Як арматура підвищує довговічність бетонних конструкцій?

Основна роль арматури у міцності конструкцій і опорі навантаженню

Розуміння синергії між сталевою арматурою та бетоном

Звичайний бетон чудово працює під стисканням, але руйнується під розтягуванням — саме тут на допомогу приходить сталеве армування. Цікаво, що обидва матеріали розширюються та стискаються приблизно з однаковою швидкістю — близько 12 мільйонних на градус Цельсія, що допомагає запобігти утворенню тріщин під час коливань температури. Ребра на сталевих стрижнях краще «тримають» бетон, забезпечуючи міцніший зв'язок між ними. Це поєднання дозволяє залізобетону значно краще витримувати згинання, ніж звичайний бетон окремо, і зазвичай витримує такі навантаження приблизно втричі-вчетверо довше, перш ніж руйнується.

Механічні властивості, що сприяють довговічності конструкції

Більшість арматурних стержнів мають межу текучості в діапазоні приблизно від 420 до 550 МПа, що означає: вони можуть певною мірою згинатися або розтягуватися, коли навантаження перевищує те, з чим звичайний бетон може впоратися самостійно. Здатність розтягуватися без руйнування дозволяє будівлям і мостам краще сприймати напруження, часто витримуючи деформації близько 4 відсотків, перш ніж остаточно руйнуються, замість того, щоб раптово ламатися. У поєднанні зі звичайним бетоном, який витримує стискальні навантаження у межах приблизно від 20 до 40 МПа, така комбінація створює конструкції, які достатньо міцні, щоб надійно стояти, і водночас гнучкі, щоб не тріскатися під тиском. Саме тому багато будівельних об'єктів експлуатуються протягом поколінь, незважаючи на різноманітні погодні умови та повсякденне зношування.

Дані: Покращення несучої здатності за рахунок використання арматури

Залізобетонні балки витримують навантаження на 60–80% вище, ніж незалізобетонні. У плитах арматура покращує стійкість до тріщин на 70% і розподіл напружень у чотири рази. Стовпи з гвинтовою армацією забезпечують подвійну несучу здатність за осьовим навантаженням порівняно з неармованими версіями, як зазначено в стандартах ACI 318-23.

Дослідження випадку: будівництво висотних будівель із використанням залізобетону в сейсмічних зонах

Аналіз 25 хмарочосів у сейсмічних регіонах у 2023 році показав, що ядра з арматурою розсіювали на 45% більше енергії під час землетрусів. Споруди з арматурою #11 (36 мм) з кроком 150 мм мали менше 1% залишкової деформації під час моделювання землетрусів магнітудою 8,0, перевершуючи альтернативні системи на 35% за запасом міцності.

Покращення контролю тріщин, пластичності та стійкості до ударних навантажень за допомогою сталевого армування

Механізми стійкості до тріщин у залізобетонних конструкціях

Арматурна сталь діє як розтягувальний каркас, перенаправляючи концентрації напружень, що призводять до утворення тріщин. З'єднуючи мікротріщини під час усадки бетону, арматура утримує ширину тріщин нижче 0,3 мм — порогового значення для обмеження проникнення вологи та затримки початку корозії.

Пластичність як запобігання крихкому руйнуванню бетону

На відміну від звичайного бетону, який раптово руйнується під дією розтягувальних зусиль, сталева арматура поступово деформується, поглинаючи на 200–400% більше енергії деформації перед руйнуванням. Ця пластична поведінка забезпечує видимі попередження через прогин, зменшуючи ризик катастрофічного обвалення на 72% за результатами сейсмічного моделювання (Bandelt & Billington, 2016).

Як сталеве армування покращує поглинання енергії під динамічним навантаженням

Під дією ударного або сейсмічного навантаження сталь розсіює кінетичну енергію шляхом пружно-пластичної деформації. Дослідження 2023 року, опубліковане в Будівлі показало, що армований бетон поглинає 35 Дж/см³ енергії удару — утричі більше, ніж неармовані елементи.

Стратегія: оптимізація розташування арматури для максимальної стійкості до ударних навантажень

Максимальна стійкість до ударних навантажень досягається за рахунок:

• Ортогональні арматурні сітки з кроком 150–200 мм
• Контурні армувальні петлі в плитах і балках
• Мінімальний шар бетонного захисту 40 мм для запобігання прослизанню з'єднання
  Така конфігурація збільшує стійкість до ударних навантажень на 40–60%, зберігаючи при цьому практичні технологічні процеси будівництва.

Поведінка зчеплення та розподіл напружень між арматурою та бетоном

Властивості зчеплення-прослизання між сталевою арматурою та цементними матеріалами

Деформовані ребра на арматурі фактично вчеплюються в бетон, утворюючи міцні зв'язки, що перешкоджають їхньому проковзуванню під дією навантаження. Порівняно з гладкими стержнями, ці рифлені можуть витримувати приблизно в три-п'ять разів більше зусилля, оскільки щільно вчіплюються в навколишній бетон. Надійність таких зв'язків зберігається навіть за руху всього лише на 0,1 мм при прямому навантаженні. Це має велике значення для здатності будівель протистояти землетрусам, оскільки допомагає зберегти цілісність конструкції під час поштовхів.

Мікроструктура міжфазної поверхні (ITZ) та її вплив на довговічність

Зона інтерфейсного переходу (ITZ), шар завтовшки 50 мкм навколо арматури, визначає довготривалу довговічність. Погано витриманий ITZ може мати пористість на 30% вищу, ніж у масивному бетоні, що прискорює проникнення хлоридів. Зниження співвідношення вода-цемент нижче 0,4 збільшує щільність ITZ, поліпшуючи корозійну стійкість на 40% у морських умовах (Shang et al., 2023).

Фактори, що впливають на міцність зчеплення

• Текстура поверхні : Рифлені арматурні стержні збільшують здатність до зчеплення на 217 % порівняно з гладкими стержнями
• Якість бетону : Бетон міцністю 35 МПа забезпечує міцність зчеплення, яка в 2,3 рази перевищує показник суміші з міцністю 20 МПа
• Висушування : Вологе тверднення протягом 28 днів збільшує жорсткість зчеплення на 58 %

Обмежувальний ефект арматурного сталевого каркасу на розвиток напружень і деформацій

Арматурні стержні обмежують схильність бетону до розширення при стисненні, забезпечуючи збалансовану передачу напружень. У згинних елементах ця взаємодія збільшує несучу здатність на 300–400 % порівняно з чистим бетоном. Згідно з аналізом FHWA за 2023 рік, правильне розташування арматури зменшує ширину тріщин на 85 % в плитах мостових прольотів під дією тимчасового навантаження.

Контроль усадки та раннього тріщиноподілу шляхом правильного проектування арматури

Вплив сталевої арматури на тріщини, спричинені усадкою

Під час тверднення бетону він усаджується на 500–700 мікрометрів на метр (ACI 318-2022). Арматура компенсує до 40% цього розтягувального зусилля за рахунок сил зчеплення, утримуючи ширину тріщин нижче 0,3 мм — межі, при якій значно зростають ризики втрати довговічності. Це обмеження зменшує кількість тріщин на 62% порівняно з неармованим бетоном (Portland Cement Association, 2021).

Обмеження об'ємних змін за рахунок закладеної арматури

Мережі арматури врівноважують протилежні властивості матеріалів:

• Теплове розширення : Сталь (12 мкм/м°C) майже відповідає бетону (10,5 мкм/м°C) згідно з ASTM C531
• Невідповідність модулів : Модуль арматури 200 ГПа протидіє пружності бетону 25–40 ГПа, перерозподіляючи деформації

Використання арматурних стержнів ASTM A615 класу 60 із коефіцієнтом армування 0,5% зменшує щільність тріщин у ранньому віці на 75% у плитах мостових полотен (Звіт NCHRP 712).

Стратегія: Врівноваження щільності арматури для мінімізації тріщин у ранньому віці

Правильна відстань між 100 і 200 міліметрами, а також підтримка коефіцієнтів армування в межах від 1,5% до 2,5%, допомагає утримати неприємні тріщини в бетонних плитах завширшки менше 0,15 мм. Коли армування перевищує 3%, починаються проблеми через накопичення напружень у певних місцях. Навпаки, якщо знизитися нижче 1% армування, тріщини розповсюджуються неконтрольовано. Останні польові випробування стін товщиною 300 мм показали цікавий результат. При щільності арматури 2% на цих стінах було приблизно 0,35 тріщин на квадратний метр. Але коли щільність знизили до 0,8%, кількість зрісло до 2,1 тріщин на квадратний метр, про що йшлося в дослідженні, опублікованому минулого року в журналі «Journal of Materials in Civil Engineering». І не забувайте також про глибину захисного шару. Достатній захисний шар у межах 40–75 мм виконує подвійну функцію: захищає від корозії, зберігаючи лужність, і водночас дозволяє матеріалам нормально розширюватися та стискатися.

Стійкість до корозії та довготривала міцність рішень із покриттям арматури

Типи покриттів, стійких до корозії: епоксидні, оцинковані та з нержавіючої сталі

По суті, існує три основні покриття, які допомагають арматурі довше служити: епоксидне, оцинковане та з нержавіючої сталі. Епоксидне покриття створює захисний шар, що запобігає пошкодженню від води та солі, хоча працівникам потрібно бути дуже обережними під час монтажу, щоб не пошкодити або не поцарапати покриття. Метод гарячого цинкування полягає у використанні цинку, який жертвує собою, захищаючи сталеву основу. Цей метод добре підходить для споруд, побудованих поблизу узбережжя чи в інших місцях із постійним впливом соляного повітря. Нержавіюча сталь містить суміші хрома та нікелю, про які всі знають, забезпечуючи значно кращий захист від корозії. Хоча вона може витримувати жорсткі морські умови десятиліттями, іноді понад 70 років, згідно з деякими даними, вартість такого матеріалу значно вища, ніж у інших варіантів. Багато підрядників зважують цю довгострокову вигоду порівняно з початковими витратами під час вибору.

Цілісність покриття та її вплив на довговічність

Ефективність покриттів справді залежить від збереження цього захисного шару цілим, без будь-яких пошкоджень. Невеликі подряпини на епоксидних покриттях можуть здаватися незначними, проте вони можуть прискорити корозію на 30–40 відсотків у середовищах із високим вмістом хлоридів. Якщо розглядати різні матеріали, оцинкований цинк зазвичай зношується приблизно на 1–2 мікрометри на рік у звичайних погодних умовах. Нержавіюча сталь є трохи кращою, оскільки її поверхня утворює захисну плівку, яка з часом зазвичай відновлюється самостійно, хоча цей процес припиняється, якщо матеріал піддається дії сильно кислих або лужних речовин. І не варто забувати також про проблеми зберігання. Якщо арматуру з покриттям неправильно зберігати або недостатньо обробити, ми можемо втратити майже половину її здатності чинити опір корозії ще до початку експлуатації.

Дані: Подовження терміну служби арматури з покриттям у морських умовах

Польові дані підтверджують значний ефект від покриттів. Дослідження органічних покриттів показало, що арматура з епоксидним покриттям продовжує термін служби на 15–20 років у морських умовах порівняно з неоцинкованою сталью. Оцинкована арматура кородує на 25–35% повільніше в припливних зонах, тоді як нержавіюча сталь демонструє незначне проникнення іржі після 50 років перебування під водою.

Стратегія: Методи моніторингу та зменшення корозії в схильних до корозії зонах

Профілактичні стратегії включають електрохімічні випробування (картографування потенціалу напівкомірки) та періодичне відбір кернів для оцінки стану покриття. У зонах підвищеного ризику, таких як проїзні частини мостів, системи жертвенної аноди відводять корозійні струми від арматури. Для існуючих конструкцій мігруючі інгібітори корозії зменшують рухомість хлоридів на 60–80%, підвищуючи довготривалу ефективність арматури з покриттям.

ЧаП

• Яка основна роль арматури в будівництві?
  Арматура насамперед підвищує міцність бетону на розтяг, дозволяючи йому протистояти згинним і розтяжним зусиллям.
• Як арматура сприяє довговічності конструкції?
  Пластичність арматури дозволяє їй поглинати та розподіляти напруження, зменшуючи ймовірність структурних пошкоджень із часом.
• Які поширені покриття використовуються для арматури та навіщо вони потрібні?
  До поширених покриттів належать епоксидні, цинковані та з нержавіючої сталі, які захищають від корозії та подовжують термін служби арматури.
• Як арматура впливає на контроль тріщин у залізобетонних конструкціях?
  Арматура перекриває мікротріщини, обмежуючи їхню ширину та затримуючи початок корозії.
• Які стратегії покращують стійкість арматури до корозії?
  Використання покриттів, належне зберігання та електрохімічне тестування — ефективні способи підвищення стійкості арматури до корозії.