Kaip armatūra padidina betoninių konstrukcijų ilgaamžiškumą?

Armatūros pagrindinė vaidmuo konstrukcinėje stiprybėje ir apkrovos atsparume

Suprasti plieninės armatūros ir betono sinergiją

Įprastas betonas puikiai laikosi, kai jis suspaudžiamas, tačiau suyra tempiamas – čia ir praverčia plieninė armatūra. Įdomu tai, kad abu medžiagai šiluminio plėtimosi koeficientas yra maždaug vienodas – apie 12 milijonų dalių vienam laipsniui Celsijaus – tai padeda išvengti įtrūkimų, kai kinta temperatūra. Plieninių strypų briaunos geriau „įsikabina“ į betoną, sukurdamos tvirtesnį ryšį tarp jų. Ši kombinacija leidžia armuotam betonui gerokai atsparesniu būti lenkimo apkrovoms nei paprastas betonas, dažniausiai išlaikant tokią apkrovą tris–keturis kartus ilgiau, kol sugenda.

Mechaniniai savybių indėlis į konstrukcijos ilgaamžiškumą

Dauguma armatūros turi takumo ribą, svyruojančią nuo apie 420 iki 550 MPa, kas reiškia, kad jie gali šiek tiek lenktis arba temptis, kai apkrovos viršija tai, ką paprastas betonas gali išlaikyti 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 tai derinama su įprastu betonu, kuris atlaiko suspaudimo jėgas tarp maždaug 20 ir 40 MPa, tokia pora sukuria konstrukcijas, kurios pakankamai stiprios, kad išliktų tvirtos, ir tuo pačiu pakankamai lankstios, kad nesutrūkinėtų esant slėgiui. Dėl to daugelis statybinių projektų išlieka patikimi per ilgus metus, nepaisant įvairių oro sąlygų ir kasdienio dėvėjimosi.

Duomenys: Našumo našumo pagerėjimas naudojant armatūrą

Geležbetoniniai sijos atlaiko 60–80 % didesnes apkrovas nei nepretenzijuoti atitikmenys. Plokštėse armatūra padidina įtrūkimų atsparumą 70 %, o įtempių pasiskirstymą – keturis kartus. Kolonos su spiraline armatūra pasiekia dvigubai didesnę ašinę apkrovos talpą lyginant su nearmuotomis versijomis, 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 šerdys žemės drebėjimų metu išsklaido 45 % daugiau energijos. Konstrukcijos, naudojančios #11 (36 mm) armatūrą, išdėstytą kas 150 mm, modeliuojant 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 tinklelis veikia kaip tempių atrama, nukreipdamas įtempimo koncentraciją, sukeliančią plyšius. Jungdamas mikroplyšius betono traukimosi metu, armatūra išlaiko 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

Smūginės ar seisminių apkrovų metu plienas sklaido kinetinę energiją 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 tvarkymo optimizavimas maksimaliam smūgio atsparumui

Maksimalus smūginis našumas pasiekiamas dėka:

• Taisyklingai išdėstytų strypų tinklelių, esančių kas 150–200 mm
• Armavimo žiedų plokštėse ir sijose perimetru
• 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 ir betono

Sąsajos-slydimo savybės tarp plieninės armatūros 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 aplinkui 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, nes padeda išlaikyti konstrukcinį vientisumą, kai viskas dreba.

Sąsajos mikrostruktūra (ITZ) ir jos poveikis ilgaamžiškumui

Sąsajos perėjimo zona (ITZ), 50 μm sluoksnis aplink armatūrą, lemia ilgalaikį ilgaamžiškumą. Blogai sukietinta ITZ gali turėti 30 % didesnį poringumą nei pagrindinis betonas, greitinant chloridų prasiskverbimą. 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 : Po 28 dienų trunkantis drėgnas priežiūros režimas padidina sukibimo standumą 58 %

Pliauščio plieno armatūros įtaka įtempių ir deformacijų vystymuisi

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 plyšių valdymas naudojant tinkamą armatūros projektavimą

Plieno armatūros poveikis susitraukimui dėl plyšių atsiradimo

Kietėjant betonui, jis susitraukia 500–700 mikrometrų viename metre (ACI 318-2022). Geležis kompensuoja iki 40 % šios tempiamos deformacijos dėka sukibimo jėgų, palaikydama įtrūkimų plotį žemiau 0,3 mm – ribos, virš kurios žymiai padidėja ilgaamžiškumo rizika. Šis apribojimas sumažina įtrūkimų atsiradimą 62 % lyginant su nepastiprintu betonu (Portland Cement Association, 2021).

Tūrio pokyčių apribojimas naudojant įmontuotą armatūrą

Armavimo tinklai subalansuoja priešingus medžiagų elgesio bruožus:

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

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

Strategija: subalansuoti armatūros tankį, kad būtų sumažintas ankstyvo amžiaus įtrūkimas

Tarp 100 ir 200 milimetrų laikant tinkamą atstumą bei armatūros kiekį palaikant tarp 1,5 % ir 2,5 % galima išlaikyti nepageidautinas plyšius betoniniuose plokščiuose 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 neribotai ir be kontrolės. Pastarieji lauko tyrimai, atlikti su 300 mm storio sienomis, parodė įdomų dalyką. Esant 2 % armatūros tankiui, šios sienos turėjo apie 0,35 plyšio viename kvadratiniame metre. Tačiau sumažinus armavimą iki tik 0,8 %, plyšių skaičius išaugo iki 2,1 viename kvadratiniame metre, kas nurodyta praėjusiais metais publikuotame straipsnyje žurnale „Journal of Materials in Civil Engineering“. Nepamirškite taip pat apsauginio sluoksnio storio. Pakankamas apsauginis sluoksnis tarp 40 ir 75 mm atlieka dvigubą funkciją – apsaugo nuo korozijos palaikydamas rūgštingumą, kartu leisdamas medžiagoms normaliai plėstis ir 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 panardinimo cinkavimo metodas veikia taip, kad cinkas iš esmės aukojasi, kad apsaugotų po juo esantį plieną. Šis metodas dažniausiai puikiai tinka statiniams, pastatytiems jūros pakrantėje ar kitose vietose, kur reguliariai pasitaiko druskingo oro. Nerūdijantis plienas sudarytas iš chromo ir nickelio mišinių, kurias visi gerai žinome, todėl jis gerokai geriau atsparus korozijai. Nors jis gali ištverti kietą jūros aplinką dešimtmečius, kartais net daugiau nei 70 metų, kaip teigiama kai kuriose ataskaitose, jo kaina tikrai yra žymiai didesnė lyginant su kitomis parinktimis. Daugelis rangovų, priimdami sprendimus, sveria šiuos ilgalaikius pranašumus prieš didesnes išankstines išlaidas.

Dangos vientisumas ir jo poveikis ilgalaikiam ilgaamžiškumui

Dangų veiksmingumas iš esmės priklauso nuo to, kaip išlaikomas apsauginis sluoksnis nepažeistas. Maži įbrėžimai epoksidiniais danga neatrodo itin rimtai, tačiau jei aplinkoje yra daug chloridų, jie gali padidinti korozijos greitį net 30–40 procentų. Palygindami skirtingus medžiagas, galvanizuotas cinkas normaliomis oro sąlygomis per metus paprastai nusidėvi apie 1–2 mikrometrus. Nerūdijantis plienas yra šiek tiek geresnis, nes jo paviršiuje susidaro apsauginė plėvelė, kuri laikui bėgant paprastai atsinaujina savaime, tačiau šis procesas sustoja, jei medžiaga patenka į labai rūgščią arba šarmingą aplinką. Be to, nereikia pamiršti ir saugojimo problemų. Jei dangą turintis armatūros strypas netinkamai saugomas arba netinkamai sukietinamas, dar prieš pradedant jį naudoti, gali būti prarasta beveik pusė jo korozijai atsparumo savybių.

Duomenys: Apsaugotos armatūros tarnavimo laiko pailginimas 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 tidiniuose zonose korozuoja 25–35 % lėčiau, o nerūdijantis plienas po 50 metų po vandeniu rodo beveik nepastebimą rūdžių prasiskverbimą.

Strategija: Korozijai linkusių teritorijų stebėjimo ir mažinimo metodai

Proaktyvios strategijos apima elektrocheminius bandymus (pusląsčių potencialo žemėlapį) ir periodinį branduolių ėmimą siekiant įvertinti dangos būklę. Aukšto rizikos lygio vietose, tokiuose kaip tiltų plokštės, aukojamųjų anodų sistemos nukreipia korozijos srovę 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 ilgaamžiškumui?
  Armatūros plastiškumas leidžia jai sugerti ir paskirstyti apkrovą, mažinant ilgalaikio konstrukcinio gedimo tikimybę.
• Kokios dažnos 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.