowly being phased out in favor of stainless steel rebar as of 2005 because of its poor performance. Requirements for deformations are found in US standard product specifications for steel bar reinforcing, such as ASTM A615 and ASTM A706, and dictate lug spacing and height. Fibre reinforced plastic rebar is also used in high corrosion environments. It is available in many forms, such as spirals for reinforcing columns, common rods, and meshes. Most commercially available rebar is made from unidirectional fibers set in a thermoset polymer resin and is often referred to as FRP. Some special construction such as research and manufacturing facilities with very sensitive electronics may require the use of reinforcement that is non conductive to electricity, and medical imaging equipment rooms may require non magnetic properties to avoid interference. FRP rebar, notably glass fibre types have low electrical conductivity and are non magnetic which is commonly used for such needs. Stainless steel rebar with low magnetic permeability is available and is sometimes used to avoid magnetic interference issues. Reinforcing steel can also be displaced by impacts such as earthquakes, resulting in structural failure. The prime example of this is the collapse of the Cypress Street Viaduct in Oakland, California as a result of the 1989 Loma Prieta earthquake, causing 42 fatalities. The shaking of the earthquake caused rebars to burst from the concrete and buckle. Updated building designs, including more circumferential rebar, can address this type of failure.

Индия

Арматура доступна в следующих марках согласно IS:1786 2008 FE 415/FE 415D/FE 415S/FE 500/FE 500D/FE 500S/FE 550, FE550D, FE 600. Арматура охлаждается водой под высоким давлением, чтобы затвердеть внешняя поверхность, а внутренний сердечник оставался пластичным. Арматура имеет ребра для лучшего сцепления с бетоном. В прибрежных районах используется оцинкованная арматура для увеличения срока службы. Размеры арматурных стержней по стандарту BIS составляют 10, 12, 16, 20, 25, 28, 32, 36, 40 и 50 миллиметров.

Размещение арматуры

Арматурные каркасы изготавливаются как непосредственно на строительной площадке, так и за ее пределами, как правило, с использованием гидравлических изгибателей и ножниц. Однако для небольших объемов работ или изготовления нестандартных элементов достаточно инструмента, известного как "Хикки" или ручной арматурный изгибатель. Установку арматуры выполняют арматурщики ("rodbusters" или монтажники железобетонных конструкций), используя арматурные опоры и бетонные или пластиковые прокладки для обеспечения защитного слоя бетона и правильной глубины погружения арматуры. Арматурные прутки в каркасах соединяются точечной сваркой, вязальной проволокой, иногда с использованием электрического вязального аппарата, или механическими соединениями. Для вязки арматуры, покрытой эпоксидной смолой или оцинкованной, обычно используется проволока, покрытая соответствующим образом эпоксидной смолой или цинком.

Стерпусы

Стержни формируют внешнюю часть арматурного каркаса. Функция стержней (часто называемых "хомутами" и "отрезками для восприятия поперечной силы") тройственна: придать структуру основным арматурным стержням, обеспечить надлежащую толщину защитного слоя бетона и обеспечить равномерную передачу нагрузки по несущим элементам. В балках стержни обычно имеют прямоугольную форму, а в колоннах – круглую, и располагаются через равные промежутки вдоль колонны или балки, как это определено инженерами-конструкторами на строительных чертежах.

Сварка

Американское общество сварки (AWS) D 1.4 устанавливает требования к сварке арматуры в США. Без специальных мер предосторожности к сварке готова только арматура класса W (низколегированная сталь A706). Арматура, не произведенная в соответствии со спецификацией ASTM A706, как правило, не пригодна для сварки без расчета "эквивалента углерода". Материал с эквивалентом углерода менее 0,55 допускается к сварке. Арматурные стержни ASTM A 616 и ASTM A 617 (в настоящее время заменены объединенным стандартом A996) изготавливаются из перекатанной железнодорожной стали и перекатанной стали железнодорожных осей с неконтролируемым химическим составом, содержанием фосфора и углерода. Эти материалы встречаются редко. Арматурные каркасы обычно связывают проволокой, хотя точечная сварка каркасов является общепринятой практикой в Европе на протяжении многих лет и становится все более распространенной в Соединенных Штатах. Высокопрочные стали для предварительно напряженного бетона сварке не подлежат.

Размещение арматуры в рулонах

Система рулонной арматуры – это исключительно быстрый и экономичный способ укладки большого объема арматуры за короткий срок. Рулонная арматура обычно изготавливается вне строительной площадки и легко разворачивается непосредственно на ней. Укладка рулонной арматуры успешно применяется в плитах (перекрытиях, фундаментах), фундаментах мачт ветроэнергетических установок, стенах, съездах и пандусах и т.д.

Механические соединения

Также известные как "механические муфты" или "механические соединения", механические соединения используются для соединения арматурных стержней. Механические муфты – эффективный способ снизить перегруженность арматурой в сильно армированных участках при монолитном железобетонном строительстве. Эти муфты также применяются в сборном железобетоне в узлах соединения элементов. Нормативные требования к несущей способности механических соединений различаются в зависимости от страны, норм и отраслей. В качестве минимального требования, нормы обычно устанавливают, что соединение арматуры должно соответствовать или превышать 125% расчетного предела текучести арматуры. Более строгие требования также включают в себя обеспечение развития расчетного предела прочности арматуры. Например, ACI 318 определяет критерии производительности типа 1 (125% Fy) или типа 2 (125% Fy и 100% Fu). Для железобетонных конструкций, спроектированных с учетом пластичности, рекомендуется, чтобы механические соединения также могли разрушаться пластичным образом, что в арматурной промышленности обычно называют "разрушением стержня по металлу". В качестве примера, Caltrans устанавливает требуемый характер разрушения (например, "образование шейки на стержне").

Безопасность

Чтобы предотвратить травмы, выступающие концы стальной арматуры часто загибают или закрывают специальными пластиковыми колпачками с металлической основой.

Названия

Арматура обычно указывается в таблице "ведомость армирования" на строительных чертежах. Это устраняет неоднозначность в обозначениях, используемых во всем мире. В следующем списке приведены примеры обозначений, применяемых в архитектурной, инженерной и строительной отраслях. +New ZealandDesignationExplanation HD 16 300, T&B, EW Высокопрочные (500 МПа) арматурные стержни диаметром 16 мм, расположенные с шагом 300 мм (межцентровое расстояние) как в верхней, так и в нижней части, а также в обоих направлениях (т.е. продольно и поперечно). 3 D12 Три стержня мягкой стали (300 МПа) диаметром 12 мм. R8 Хомуты @ 225 MAX Хомуты класса D (300 МПа) с гладкой арматурой, расположенные с шагом 225 мм. По умолчанию в новозеландской практике все хомуты обычно рассматриваются как полные, замкнутые контуры. Это требование к деталям для обеспечения пластичности бетона в сейсмических зонах; если требуется один хомут с крюком на каждом конце, это обычно указывается и иллюстрируется. +United StatesDesignationExplanation #4 @ 12 OC, T&B, EW Арматурные стержни №4 с шагом 12 дюймов (межцентровое расстояние) как в верхней, так и в нижней части, а также в обоих направлениях, то есть продольно и поперечно. (3) #4 Три арматурных стержня №4 (обычно используются, когда арматура перпендикулярна детали). #3 связки @ 9 OC, (2) в комплекте Арматурные стержни №3, используемые в качестве хомутов, расположенные с шагом 9 дюймов. Каждый комплект состоит из двух связок, которые обычно иллюстрируются. #7 @ 12" EW, EF Арматура №7 с шагом 12 дюймов, расположенная в каждом направлении и на каждой стороне.

Повторное использование и переработка

Арматура часто перерабатывается, и часто изготавливается полностью из переработанной стали. Nucor, крупнейший производитель стали в Соединенных Штатах, заявляет, что его стальная арматура производится из 97% переработанной стали.