Армирование бетона – когда хочешь сделать на века!

Технология железобетонного строительства сохраняет позиции лидера на рынке промышленных и гражданских проектов. Дружба стали и бетона открывает обширные возможности для возведения самых различных конструкций: мостов, платформ, высотных зданий, резервуаров и башен.

С начала 2021 года цены на арматуру взлетели на 70..90%. Средняя стоимость металла достигла 90-110 рублей за тонну. Учитывая, что государственные сметные нормы закладывают до 8 т арматуры на 100 куб. м бетонной смеси для заливки плоских фундаментных плит, удорожание стали существенно скажется на общем росте цен на строительство.

Разберем подробней, зачем вообще необходимо армирование бетона и как именно работает эта технология. Эти знания позволят сделать четкий и однозначный вывод: почему так опасно экономить и экспериментировать в ЖБ-строительстве, а также — что необходимо предпринять, чтобы залитый по арматуре бетон прослужил долгие годы без единой трещины.

Что дает армирование бетону

Сам по себе бетон — это уникальный строительный материал. Сыпучая смесь цемента и крупного заполнителя (гравий, щебень) при контакте с водой образуют пастообразную жидкую массу, обладающую хорошей подвижностью внутри опалубки. После затвердения получают монолитный блок.

Ключевая уязвимость бетонных изделий — они хорошо воспринимают сжимающие нагрузки и гораздо хуже растягивающие. Прочность бетона на растяжение в 15..20 раз меньше, чем на сжатие. При этом каждый строительный элемент в разной степени подвержен обоим типам нагружения: стены, фундамент и колонны в большей мере работают на сжатие, а вот плиты перекрытия — на растяжение.

Чтобы компенсировать подобный недостаток, около 150 лет назад были предприняты первые попытки создать комплексные конструкции из бетона и стальных фрагментов. Модуль упругости стали в 10..20 раз превышает тот же параметр у бетона. Когда бетон переходит уже к необратимой пластической деформации (растрескиванию, сдвигу, выкрашиванию), металл воспринимает еще только упругие деформации.

Заложенная вовнутрь, арматура способна забрать часть действующих нагрузок и существенно разгрузить бетон.

Чтобы обеспечить успешную совместную работу обоих элементов ЖБ-системы, следует выполнить ряд условий:

• сцепление стали с бетоном должно препятствовать продергиванию и смещению стержней внутри затвердевшей смеси;
• необходимо достигнуть баланса теплового расширения между материалами;
• нужно надежно защитить металл от распространения коррозии.

Задачу сцепления и прочного однопозиционного расположения металла решают за счет четырех составляющих:

• армирующие элементы врезаются в бетон собственными конструктивными поверхностями (поперечные стержни, пластины, шайбы — характерно для закладных деталей и каркасов);
• сопротивление за счет выступающих рифлений на поверхности арматуры;
• силы трения контакта;
• адгезия (схватывание бетонной смеси к поверхности металла).

Более чем на 70% сцепление стали с бетоном зависит от охвата ребристого рельефа. Прочность соединения арматуры периодического (накатанного) профиля в 2..3 раза превышает те же показатели при установке в ЖБ-элемент гладких прутков. Поэтому армировать ЖБИ сталью круглого сечения избегают и чаще принимают решение использовать металл с продольными и поперечными ребрами.

Арматуру располагают внутри ЖБИ (железобетонных изделий) в соответствие с действующими нагрузками, которые конструкция будет воспринимать в процессе эксплуатации. Различают три типа:

• рабочая — заложенная в преимущественно продольном направлении и подобранная непосредственно по проектному расчету;
• распределительная — играющая роль вспомогательной и необходимая, чтобы максимально равномерно распределить нагрузку по всей рабочей арматуре;
• монтажная — служащая для стыковки ЖБ-элементов между собой и обеспечивающая удобные захватные поверхности под транспортировку груза машинами.

Монтажная арматура тоже отчасти воспринимает нагрузку — со стороны усадки бетона и при изменении температуры (тепловое расширение), но сравнивать ее с рабочей нельзя.

Характерная черта рабочей и распределительной арматуры — этот металл конструктивно прячут в глубине монолитного блока. Ни одна часть армирующего контура не должна выступать наружу, чтобы не оставить шанса распространению коррозии. Сплошной слой бетона, отделяющий скрытую внутри стальную «начинку» от окружения, называют защитным. Его минимальные размеры жестко регламентированы:

• для объектов с толщиной менее 100 мм — 10 мм;
• с толщиной от 100 до 250 мм — 15 мм;
• с толщиной свыше 250 мм — 20 мм;
• для фундаментной плиты — 35 мм по нижней плоскости и 30 мм по остальным направлениям.

Здесь также важно не переусердствовать: чересчур толстый защитный слой отнимает полезное пространство, доступное для армирования. Это лишает конструкцию дополнительных возможностей для усиления, делает менее прочной и жесткой.

Сам армированный контур может быть выполнен в нескольких вариантах:

• плоская сетка;
• плоский каркас;
• пространственный (объемный) каркас.

Если с первыми двумя типами все просто, то пространственный каркас иметь самые разнообразные сечения: квадрат, прямоугольник, круг, Т, Н и П-образной формы (тавр, двутавр, швеллер). Наиболее очевидным примером использования объемных изделий становятся монолитные бетонные колонны и опоры.

Плюсы и минусы процедуры

Усиление бетона стальными компонентами используют для фундаментов, стен, междуэтажных плит перекрытий, крыш, колонн, балок, стропильных ферм и лестниц. Это наиболее простой и надежный метод максимально снизить риск разрушения под действием эксплуатационных нагрузок.

Какие преимущества несет с собой армирование бетона:

• повышается суммарный запас прочности за счет оптимального распределения изгиба, растягивающих и сжимающих нагрузок;
• соразмерно растет долговечность;
• объект становится более устойчивым к негативным последствиям теплового расширения под перепадами температур;
• конструкция приобретает дополнительную жесткость, особенно когда заложенные арматурные каркасы разрозненных ЖБ-элементов складываются в единый несущий «костяк»;
• можно существенно усилить схемы, работающие с внецентренными нагрузками.

С развитием технологий армирования цивилизация шагнула на совершенно новый уровень: фрагменты зданий и сооружений стали изготавливать в заводских условиях, занимаясь на стройплощадке уже непосредственно сборкой, стыковкой и замоноличиванием соединений.

Именно железобетонное строительство позволило в 20-ом веке вести застройку в огромных объемах и невероятными темпами. Причем — как в гражданском, так и в промышленном секторе.

В общем ракурсе принципы и необходимость армирования понятны каждому. Но цена ошибки здесь чудовищно высока: любой недостаток «всплывет» наружу уже во время эксплуатации объекта, приводя к растрескиванию, постепенному рассыпанию или аварийному обрушению.

Наиболее опасные моменты:

1. Неправильное проектное расположение. Ошибочная трактовка действия будущих нагрузок и неверное распределение арматуры внутри ЖБИ приведет к тому, что бетон не только не получит нужную поддержку со стороны стали, но и будет дополнительно ослаблен.
2. Недостаточность принятых мер по предотвращению проникновения влаги. Если в бетоне чересчур много пор, защитный (наружный) слой слишком тонкий или фрагменты рабочей арматуры выступают в каком-то месте наружу — это прямой путь к замедленному развитию коррозии. Мало того, что металл будет постепенно разрушаться, так еще и продукты ржавления, осыпаясь с поверхности, становятся концентраторами напряжений при тепловом расширении бетона. Материал может начать растрескиваться.
3. Экономия на металле в ходе реализации проекта. Часто бывает так, что застройщики отступают от требований проектантов и самостоятельно принимают решение о замене арматуры одного типоразмера на другой — из-за срыва поставок или отсутствия нужного диаметра стержней на складе. Ввиду срочности такую замену утверждают «на коленке», без предварительного просчета. В итоге связка «бетон-сталь» работает совершенно иначе, чем задумывалось.
4. Расположение стыков арматуры в зоне действия растягивающих напряжений. При стыковке каркасов и сеток используют сварные и механические соединения. Здесь нужно уделить внимание особой технологии сварки или заказать нестандартный крепеж (муфты и хомуты). Именно эти места будут наиболее уязвимыми. Укладка армирования без учета концентрации нагрузок может привести к ее полной неэффективности — связи разорвутся, а бетон обрушится.

Работа с ЖБИ требует подготовки, продуманности, жесткого следования технологии и тщательного контроля результата. Иначе вместо прочной монолитной конструкции вы получите обломки, крошево и несколько ржавых прутьев, торчащих из нутра.

В этом — самый существенный недостаток при армировании: крайне рискованно подходить к работе с позиции дилетанта, не понимая всех нюансов распределения эксплуатационных нагрузок.

Способы армирования

Различают два основных способа сборки железобетонных изделий:

• без предварительного натяжения;
• с предварительным натяжением.

Первый способ — наиболее простой и универсальный. На его долю приходится до 80% всех строительных работ, так или иначе связанных с армированием. При планировании и организации следует ориентироваться на Свод правил по производству и приемке монолитных ЖБ-конструкций — СП 435.1325800.2018.

Установка армирующих элементов без натяжения включает:

• подготовку металла;
• доставку на стройплощадку;
• перемещение в опалубку;
• обеспечение проектного положения;
• фиксацию от непроизвольного перемещения при выгрузке бетонной смеси.

Программа действий может меняться в зависимости от конструкции армированного контура. Например, для реализации простых задач строители используют отрезки стержневой арматуры — их гнут, собирают и крепят непосредственно внутри опалубки. Соединения увязывают на месте проволокой или выполняют точечными сварными швами. А для работы с более серьезным армированным объектом закладывают готовую сварную сетку или каркасы.

Чтобы правильно установить армирующий контур внутри будущего ЖБ-элемента, применяют разнообразные прокладки, подставки, хомуты и прочий временный крепеж. Детали, которые будут выходить за пределы защитного слоя, выполняют исключительно из камня, бетона или пластика — так исключают риск появления «мостиков коррозии», через которые влага доберется до внутренней арматуры.

Более пристального внимания заслуживает метод армирования с предварительным натяжением. Его используют для сборки пролетных строений мостов, плит перекрытий, большепролетных балок, а также оболочек, колодцев, резервуаров и куполов сложных промышленных проектов.

Монтаж происходит следующим образом:

1. В опалубке на местах, где необходимо заложить арматуру, устанавливают металлические трубы (в том числе гофрированные) или резиновые шланги с проволочным сердечником. Эти детали называют каналообразователями.
2. Заливают бетонную смесь.
3. Чтобы бетон не схватился вместе с установленными деталями, их проворачивают вокруг оси каждые 15..20 минут, разрывая образовавшиеся связи и препятствуя залипанию.
4. Спустя 2..4 часа каналообразователи извлекают полностью. Теперь уже можно не бояться, что жидкая подвижная смесь перекроет заложенные пустоты.
5. После набора бетоном проектной мощности через каналы протягивают стальную арматуру. Концы выводят наружу и крепят к гидравлическому домкрату или иному тяговому устройству. Кроме того, на концах предварительно монтируют анкера.
6. Тщательно контролируя усилие, арматуру затягивают по бетону.
7. Добившись нужного результата, домкраты снимают, а оставшиеся анкера корректируют таким образом, чтобы упор на выходе арматуры из канала был достаточным для сохранения полученного натяга.
8. В пустоты нагнетают цементный раствор. Он завершает замоноличивание конструкции.

Такой метод сложный и трудоемкий в расчете и реализации. Его закладывают преимущественно для ответственных проектов промышленной сферы.

Если строители решают, что могут обойтись без предварительного натяжения — стандартное армирование бетона займет намного меньше времени, сил и средств.

Выбор арматуры

Свыше 11% от общего объема выплавки черных металлов в России приходится на долю арматурной стали. Этот материал выпускают в нескольких форматах: стержни и проволока, гладкого и периодического профиля.

При закупке ориентируются в первую очередь на стандартную унифицированную продукцию:

• ГОСТ 5781-82 — горячекатаная сталь для армирования;
• ГОСТ 6727-80 — проволока холоднотянутая для армирования;
• ГОСТ 34028-2016 — арматурный прокат для ЖБ-строительства;
• ГОСТ Р 52544-2006 — арматурный прокат для ЖБ-строительства классов А500С и В500С;
• ГОСТ 10884-94 — сталь арматурная, термически упрочненная;
• ГОСТ 10922-2012 — арматурные и закладные детали, стыкованные сварными соединениями и увязкой;
• ГОСТ Р 57997-2017 — сварные арматурные и закладные детали;
• ГОСТ 23279-2012 — сварные арматурные сетки.

При любых сварочных работах используют материалы ГОСТа 14098-2014 — именно этот стандарт устанавливает жесткие требования к соединениям стержней арматуры в цельные изделия посредством сварки. Для сборки на муфтах применяют рекомендации ГОСТ 34278-2017, а испытывают готовые сопряжения — по ГОСТ 34227-2017.

Установлены семь основных классов прочности стальной арматуры: от А240 до А1000. Числовое значение указывает на номинальный предел текучести. Именно этот параметр демонстрирует, какие максимальные нагрузки сможет выдержать сталь без разрушения и изменения формы.

Арматурные стержни получают методами горячей прокатки, взяв за основу специальные стали, содержащие 0,22..0,32% углерода. Ключевыми легирующими элементами выступают кремний и марганец (от 1 до 2%). Такой выбор обеспечивает:

• успешную сварку;
• достаточную вязкость;
• податливость гибке и обрезке на ножницах;
• стойкость к перепадам температур.

Старый ГОСТ 5781-82 указывал четкие марки: Ст3 и Ст5 (всех степеней раскисления), 18Г2С, 10ГТ, 35ГС, 25Г2С, 20ХГ2Ц, 23Х2Г2Т, 22Х2Г2АЮ, 22Х2Г2Р и другие. В качестве конструкционных материалов для машиностроения и металлообработки такие сплавы не используют — они предназначены именно для выпуска арматуры.

По стандарту различают четыре формы профиля рельефной продукции:

• 1ф — с двумя продольными ребрами и поперечными выступами кольцевидного сечения, идущими по спирали;
• 2ф — с двумя продольными ребрами и поперечными выступами серповидного сечения, идущими по спирали;
• 3ф — без продольных ребер, с поперечными выступами серповидного сечения, идущими по спирали и расположенными симметрично с трех сторон;
• 4ф — без продольных ребер, с поперечными выступами сегментного сечения, идущими по спирали и расположенными симметрично с четырех сторон.

Общая номенклатура выпуска насчитывает варианты продукции с номинальным диаметром от 4 до 40 мм. Изделия до 22 мм сечения допустимо отгружать в прутках и мотках, свыше — только в прутках.

Чтобы арматура внутри железобетонных конструкций работала как задумано и демонстрировала нужные строителям механические свойства, ее прочностные характеристики тщательно исследуют.

Проводят испытания:

• на растяжение — с определением пределов текучести и прочности, а также относительного удлинения при разрыве образца;
• на изгиб вокруг гладкой оправки на угол 180° (U-образный загиб), 90° и 45°;
• на изгиб с разгибом;
• на выносливость при многократно повторяющихся циклических нагрузках (не менее 2 миллионов циклов).

С целью определить пределы возможного в условиях, максимально приближенных к реальной многолетней эксплуатации, второй комплекс тех же испытаний проводят после искусственного старения. Металл нагревают до температуры +100°С, выдерживают под нагревом не менее 60 минут, после чего охлаждают на воздухе при +20°С.

Отдельные стержни в сетки и каркасы собирают посредством крестообразных сварных соединений. Их выполняют с помощью:

• ручной дуговой сварки;
• электродуговой ванной сварки;
• контактной стыковой сварки;
• полуавтоматической дуговой сварки.

Если процесс изготовления проходит в условиях цеха, то сваркой соединений занимаются на специальных машинах. В такие агрегаты заправляют арматурой, а на выходе получают готовое изделие — оборудование самостоятельно раскладывает прутья в нужном порядке, сгибает или компонует требуемую пространственную конфигурацию, после чего варит сопряжения в автоматическом цикле.

Готовые сварные соединения испытывают на прочность двумя методами: растяжением образцов на разрывных машинах (так определяют точную величину временного сопротивления разрыву) и сбросом готового изделия на бетонный пол с высоты 1 метра.

При выборе арматуры, арматурных сеток или каркасов следует ориентироваться исключительно на эксплуатационные параметры. Они определяют, как заложенная сталь должна работать внутри бетонного блока. Это прочность, вязкость и правильная форма, при которой все нагрузки равномерно распределены по рабочим стержням.

Возьмите за правило:

1. Обсуждать с инженером-проектировщиком его решения по расположению арматуры в проекте ЖБИ. Строитель, который занимается непосредственным армированием и заливкой объекта, должен хорошо понимать, зачем он это делает и какого эффекта должен достигнуть.
2. Следить за соответствием класса прочности арматуры проектным задачам. Переход со стали А800 на А600 может существенно ослабить всю конструкцию, а закупив вместо А400 сталь А800 — вы необоснованно увеличите расходную часть.
3. Требовать сертификаты на материалы и их происхождение от поставщиков. Нужно быть уверенным в том, какой именно металл ты закладываешь в железобетон, и купить арматуру с нужными характеристиками
4. Выполнять выборочный контроль сварных соединений. В большинстве случаев достаточно визуального осмотра, чтобы убедиться в качестве швов, но неплохо бы вместе с продукцией получить и сертификаты от производителя — с четким указанием метода сварки, типа швов и их прочности.

Помните: как одна из наиболее ответственных сфер строительства, железобетон не прощает ошибок.

В отличие от деревянного бруса, сэндвич-панелей или пеноблока такой материал очень коварен. Все упущения, недостатки, неудачные замены и пренебрежение технологией всплывают не сразу, а уже в процессе эксплуатации, когда действующие нагрузки по капле начнут разрушать связку стали и бетона.