Армирование бетона металлом

Бетон представляет собой анизотропный строительный материал конгломератного строения. Он обладает высокой прочностью на сжатие и значительно меньшей на растяжение. Чтобы восполнить этот недостаток и предотвратить разрушение бетонных конструкций растягивающими усилиями, в них вводят стальную арматуру, обладающую высоким сопротивлением растяжению.

Совместная работа бетона и стали против внешних механических воздействий возможна потому, что бетон плотно охватывает даже гладкие стальные стержни и сцепление бетона со сталью составляет примерно 0,12-0,22 от величины предела прочности при сжатии бетона. Коэффициент температурного расширения бетона (10Х10-6) близок к коэффициенту температурного расширения стали (12X10-6) и благодаря этому температурные деформации бетона и стали при обычных колебаниях температуры особых напряжений не вызывают. Бетон со сталью химически не реагирует и не корродирует ее, он даже сохраняет ее от внешних атмосферных воздействий.

Такая возможность совместного сочетания бетона и стали в од ном изделии привела к созданию нового вида строительного материала, называемого железобетоном.

Железобетон широко применяют как в монолитных сооружениях так и при изготовлении железобетонных конструкций, используемы в сборном домостроении хозяйственного, гражданского, промышленного и инженерного назначения.

Сталь, которую вводят в бетонную конструкцию, называют арматурной. Она может быть горячекатаной и холоднотянутой, стержневой диаметром свыше 12 мм и проволочной, гладкой пли периодического профиля. Если последнюю получают путем холодного проката на специальных станках, ее называют холодносплю-щенной.

По СНиПу горячекатаная арматурная сталь обозначается буквой А и подразделяется на I, II, III и IV классы, холоднотянутая проволока обозначается В и делится на I и II классы, проволочные пряди обозначаются буквой П. Поставленная после буквы П цифра указывает, из скольких проволок состоит прядь. Например, 113 обозначает проволочную прядь, состоящую из трех проволок. Проволочные канаты обозначаются буквой К с двумя цифрами, например КХ7Х5, что означает проволочный канат, состоящий из 7 прядей и в каждой пряди по 5 проволок.

Специально изготовленные из арматурной стали для ввода в бетон стержни, прутки, сетки, каркасы и другие изделия принято называть арматурой.

В зависимости от той работы, какую выполняет в железобетонной конструкции тот или иной вид арматуры, она бывает рабочей, воспринимающей совместно с бетоном основные нагрузки и оказывающей им соответствующее сопротивление; монтажной, соединяющей отдельные элементы рабочей арматуры и служащей для захвата, подъема и перемещения конструкции при транспортиррва-чии, складировании и установке; распределительной, связывающей между собой элементы рабочей и монтажной арматуры и распределяющей между, ними воспринимаемые конструкцией нагрузки.

С помощью закладных деталей смежные железобетонные конструкции скрепляют между собой при монтировании сооружения-

Чтобы выяснить назначение и сущность работы рабочей арматуры в железобетонных конструкциях, следует вспомнить рассматриваемое в курсах "Сопротивление материалов" распределение напряжений в бетонной балке, покоящейся на двух опорах, к которой приложена внешняя, изгибающая балку нагрузка Q. Под действием силы Q балка прогибается и тем сильнее, чем больше величина Q. При этом в верхней части балки возникают напряжения сжатия, в нижней - напряжения растяжения. Величина их по мере удаления от нейтральной линии возрастает и достигает максимума у противолежащих поверхностей. Так как бетон плохо работает на растяжение, в нижней части балки появляется трещина. В месте возникповения трещины поперечное сечение балки уменьшается, а так как изгибающая нагрузка по величине остается постоянной, то удельная нагрузка на уменьшенное сечение балки в месте образования трещины возрастает, и благодаря этому трещина раскрывается и быстро простирается в глубь балки до полного ее разрушения. Чтобы предотвратить такое разрушение балки, в нижнюю ее часть вводят стальную рабочую арматуру: Последняя в момент образования в бетоне трещины (достигшей рабочей арматуры), будучи плотно соединена с бетоном, воспринимает на себя растягивающие усилия и предотвращает дальнейшее раскрытие трещин, чем препятствует разрушению балки.

Таким образом, назначение ненапряженной работы арматуры заключается в том, чтобы предотвратить раскрытие трещин в случае их образования в бетоне и предохранить конструкцию от разрушения.

Кроме ненапряженной рабочей арматуры, железобетонные конструкции армируют предварительно напряженной арматурой.

Предварительно напряженной называют арматуру, в которой до бетонирования созданы упругие деформации растяжения заданной величины. В таком состоянии ее бетонируют и она сохраняется в бетоне вплоть до полного его затвердевания. При распалубке арматура освобождается от растягивающих ее усилий и, стремясь сократиться до первоначальных размеров, обжимает бетон, образуя в нем напряжения сжатия. Балка, армированная предварительно напряженной арматурой, оказывает более высокое сопротивление изгибающей нагрузке Q, так как это сопротивление слагается из сопротивления бетона и сопротивления стремящейся сжаться арматуры, поэтому предварительно напряженное армирование предотвращает образование трещин в бетоне и допускает возможность приложения к конструкции более высоких нагрузок.

По сравнению с ненапряженным армированием, изготовление железобетонных конструкций с предварительно напряженной арматурой дает возможность получить при постоянной внешней нагрузке более прочные изделия, а также дает возможность соответствующим образом изменить конструктивные их размеры (уменьшить расход бетона или использовать арматурный металл меньшего диаметра).

Предварительно напряженное армирование осуществляют в одних конструкциях с целью одноосного обжатия бетона в направлении главных растягивающих усилий, в других - в направлении объемного обжатия в двух или нескольких направлениях, а также в круговом направлении по спирали, как это имеет место при изготовлении напорных железобетонных труб.

Напряженное армирование производят и на затвердевший бетон; при условии закрытия напряженной арматуры поверхностным защитным слоем. Такое армирование называют последующим.

Натяжение арматуры осуществляют механическим, электротермическим и химическим способами.

Механическое натяжение арматурных стержней, пакетов и прядей производят винтовыми или гидравлическими домкратами, рычажными и грузовыми устройствами, а также специальными машинами, непрерывно наматывающими напряженную проволоку на со ответствующие упоры. Его производят одной проволокой в одном: направлении (одноосное обжатие бетона) и в нескольких направлениях (двух- или многоосное обжатие) проволочными канатами или струнопакетами, состоящими из нескольких проволок.

При одноосном обжатии бетона концы проволок крепят за счет сил трения в индивидуальных или групповых зажимах самых разнообразных конструкций.

Непрерывную навивку проволоки с обжатием бетона в нескольких направлениях производят с помощью арматурно-навивочных машин па поворотных столах, машин с намоткой арматуры на упоры неподвижного поддона, машин для навивки продольной и спиральной арматуры и т. д.

Электротермическое напряжение основано на тепловом расширении металла при пропускании через него электротока и на анкерировании стержней в разогретом (до расчетных температур), состоянии в соответствующих упорах. При остывании металл стремится сократиться в размерах, но, будучи зажат в упорах, сделать этого не может, и в нем возникают соответствующие напряжения, которые впоследствии, при распалубке изделия, передаются на бетон.

Подготовительные операции по армированию железобетонных конструкций электротермическим способом заключаются в устройстве на концах стержней анкерных приспособлений (головок и петель), с помощью которых стержни крепят в упорах формы. Головки на концах стержней высаживают горячим или холодным способом. Стержни с высаженными головками с наваренными коротышками после их удлинения электронагревом укладывают в вилочные захваты формы.

По сравнению с первыми двумя способами химическое натяжение применяют сравнительно редко; оно заключается в растягивании арматурных стержней цементным камнем при схватывании и твердении расширяющихся цементов или при отвердевании термореактивных пластмасс.

Арматурный металл поступает в бухтах и прутках, складируют его в закрытых складах по маркам, классам и диаметрам. Сталь, доставленная в мотках, штабелируется на деревянных настилах. Высота штабеля должна быть не выше 1 м. Прутковая арматура размещается на инвентарных стойках-стеллажах высотой до 2 м или в металлических скобах.

Металл для арматуры обрабатывают в специальных цехах.

Процесс изготовления различных видов ар.матуры слагается из подготовки металла, изготовления заготовок, сборки и сварки заготовок в сетки или каркасы, гнутья стержней, петель и сеток и подготовки анкерных приспособлений для закрепления предварительно напряженной арматуры в соответствующих упорах.

К подготовительным операциям относят упрочнение и обработку арматурного металла в холодном состоянии, правку, чистку и резку его на стержни заданной длины.

Обработка металла в холодном состоянии преследует цель упрочнения его и достигается вытяжкой, волочением и сплющиванием, при этом изменяется поверхностная структура стали и образуется так называемый "наклеп", вследствие чего сталь становится более прочной.

Правку, чистку и резку стали производят на специальных станках конструкции Н. Е. Носенко. Моток проволоки (бухта) диаметром до 12 мм помещают на вращающуюся вертушку (бухтодержатель), конец проволоки направляют в зазор между быстровращающимися роликами, с помощью которых проволока протаскивается через барабан с эксцентрично насаженными в нем плашками. Скорость продвижения проволоки в барабане может изменяться от 35 до 50 м/мин. Продвигаясь через барабан, проволока очищается от загрязнений и выпрямляется, затем автоматически режется на стержни длиной от 188 мм до 8 м. Прутковую сталь диаметром более 12 мм режут пресс-ножницами различных конструкций.

Арматурные стержни (заготовки) соединяют в сетки и в каркасы вязкой (старый способ, в настоящее время применяемый лишь в исключительных случаях) и контактной электросваркой. Контактная электросварка может быть точечной и стыковой.

Точечную контактную электросварку используют для соединения стержней и проволочных прутков в местах их пересечения при изготовлении сеток и каркасов. Осуществляется она за счет тепла, выделяющегося при пропускании большой силы электрического тока через свариваемые элементы. При этом места контакта разогреваются до пластического состояния и затем, будучи прижаты друг к другу, прочно соединяются между собой.

Различают два вида режимов точечной контактной электросварки - жесткий и мягкий.

Жесткий режим характеризуется весьма короткой продолжительностью (от 0,01 до 0,5 с) пропускания электротока большой силы (от 8000 до 20 000 А) и высокой степенью плотности (от 120 до 300 А/мм²).

При мягком режиме продолжительность пропускания электротока значительно дольше (от 0,5 до нескольких секунд), сила тока меньше (от 4000 до 8000 А) и плотность его тоже меньше (от 80 до 120 А/мм²).

Малоуглеродистые стали сваривают как по мягкому, так и по жесткому режиму. Низколегированные стали и стали, содержащие свыше 0,2% углерода, варят по мягкому режиму, холоднотянутые стали - только по жесткому режиму.

Стержни сваривают с помощью одноточечных и многоточечных электросварочных машин различных марок, позволяющих создавать совместно с другими машинами поточные технологические линии для изготовления сеток различной величины.

Арматурные сетки на многоточечных сварочных машинах изготовляют путем подачи под сварочные головки сматываемых с бухт проволок, образующих в сетке продольные прутки, при одновременной автоматической укладке на эти прутки под сварочные головки поперечных заготовок. После приварки поперечной заготовки к продольным пруткам каретка машины автоматически передвигает сетку на один шаг в соответствии с заданными размерами между поперечными прутками. Сваренная таким образом сетка перемещается к гильотинным ножницам, которые ее разрезают по заданным размерам.

Арматурные каркасы в зависимости от их сложности изготовляют с помощью специально сконструированных для этой цели установок. Пространственные каркасы простейшей конструкции П-образной формы могут быть изготовлены из арматурных сеток на гибочных станках состоящих из плоских массивных столов, оборудованных поворотными дисками-балками или опускными штампами, или односторонними и двусторонними гидроцилиндрами. Арматурную сетку укладывают на стол так, чтобы загибаемый ее край выступал за плоскость стола. Затем выступающую ее часть загибают гибочными приспособлениями под требуемым углом. Для сборки пространственных каркасов в вертикальном положении используют вертикальный манипулятор, с обеих сторон которого подвешены в наклонном положении два кондуктора, которые могут перемещаться в вертикальном направлении и на которых происходит сборка и сварка каркасов. Сварка каркаса производится четырьмя электросварочными клещами, закрепленными подвижно в стойках.

Цилиндрические каркасы для армирования труб изготовляют на станках конструкции М. А. Квасовай И. А. Кацанди.

Стыковую электросварку применяют для соединения арматурных стержней встык. Стержни зажимают в медных держателях, к которым подводится ток. Один из стержней неподвижен, второй подвижен. Во время сварки подвижный стержень сближается с неподвижным до соприкосновения стыкуемых поверхностей, последние разогреваются, сплавляются и, будучи осажены (прижаты друг к другу), свариваются. Стыковая сварка бывает двух видов: с непрерывным оплавлением стыкуемых поверхностей и предварительным подогревом и последующим прерывистым оплавлением их.

Сварка без предварительного подогрева, т. е. непрерывным оплавлением, производится в момент соприкосновения грубообработанных стыков, между которыми во время прохождения тока образуется электродуга; вследствие этого металл плавится и стержни после быстрой осадки свариваются.

Сварка с предварительным подогревом и прерывистым оплавлением торцов совершается в процессе частого чередования сближения и раздвигания свариваемых стержней, при этом стыкуемые поверхности вначале разогреваются до светло-красного каления, потом оплавляются и свариваются при соответствующей осадке.

Гнутье арматурной стали осуществляют с помощью специальных машин, главным рабочим органом которых является вращающийся диск с закрепленными на нем пальцами, предназначенными' для изгибания металла в соответствующем направлении.