Физико-механические свойства арматурных сталей. Классификация арматуры по основным характери­стикам. Сортамент арматуры

Физико-механические свойства арматурных сталей зависят от химического состава стали, из которой сделана арматура, способа изготовления и обработки её.

Характеристики прочности и деформативности арматуры опре­деляют по диаграмме , получаемой путём испытаний стан­дартных образцов. Арматурные стали условно подразделяются на «мягкие», основной гарантированной характеристикой которых яв­ляется предел текучести σ_у, и «твёрдые» с основной гарантирован­ной характеристикой в виде временного сопротивления разрыву σ_и.

Зависимость между напряжениями и деформациями при растя­жении образцов горячекатаной арматуры из малоуглеродистой ста­ли марки Ст3 («мягкая» сталь) определяется диаграм­мой (рис. 17, а).

Рис. 17. Диаграмма деформирования малоуглеродистой стали: а – при растяжении; б – при сжатии

Поскольку при сжатии диаграмма деформирования стали суще­ственно отличается от диаграммы при растяжении (рис. 17, 6), то для сжатых образцов с уверенностью можно говорить лишь о преде­ле текучести; величину временного сопротивления при сжатии уста­новить практически невозможно.

Сталь марки Ст3 представляет собой почти чистое железо с содержанием различных примесей около 1% (из них углерода 0,14...0,22%). Эта сталь имеет физический предел текучести. Во избежание чрезмерных деформаций в конструкциях горячекатаная арматура может быть использована в них до напряжений σ_s < σ_у. Значит, основной характеристикой прочности для «мягких» сталей является σ_у, для «твёрдых» – σ_и.

Увеличение содержания углерода в арматурной стали марки Ст5 до 0,28...0,37% повышает её предел текучести и временное сопротивление (σ_у = 300 МПа и σ_и = 500 МПа) за счёт некоторого снижения пластичности (до δ≥19%, здесь δ – полное относительное удлине­ние образца при разрыве в %, включая длину шейки разрыва).

Увеличение содержания углерода в арматурной стали сверх 0,5% значительно снижает её пластические свойства и ухудшает сварива­емость. Поэтому дальнейшее повышение σ_у и σ_и горячекатаной ста­ли достигается легированием. В строительстве в основном применя­ются низколегированные арматурные стали с общим содержанием легирующих добавок обычно не более 2%. Однако, многие легиру­ющие добавки, повышая прочность стали, одновременно снижают её деформативность, ухудшают свариваемость и др. полезные свой­ства, а также повышают стоимость.

В связи с этим для повышения прочности стали кроме легиро­вания используется также термообработка. При этом сначала осу­ществляется закалка арматурной стали (нагрев до температуры 800...900°С и быстрое охлаждение), а затем отпуск (нагрев до тем­пературы 300...400°С и медленное плавное охлаждение). Причём за­калке могут быть подвергнуты стали, содержащие не менее 0,25% углерода.

Выносливость арматуры. От действия многократно повторяю­щейся нагрузки возможно усталостное разрушение арматуры при пониженном сопротивлении растяжению (меньшем предела текуче­сти или предела прочности при однократном кратковременном загружении). Усталостное разрушение происходит внезапно и носит хрупкий характер (происходит без образования площадки текуче­сти). Шейка в месте разрыва арматурного стержня не образуется.

Для исследования сопротивления арматуры при переменных на­пряжениях от действия многократно повторяющейся нагрузки на основании опытных данных строят кривую выносливости армату­ры (рис. 18), на которой N – число циклов нагрузки-разгрузки до разрушения образца; σ_s – наибольшее значение периодически повторяющегося напряжения.

Предел прочности арматуры при действии многократно повторя­ющейся нагрузки называется пределом выносливости (это напряже­ние R_sf , соответствующее горизонтальному участку кривой вынос­ливости). R_sf представляет собой то наибольшее напряжение, при котором как бы ни было велико N, разрушения не наступает.

Изображённая на рис. 18 кривая получается путём испытаний ряда одинаковых образцов, но при различных уровнях σ_s. Чем вы­ше напряжение σ_s, тем после меньшего числа циклов происходит разрушение образца, если это напряжение превосходит предел выносливости R_sf. Испытание одного образца позволяет получить од­ну точку в системе осей σ_s – N. Начиная с N = 2...10 млн. циклов кривая выносливости имеет горизонтальный участок.

Предел выносливости арматурной стали в железобетонных кон­струкциях зависит от числа повторений нагрузки N, характеристи­ки цикла , качества сцепления, наличия трещин в бетоне растянутой зоны и др.

При ρ_s = -1 (симметричный цикл) ; при ρ_s = 0 (пульсирующий цикл) .

Как правило, при действии многократно повторяющейся нагруз­ки конструкции армируют мягкими сталями.

Классификация арматуры по основным характери­стикам. Сортамент арматуры. По виду применяемой арматуры различают железобетон с гибкой арматурой в виде стальных стержней круглого или периодическо­го профиля сравнительно небольших диаметров (до 40 мм включи­тельно) и конструкции с несущей или жёсткой арматурой. К жёст­кой арматуре относится профильная прокатная сталь (уголкового, швеллерного и двутаврового сечения) и горячекатаные стержни диа­метром более 40 мм. Основным видом арматуры является гибкая.

Вся арматура, используемая в железобетоне, по своим основным характеристикам делится на ряд классов, причём в один класс мо­жет входить арматура из сталей нескольких марок.

Основным нормируемым и контролируемым показателем качества стальной арматуры является класс арматуры по прочности на растяжение, обозначаемый:

А – для горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры;

В – для холоднодеформированной арматуры;

К – для арматурных канатов.

Класс арматуры соответствует гарантированному значению предела текучести (физического или условного) в МПа, устанавливаемому в соответствии с требованиями стандартов и технических условий, и принимается в пределах от A 240 до A 1500, от B 500 до B 2000 и от K 1400 до K 2500.

Классы арматуры следует назначать в соответствии с их параметрическими рядами, установленными нормативными документами.

Кроме требований по прочности на растяжение к арматуре предъявляют требования по дополнительным показателям, определяемым по соответствующим стандартам: свариваемость, выносливость, пластичность, стойкость к коррозионному растрескиванию, релаксационная стойкость, хладостойкость, стойкость при высоких температурах, относительное удлинение при разрыве и др.

К неметаллической арматуре (в том числе фибре) предъявляют также требования по щелочестойкости и адгезии к бетону.

Дадим краткие характеристики арматуры перечисленных клас­сов.

Арматуру класса A240 изготовляют из стали марки Ст3. Она имеет гладкую цилиндрическую поверхность и применяется глав­ным образом в качестве монтажной арматуры, хомутов, поперечных стержней; из неё изготавливают монтажные петли. Хорошо свари­вается. Прокатывается, начиная с диаметра 6 мм (σ_v = 230 МПа, σ_u = 380 МПа и δ ≥ 25%).

Остальные классы стержневой арматуры представляют собой стальные стержни, поверхность которых имеет периодический про­филь. Выступы, имеющиеся на поверхности стержней периодиче­ского профиля, резко (в 2...3 раза) повышают сцепление арматуры с бетоном и уменьшают ширину раскрытия трещин в бетоне растя­нутой зоны.

Например, для арматуры класса А300 периодический профиль имеет вид, показанный на рис. 19, а. Как видно из этого рисунка, арматура класса А300 представляет собой круглые стержни с часто расположенными выступами и с двумя продольными рёбрами.

Арматура класса А300 хорошо сваривается и используется в каче­стве рабочей в обычном железобетоне. Для её изготовления исполь­зуются стали марок Ст5, 10ГТ, 18Г2С. Прокатывается, начиная с номинального диаметра 10 мм. Основные её характеристики σ_у = 300 МПа, σ_и = 500 МПа и δ ≥ 19%.

Рис. 19. Арматура периодического профиля: а, б – стержневая; в – проволочная

Арматура класса A400 имеет на своей поверхности выступы, об­разующие «ёлочку» (рис. 19, 6). Эта арматура является основной рабочей арматурой в обычном железобетоне. Хорошо сваривается. Выпускается диаметрами 6, 8, 10 мм в мотках массой до 1300 кг и диаметрами 12...40 мм в прутках длиной до 13,2 м. Изготавливается из низколегированной стали марок 18Г2С, 35ГС, 25Г2С по усмотре­нию завода-изготовителя. Для неё σ_у = 400 МПа, σ_и = 600 МПа и δ≥ 14%.

В обозначениях марок стали отражается содержание в них угле­рода и легирующих добавок. Например, в марке стали 25Г2С первые две цифры обозначают содержание в стали углерода в сотых долях процента (0,25%), буква Г – что сталь легирована марганцем, цифра 2 – что его содержание может достигать 2%, а буква С – наличие в стали кремния. Буквой X обозначается хром, Т – титан, Ц – цирконий и т.д.

Обыкновенная низкоуглеродистая проволока класса В500 (ГОСТ 6727-80) выпускается диаметрами 3, 4, 5 мм. Изготовляют её во­лочением катанки из низкоуглеродистой стали группы Ст2 – Ст3 и используют преимущественно в сварных изделиях – сетках и кар­касах; σ_и = 550...525 МПа в зависимости от диаметра, а σ_у и δ не нормируются.

Периодический профиль проволоки класса В500 (рис. 19, в) об­разуется расположенными на её поверхности вмятинами (рифами). Размеры вмятин зависят от диаметра проволоки. Проволока хоро­шо сваривается, что позволяет использовать её для изготовления арматурных изделий.

Класс арматурной стали при проектировании выбирается в зависимости от типа конструкции, условий ее возведения и эксплуатации.

При проектировании железобетонных конструкций пользуются сортаментом арматуры. Сортамент арматурной стали – это перечень типоразмеров каждого вида арматурных стержней, выпускае­мых в настоящее время металлургической промышленностью. В стране существует единый сор­тамент для гладкой арматуры и арматуры периодического профиля. Он со­ставлен по номинальным диаметрам стержней, выраженным в мм. Номинальный диаметр гладкого стержня совпадает с его фактиче­ским диаметром. Для стержневой арматуры периодического профи­ля номинальный диаметр (номер) стержня, указанный в сортаменте, соответствует диаметру гладкого круглого стержня, равновеликого ему по площади поперечного сечения. Например, арматурный стер­жень, расчётный номинальный диаметр которого равен 20 мм (см. рис. 19, а, б), имеет наружный диаметр (по выступам) 22 мм и внут­ренний (по телу) – 19 мм, а высота выступов на его поверхности равна h = 0,5(d₁–d) = 0,5(22–19) = 15 мм.