Сцепление арматуры и бетона и получение железобетона

Сочетание стали и бетона открыло новый материал-железобетон и строительная отрасль принципиально изменилась. На чем основывается такое успешное сочетание двух материалов? На их разных свойствах. У бетона прочность на сжатие в 15 раз выше, чем на растяжение. А сталь при растягивающих нагрузках проявляет высокое сопротивление. Поэтому стальная арматура будет принимать растягивающие силы, а бетон сжимающие. Два материала выгодно содействуют друг другу. Б/раствор при схватывании плотно крепится к металлическому стержню. При его гидратации появляется щелочная среда, которая защитит металл от коррозии.

Плюсом к общему монолитному креплению двух материалов содействуют близкие значения линейного расширения для промежутка температур от -400 до 600. В пределах этих температур физические, механические характеристики обоих материалов существенно не отличаются. Поэтому железобетон хорошо работает в разных климатических условиях.

Такое слаженное взаимодействие бетона и стали основано на их сцеплении между собой.

Что такое сцепление и от чего зависит его величина 

Сцепление это постоянная связь бетона и арматуры по всей площади контакта. Оно оценивается

силой, с которой арматурный стержень сопротивляется сдвигу. От чего зависит сопротивление сдвигу арматуры?

• Периодический профиль стержней. Рельефные выступы механически сцепляются с бетоном. При этом в нем под выступами возникает сила сопротивления, которая будет сдерживать проскальзывание стержня при изгибающих нагрузках. 
• Геометрические параметры профиля и диаметра арматурной стали. Высота профиля, его периодический шаг, угол наклона создают в цементном камне площадь смятия, величина которой влияет на параметры сцепления. 
• Взаимодействие на молекулярном уровне металла с раствором (склеивание).
• Свойства б/ смеси:

• марка цемента;
• водо-цементное отношение, чем ниже его процент, тем прочнее бетон, а значит выше сила сопротивления смятию;
• вид заполнителей, их процентный состав. 

• Подготовка и монолитная заливка бетона по нормам ГОСТа, его виброуплотнение, сохранение влажных условий для его созревания. Виброуплотнение после заливки уплотнит б/смесь в местах под периодическими профильными ребрами. Это нужно для прочного сцепления, так как в этих точках будут концентрироваться высокие напряжения при нагрузках.

К перечисленным факторам, которые сдерживают сдвиг стержня, ранее причисляли возникающую силу трения. Такое трение возникает от обжатия стержня при схватывании б/смеси. Радиальное давление, которое появляется, могло послужить основанием появления силы трения. Но исследования показали, что при обжиме стержня контактное сопротивление б/смеси дает осадку, что полностью разрушает контакт. При этом сопротивляемость арматуры выдергиванию резко уменьшается.

Влияние адгезии на величину сцепления также оказалось слишком завышенным. “Склеивание” на молекулярном уровне металла и б/смеси сохраняется непродолжительное время. В реальности цементный раствор, который может проникнуть в микротрещины металла, не в состоянии установить прочные связи. Даже при небольших нагрузках вся адгезия разрушается.

Какой вывод делают исследователи? Не трение и адгезия, а периодический профиль арматуры вызывает сопротивление бетона смятию и только это основание для хорошего сцепления. Его параметры зависят от состояния поверхности стержня. Если она гладкая, без выступов, то при выдергивании ей нечем будет зацепиться и вызвать сопротивление смятию. Гладкие стержни быстро выдергиваются. И наоборот, чем выше поперечные ребра профиля, тем выше сопротивляемость стержня выдергиванию.

Сцепление немного увеличивает удельную растяжимость бетона, при этом оно:

• в случае появления микротрещин содействует их равномерному расположению;
• блокирует расширение каждой трещины;
• увеличивает упругость ж/б конструкций. 

Анкеровка 

Что может существенно содействовать сцеплению арматуры с бетоном? Это ее анкеровка. Ее суть в жесткой фиксации арматуры внутри цементного камня. Плотный контакт между этими двумя материалами обеспечит их совместную работу. Ж/б конструкции, в которых правильно смонтировано крепление армирования, будут нормально отвечать на нагрузки: изгиб, растяжение, кручение, сжатие. При этом более прочное сцепление влияет на срок эксплуатации строений, на их прочность. 

Какими способами делают анкеровку? “Зацеп” металлической арматуры за цементный камень устанавливают:

• поперечными металлическими связями (хомутами);
• поперечными ребрами рифления;
• приваренными на концах закладными деталями;
• загнутыми крюками, лапками, шпильками.

Длину анкеровки рассчитывают с таким учетом, чтобы стержни включались в работу. При этом учитывают вектор нагрузки на ж/б элемент. Сжимающие нагрузки в зоне анкеровки, будут передаваться через места контакта. Растягивающие нагрузки на стержни будут работать на “выдергивание” его из цементного камня через места сцепления. 

Исследованиями установлено, что сила контакта разная при продавливании и выдергивании образца из цементного камня. Взаимосвязь сильнее при продавливании, так как стальной образец увеличивается в объеме, при этом появляется добавочное сопротивление цементного камня. И наоборот, при выдергивании в результате растягивающих сил взаимосвязь меньше. Поэтому при растягивающих нагрузках для хорошего сцепления нужна длиннее анкеровка.

Ошибки при расчете длины анкеров в проекте это путь к обрушению ж/б элемента. 

Способы анкеровки

Для стержней со всеми формами периодического профиля в сжатой зоне предусмотрена прямая анкеровка без монтажа дополнительных площадок для смятия цементного камня. В зоне с растяжением или с изгибом прямой анкеровки по расчетам может быть недостаточно. Тогда арматуру крепят дополнительными элементами.

Арматуру с гладкой поверхностью А240, В1 анкеруют отгибами, лапками, шпильками. Эти элементы монтируют на концах гладких стержней в сжатой зоне.

Если реально нельзя установить длину анкера, которая была рассчитана, то монтаж проводят за границей ж/б элемента (колонны, балки, блока). Стержни выводят за крайнюю плоскость и приваривают его к пластине, или к закладному элементу соседнего ж/б блока.

Расчет анкеровки арматуры делают по формулам, в которых учитывают:

• ее класс (предел прочности);
• состояние поверхности (гладкая или профилированная);
• диаметр;
• способ анкеровки;
• марку бетона;
• вектор напряжений в зоне сцепления.

Для расчетов разработали программы и таблицы. В них учтены конструктивные требования и исходные данные. 

При расчетах установлена прямая пропорциональность: чем больше диаметр арматуры и больше напряжений, тем длиннее делают заделку анкеров. Длина заделки будет короче при более высокой марки цемента и более высоких значений периодических профильных ребер.