Як арматура підвищує довговічність бетонних конструкцій?

Основна роль арматури у міцності конструкцій і стійкості до навантажень

Розуміння синергії між сталевою арматурою та бетоном

Звичайний бетон чудово працює при стисканні, але руйнується при розтягуванні — ось чому важливе сталеве армування. Цікаво, що обидва матеріали розширюються та стискаються майже однаково — приблизно на 12 мільйонних на градус Цельсія, що допомагає запобігти утворенню тріщин під час зміни температури. Ребра на сталевих стрижнях краще утримуються в бетоні, забезпечуючи міцніший зв'язок між ними. Це поєднання дозволяє залізобетону значно краще протистояти згинанню, ніж звичайний бетон окремо, зазвичай витримуючи такі навантаження приблизно втричі-вчетверо довше перед руйнуванням.

Механічні властивості, що забезпечують довговічність конструкцій

Більшість арматурних стержнів мають межу текучості в діапазоні приблизно від 420 до 550 МПа, що означає здатність трохи вигинатися або розтягуватися під дією навантажень, які перевищують можливості звичайного бетону. Здатність розтягуватися без руйнування дозволяє будівлям і мостам краще сприймати напруження, часто витримуючи деформації до приблизно 4 відсотків перед остаточним руйнуванням замість раптового розламування. У поєднанні зі звичайним бетоном, який витримує стиск у межах приблизно від 20 до 40 МПа, така комбінація створює конструкції, достатньо міцні, щоб залишатися стійкими, і водночас гнучкі, щоб не тріскатися під навантаженням. Саме тому багато будівельних об'єктів експлуатуються протягом багатьох поколінь, незважаючи на різноманітні погодні умови та щоденні зноси.

Дані: Покращення несучої здатності за рахунок використання арматури

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

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

Аналіз 25 хмарочосів у сейсмічних регіонах у 2023 році показав, що ядра, армовані арматурою, розсіювали на 45% більше енергії під час землетрусів. Споруди з арматурою #11 (36 мм) із 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 при розтягу, сталева арматура поступово деформується, поглинаючи на 200–400% більше енергії деформації перед руйнуванням. Ця пластична реакція 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 ударним або сейсмічним навантаженням 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 конструкції.

Стратегія: оптимізація розташування арматури для максимальної стійкості до ударних навантажень

Найвищі показники стійкості до ударів досягаються за рахунок:

• Ортогональні арматурні сітки з кроком 150–200 мм
• Контурні армувальні петлі в плитах і балках
• Мінімальний шар бетонного захисту 40 мм, щоб запобігти прослизанню з'єднання
  Така конфігурація збільшує стійкість до ударів на 40–60%, зберігаючи при цьому практичність будівельних процесів.

Поведінка зчеплення та розподіл напружень між арматурою та бетоном

Властивості зчеплення та прослизання між сталевою арматурою та цементними матеріалами

Деформовані ребра на арматурі фактично вчеплюються в бетон, створюючи міцні зв'язки, які запобігають їхньому проковзуванню під дією навантаження. Порівняно з гладкими стрижнями, ці рифлені можуть витримувати приблизно втричі-п'ять разів більше зусилля, оскільки щільно входять у навколишній бетон. Надійність цих зв'язків зберігається навіть за наявності переміщення всього лише на 0,1 мм за прямого навантаження. Це має велике значення для здатності будівель витримувати землетруси, оскільки допомагає зберегти цілісність конструкції під час поштовхів.

Мікроструктура міжфазної поверхні (ITZ) та її вплив на довговічність

Зона міжфазного 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, підвищуючи 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 20 МПа
• Висушування : Вологе тверднення протягом 28 днів збільшує жорсткість зчеплення на 58 %

Вплив армування сталлю на розвиток напружень і деформацій

Арматура обмежує здатність бетону розширюватися при стисненні, забезпечуючи збалансоване розподілення 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 мостів під дією корисного навантаження.

Контроль усадки та раннього тріщинування шляхом правильного проектування арматури

Вплив сталевого армування на тріщини, спричинені усадкою

Під час тверднення бетон стискається на 500–700 мікрометрів на метр (ACI 318-2022). Арматура компенсує до 40% цього розтягувального зусилля за рахунок сил зчеплення, утримуючи ширину тріщин менше ніж 0,3 мм — значення, при якому суттєво 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) має близький коефіцієнт до бетону (10,5 мкм/м°C) згідно з ASTM C531
• Невідповідність модулів : Модуль пружності 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 плитах мостів на 75% на ранніх етапах (Звіт NCHRP 712).

Стратегія: Врівноваження щільності арматури для мінімізації тріщин на ранніх етапах

Правильна відстань між 100 і 200 міліметрами, а також підтримка коефіцієнтів армування в межах від 1,5% до 2,5% допомагає утримувати непотрібні тріщини в бетонних плитах завширшки менше 0,15 мм. Коли армування надто велике — понад 3%, — починаються проблеми через зростання напружень у певних місцях. Навпаки, якщо рівень армування опускається нижче 1%, тріщини поширюються неконтрольовано. Останні польові випробування стін товщиною 300 мм показали цікаві результати. При щільності арматури 2% на цих стінах припадало близько 0,35 тріщини на квадратний метр. Однак коли щільність знизили до 0,8%, кількість зрісала аж до 2,1 тріщини 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. Достатня товщина захисного шару (від 40 до 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 для 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, розташованих поблизу узбережжя чи в інших місцях із постійним впливом соляного повітря. Нержавіюча сталь містить суміші хрома та нікелю, відомі всім, 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 довготривалу міцність

Ефективність покриттів справді залежить від збереження цього захисного шару цілим, без пошкоджень. Невеликі подряпини на епоксидних покриттях можуть здаватися незначними, проте вони можуть прискорити корозію на 30–40 відсотків у середовищі з високим вмістом хлоридів. Розглядаючи різні матеріали, оцинкований цинк зазвичай зношується приблизно на 1–2 мікрометри щороку в нормальних погодних умовах. Нержавіюча сталь трохи краща, 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 про проблеми зберігання. Якщо арматуру з покриттям неправильно зберігати або недостатньо обробити, ми можемо втратити майже половину її здатності протистояти 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 плити мостів, системи жертвенної аноди відводять корозійні струми від арматури. Для існуючих конструкцій мігруючі інгібітори корозії зменшують рухомість хлоридів на 60–80%, підвищуючи довготривалу ефективність покритої арматури.

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 і чому вони важливі?
  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.