Kaip armatūra padidina betoninių konstrukcijų ilgaamžiškumą?

Armatūros pagrindinė vaidmuo konstrukcijų stiprumui ir apkrovų atlaikymui

Suprasdami plieninės armatūros ir betono sinergiją

Paprastas betonas puikiai laikosi, kai jis suspaudžiamas, tačiau suskyla, kai yra tempiamas – čia svarbų vaidmenį atlieka plieno armatūra. Įdomu tai, kad abu medžiagai išsiplėčia ir susitraukia maždaug vienodu greičiu – apie 12 milijonų dalių vienam laipsniui Celsijaus, kas padeda išvengti įtrūkimų, kai kinta temperatūra. Plentai ant plieninių strypų iš tiesų geriau „sukaupia“ betoną, sukurdamas stipresnį ryšį tarp jų. Ši kombinacija leidžia armuotam betonui daug geriau atlaikyti lenkimo apkrovas nei paprastas betonas, įprastai išlaikant šias apkrovas tris–keturis kartus ilgiau nei nepažeidžiant konstrukcijos.

Mechaniniai savybių indėlis į konstrukcijos ilgaamžiškumą

Dauguma armatūros turi takumo stiprumą, svyruojantį nuo apie 420 iki 550 MPa, kas reiškia, kad jos gali šiek tiek lenktis arba temptis, kai jėgos viršija tai, ką paprastas betonas gali atlaikyti pats. Gebėjimas temptis, nesulūžtant, leidžia pastatams ir tiltams geriau sugerti įtampą, dažnai išlaikant iki apie 4 procentų deformaciją, prieš galutinai sulūždami, o ne tiesiog staigiai lūždami. Kai šis elementas sujungiamas su įprastu betonu, kuris atlaiko suspaudimo jėgas tarp maždaug 20 ir 40 MPa, tokia pora sukuria konstrukcijas, kurios pakankamai stiprios, kad išliktų tvirtos, tačiau pakankamai lankstios, kad neišskiltų esant slėgiui. Dėl to daugelis statybinių projektų išsilaiko per kartas nepaisant įvairių oro sąlygų ir kasdienio dėvėjimosi.

Duomenys: Našumo apkrovą nešant pagerėjimas naudojant armatūrą

Geležbetoninės sijos atlaiko 60–80 % didesnes apkrovas nei nepastiprintos. Plokštėse armatūra padidina įtrūkimų atsparumą 70 %, o įtempių pasiskirstymą – keturis kartus. Kolonos su spiraline armatūra pasiekia dvigubai didesnę ašinę apkrovą nei neįtvirtintos versijos, kaip nurodyta ACI 318-23 standartuose.

Atvejo tyrimas: Aukštųjų pastatų statyba iš geležbetonio seisminiuose regionuose

2023 m. analizė, atlikta 25 dangoraižių seisminiuose regionuose, parodė, kad armatūros pagrindu sustiprintos konstrukcijos žemės drebėjimo metu išsklaido 45 % daugiau energijos. Konstrukcijos, naudojančios #11 (36 mm) armatūrą, išdėstytą kas 150 mm, simuluojant 8,0 balų stiprumo žemės drebėjimus, patyrė mažiau nei 1 % likutinio deformavimosi, pranašumu saugos atžvilgiu viršydamos alternatyvias sistemas 35 %.

Įtrūkimų kontrolės, plastiškumo ir smūgio atsparumo gerinimas naudojant plieninę armatūrą

Geležbetoninių konstrukcijų įtrūkimų atsparumo mechanizmai

Plieninis armatūrinis strypas veikia kaip tempiams atsparus pagrindas, nukreipdamas įtempimo koncentraciją, kuri sukelia plyšius. Jungdamas mikroplyšius betono traukimosi metu, armatūra palaiko plyšių plotį žemiau 0,3 mm – slenksčio, apribojančio drėgmės patekimą ir vėlinančio korozijos pradžią.

Tampumas kaip apsauga nuo trapaus betono suardymo

Skirtingai nei paprastas betonas, kuris staigiai suyra tempiant, plieninė armatūra lankstosi palaipsniui, sugerdama 200–400 % daugiau deformacijos energijos iki nutrūkimo. Šis tampus atsakas suteikia matomą įspėjimą per lenkimąsi, sumažindamas katastrofiško griuvimo riziką 72 % seisminiuose modeliavimuose (Bandelt & Billington, 2016).

Kaip plieninė armatūra padidina energijos sugeriamumą dinaminėmis apkrovomis

Smūgio ar seisminės apkrovos metu plienas kinetinę energiją sklaido elastingai-plastiškai deformuodamasis. 2023 m. publikuotas tyrimas žurnale Pastatų parodė, kad armuotas betonas sugeria 35 J/cm³ smūginės energijos – tris kartus daugiau nei nearmuotos dalys.

Strategija: armatūros strypų išdėstymo optimizavimas maksimaliam smūgio atsparumui

Maksimalus smūginis našumas pasiekiamas dėka:

• Taisyklingai išdėstytos tinklelins, esančios kas 150–200 mm
• Armavimo žiedai plokščių ir sijų perimetruose
• Ne mažesnis kaip 40 mm betono sluoksnis, kad būtų išvengta slydimo tarp armatūros ir betono
  Ši konfigūracija padidina smūgio atsparumą 40–60 %, išlaikant praktiškus statybos procesus.

Sąsajos elgsena ir įtempių pasiskirstymas tarp armatūros strypų ir betono

Sąsajos-slydimo savybės tarp plieninių armatūros strypų ir cemento pagrindo medžiagų

Išlinkę barai ant armatūros iš tikrųjų įsikabina į betoną, sukuriant stiprius ryšius, kurie neleidžia jiems slysti, kai pritaikomas svoris. Palyginti su lygiomis strypais, šie rėžuoti gali išlaikyti apie tris – penkis kartus didesnę jėgą, nes įsikanda į aplink jį esantį betoną. Šie ryšiai lieka patikimi net tada, kai tiesioginio apkrovimo sąlygomis yra judėjimas vos 0,1 mm. Tai labai svarbu pastatams, stovintiems žemės drebėjimų metu, kad būtų išlaikyta konstrukcinė vientisumas, kai viskas dreba.

Sąsajos mikrostruktūra (ITZ) ir jos poveikis ilgaamžiškumui

Tarpfazės pereinamoji zona (ITZ), 50 μm sluoksnis aplink armatūrą, lemia ilgalaikį ilgaamžiškumą. Blogai sukietinta ITZ gali turėti 30 % didesnį poringumą nei pagrindinis betonas, greitinant chloridų skverbimąsi. Sumažinus vandens ir cemento santykį žemiau 0,4, ITZ pasitampa tankesnė, jūros aplinkose korozijos atsparumas pagerėja 40 % (Shang et al., 2023).

Veiksniai, veikiantys sukibimo stiprumą

• Paviršiaus tekstūra : Ribsuoti strypai padidina sukibimo gebą 217 % lyginant su glotniais strypais
• Betono kokybė : 35 MPa betonas pasižymi 2,3 karto didesniu sukibimo stiprumu lyginant su 20 MPa mišiniu
• Kuravimas : Drėgnas 28 dienų laikotarpio slėginis padidina sukibimo standumą 58 %

Plieno armatūros įtampa ir deformacijų vystymuisi ribojantis poveikis

Armavimo strypai riboja betono polinkį plasti kompresijoje, užtikrindami subalansuotą įtempių pasiskirstymą. Lenkiamuosiuose elementuose šis sąveikos efektas padidina apkrovos nešančią gebą 300–400 % lyginant su paprastu betonu. Pagal JAV automobilių kelių administracijos (FHWA) 2023 m. analizę, tinkamai sumontuota armatūra tiltų dangose sumažina plyšių plotį 85 % veikiant naudingoms apkrovoms.

Susitraukimo ir ankstyvojo amžiaus plyšimo valdymas tinkamu armatūros projektavimu

Plieno armatūros poveikis susitraukimui dėl plyšimo

Tvirtėjant betonui, jis susitraukia 500–700 mikrometrų vienam metrui (ACI 318-2022). Geležis kompensuoja iki 40 % šio tempimo deformacijos per sukibimo jėgas, palaikydama plyšių plotį žemiau 0,3 mm – ribos, virš kurios žymiai padidėja ilgaamžiškumo rizika. Šis apribojimas sumažina plyšių atsiradimą 62 % lyginant su nepastiprintu betonu (Portland Cement Association, 2021).

Tūrio pokyčių apribojimas naudojant įmontuotą armatūrą

Armavimo tinkleliai subalansuoja priešingus medžiagų elgesius:

• Terminis išsiplėtimas : Plienas (12 μm/m°C) artimas betono reikšmei (10,5 μm/m°C) pagal ASTM C531
• Modulio neatitikimas : 200 GPa modulis pliene atsparus betono 25–40 GPa tampriai, perskirstydamas deformaciją

Naudojant ASTM A615 60 klasės strypus 0,5 % armavimo santykiu, tiltų plokščių ankstyvojo amžiaus plyšių tankis sumažinamas 75 % (NCHRP ataskaita 712).

Strategija: subalansuoti armatūros tankį, kad būtų sumažintas ankstyvojo amžiaus plyšimas

Tarp 100 ir 200 milimetrų laikant tinkamą atstumą bei armatūros kiekį palaikant tarp 1,5 % ir 2,5 % galima išlaikyti nepageidaujamus plyšius betoniniuose skyliuose siauresnius nei 0,15 mm. Kai armatūros per daug – virš 3 %, pradeda kauptis įtampa tam tikrose vietose ir atsiranda problemų. Kita vertus, jei armavimas yra mažesnis nei 1 %, plyšiai plinta nekontroliuojamai. Pastaraisiais metais atlikti praktiniai tyrimai, kurių metu buvo tirtos 300 mm storio sienos, parodė įdomių rezultatų. Esant 2 % armatūros tankiui, šiose sienose buvo apie 0,35 plyšio viename kvadratiniame metre. Tačiau sumažinus armavimą iki 0,8 %, plyšių skaičius išaugo iki 2,1 viename kvadratiniame metre, kas nurodyta praėjusiais metais publikuotame „Journal of Materials in Civil Engineering“ tyrime. Nepamirškite taip pat apsauginio sluoksnio storio. Pakankamas apsauginis sluoksnis tarp 40 ir 75 mm atlieka dvigubą funkciją – apsaugo nuo korozijos palaikydamas šarminį aplinką ir kartu leidžia medžiagoms normaliai plestis bei trauktis.

Apdengtų armatūros sprendimų atsparumas korozijai ir ilgalaikis patvarumas

Korozijai atsparių dangų tipai: epoksidinė, cinkuota ir nerūdijantis plienas

Iš esmės yra trys pagrindiniai dengimo būdai, kurie padeda armatūrai tarnauti ilgiau: epoksidinis, cinkuotas ir nerūdijančio plieno variantai. Epoksidinis sluoksnis sukuria apsauginį sluoksnį nuo vandens ir druskos pažeidimų, tačiau montuojant reikia būti itin atsargiems, kad nesugalvotumėte ar nepažeistumėte dangos. Karštojo cinkavimo metodas veikia taip, kad cinkas iš esmės aukojasi, kad apsaugotų po juo esantį plieną. Šis metodas gerai tinka statiniams, pastatytiems jūros pakrantėje ar kitose vietose, kur reguliariai pasitaiko druskingo oro. Nerūdijantis plienas sudarytas iš chromo ir nickelio mišinių, kurias visi pažįstame, todėl jis žymiai geriau atsparus korozijai. Nors jis gali atlaikyti sunkias jūros aplinkos sąlygas dešimtmečius, kai kuriais atvejais net daugiau nei 70 metų, jo kaina tikrai yra žymiai didesnė lyginant su kitomis parinktimis. Daugelis rangovų, priimdami sprendimus, sveria šiuos ilgalaikius pranašumus prieš išlaidas iš anksto.

Dangos vientisumas ir jo poveikis ilgalaikiam ilgaamžiškumui

Dangų veiksmingumas iš esmės priklauso nuo to, ar apsauginis sluoksnis išlieka nepažeistas ir be jokių pažeidimų. Maži brūkšneliai epoksidiniuose danguose gali atrodyti nereikšmingi, tačiau jei aplinkoje yra didelis chloridų kiekis, jie iš tikrųjų gali pagreitinti koroziją 30–40 procentų. Palygindami skirtingus medžiagų tipus, galima pastebėti, kad cinkuotas cinkas normaliomis oro sąlygomis per metus susidėvi apie 1–2 mikrometrus. Nerūdijantis plienas yra šiek tiek geresnis, nes jo paviršiuje susidaro apsauginė plėvelė, kuri paprastai laikui bėgant atsinaujina savaime, tačiau šis procesas sustoja, jei medžiaga patenka į labai rūgščią arba šarminę aplinką. Be to, nederama saugojimo praktika taip pat turi reikšmės. Jei dengtas armatūros strypas netinkamai saugomas arba netinkamai sukietinamas, dar prieš įrengimą eksploatacijai gali būti prarasta net pusė jo korozijos atsparumo gebos.

Duomenys: Apsaugotojo armatūros tarnavimo laiko pratęsimas jūros aplinkose

Lauko duomenys patvirtina dengimo medžiagų naudą. Tyrimas apie organines dangas parodė, kad epoksidiniais sluoksniais padengtas armatūros strypas jūros sąlygose tarnauja 15–20 metų ilgiau nei nepadengta plieninė armatūra. Cinkuota armatūra rūdija 25–35 % lėčiau pajūrio zonoje, o nerūdijantis plienas po 50 metų po vandeniu rodo beveik nepastebimą rūdžių skverbimąsi.

Strategija: Korozijai linkusių teritorijų stebėjimo ir prevencijos metodai

Proaktyvios strategijos apima elektrocheminius bandymus (pusląsčių potencialo žemėlapį) ir periodinį gręžinių atrankinį ėmimą siekiant įvertinti dangos būklę. Aukšto rizikos lygio vietose, tokiuose kaip tiltų plokštės, aukojamųjų anodų sistemos nukreipia korozijos sroves nuo armatūros. Esamiems statiniams taikomi keliaujantys korozijos inhibitoriai, kurie sumažina chloridų judumą 60–80 %, padidindami padengtos armatūros ilgaamžiškumą.

DAK

• Koks pagrindinis armatūros vaidmuo statyboje?
  Armatūra daugiausia padidina betono tempiamąją stiprybę, leisdama jam atlaikyti lenkimo ir tempimo jėgas.
• Kaip armatūra prisideda prie konstrukcijos ilgaamžiškumo?
  Armatūros plastiškumas leidžia jai sugerti ir paskirstyti apkrovas, mažinant ilgainiui konstrukcinių gedimų tikimybę.
• Kokios yra dažnai naudojamos armatūros dengimo medžiagos ir kodėl jos svarbios?
  Dažnai naudojamos dengimo medžiagos apima epoksidinį dengimą, cinkavimą ir nerūdijantį plieną, kurie apsaugo nuo korozijos ir pailgina armatūros tarnavimo laiką.
• Kaip armatūra veikia įtrūkimų kontrolę betoninėse konstrukcijose?
  Armatūra „permeta“ mikroįtrūkimus, ribodama jų plotį ir vėluodama korozijos pradžią.
• Kokios strategijos padeda pagerinti armatūros atsparumą korozijai?
  Naudojant dengimo medžiagas, tinkamai saugant ir atliekant elektrocheminius tyrimus, efektyviai didinamas armatūros atsparumas korozijai.