Высокопрочная арматурная сталь
Кугушин А.А., Узлов И.Г., Калмыков В.В., Мадатян С.А., Ивченко А.В.
Металлургия, 1985 г.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ
Арматуру железобетонных конструкций подразделяют:
по условиям поставки на: бунтовую (проволока), гладкую или периодического профиля, поставляемую смотанной в бунты или мотки; стержневую, периодического профиля или гладкую,, поставляемую в виде прямолинейных прутков; арматурные канаты однократной или многократной свивки, поставляемые в смотанном состоянии на катушках, в бунтах или в специальных контейнерах;, арматурные изделия (сетки, каркасы, готовые арматурные элементы) ;
по основному способу производства на: горячекатаную; упрочненную вытяжкой или скручиванием; термически упрочненную путем закалки со специального нагрева и последующего отпуска или термомеханического упрочнения в потоке прокатки; холоднотянутую из стали обыкновенного качества; патентированную холоднотянутую и отпущенную или стабилизированную (проволока и арматурные канаты из нее).
Высокопрочную арматурную сталь производят в виде стержней или проволоки с периодическим профилем, обеспечивающим необходимое сцепление с бетоном. Однако периодический профиль, улучшая сцепление арматуры с бетоном, является источником определенных концентраторов напряжений и снижает прочность стали, особенно при динамических и многократно повторяющихся нагрузках. Поэтому при натяжении арматурной стали на бетон, когда не требуется сцепление с бетоном, используют гладкую высокопрочную проволоку или стержни с гладкой поверхностью. Анкеровку арматурных элементов осуществляют по их концам с помощью специальных анкерных устройств.
Ниже рассмотрим основные понятия и терминологию по напрягаемой и обычной арматурной стали, принятые в отечественной и международной практике. Для напрягаемой арматуры эти данные систематизированы в документе ФИП—ЕКБ—РИЛЕМ 24.1.20 «Терминология по стали для предварительно напряженного железобетона» [2].
Проволока — арматурная сталь, поставляемая в бунтах. Подразделяется на горячекатаную (классов А—1, А—II и А—III), холоднокатаную (классов В—I, Bp—1, В—II, Bp—II) и термически или термомеханически упрочненную.
Стержни — арматурная сталь, поставляемая в виде прямолинейных прутков периодического профиля или гладких в горячекатаном и термомеханически упрочненном состоянии. К этому виду арматуры относится сталь всех классов, выпускаемая по ГОСТ 5781—82 и 10884—81 диаметром 10 мм и более.
Арматурные канаты однократной свивки — арматурный элемент, свитый из 2, 3, 7 или 19 проволок. 7 и 19 — проволочные канаты классов К—7 и К—19 имеют одну центральную прямолинейную проволоку, вокруг которой обвиты по спирали 6 проволок в один ряд или 18— в два ряда. Шаг и направление свивки одинаковы для всех проволок.
Волоченый арматурный канат — канат однократной свивки, протянутый через фильер (в нашей стране в настоящее время не выпускается).
Арматурный канат многократной свивки состоит из нескольких арматурных канатов однократной свивки, расположенных по спирали вокруг центрального каната.
Практически вся высокопрочная напрягаемая арматурная сталь проходит в процессе производства термическую обработку. Следует различать упрочняющую термообработку, проводимую путем нагрева стали от температур выше критической точки Ас3 (диаграммы состояния «железо—углерод»), закалки в воде или масле и последующего отпуска (самоотпуска), от умягчающей термообработки, осуществляемой при температурах ниже Аси при 250—500 °С для снятия внутренних напряжений или искусственного старения стали.
В различных странах для изготовления высокопрочной арматурной стали применяют следующие виды термообработки.
Патентирование — нагрев стали до 860—970 °С с последующим изотермическим распадом аустенита при 410—550°С в ваннах с раствором соли или свинца с целью получения по сечению изделия структуры, состоящей из ферритной матрицы с равномерно распределенными в ней цементными пластинами [241].
Патентирование применяют для получения холоднотянутой проволоки классов В—II и Bp—II.
Закалка и отпуск—нагрев стали до температуры не ниже 800 °С, быстрое охлаждение (закалка в масло или воду) и последующий отпуск при 400—500 С. Это окончательная термообработка, обеспечивающая требуемые свойства стали. По такой технологии получают термически упрочненную арматурную сталь в ФРГ и Японии. В нашей стране подобным образом упрочняют арматурную сталь на установках электротермического упрочнения (ЭТУ) [1].
Термомеханнческое упрочнение — состоит в быстром и равномерном охлаждении стали, деформированной в горячем состоянии, от температуры не менее 800 °С до температуры отпуска. Этот вид упрочнения широко применяется в нашей стране для производства арматурной стали повышенной и высокой прочности классов At— 111С, At— IVC, At— IVK, Ат—V и At—VI с временным сопротивлением от 600 до 1400 МПа. За счет проявления эффекта ВТМО при такой обработке обеспечивается высокая пластичность стали (см. гл. V).
Низкотемпературный отпуск — нагрев стали до 250—500 °С с последующим охлаждением на воздухе. Применяется при изготовлении высокопрочной проволоки, арматурных канатов и стержневой арматуры классов А—V и А—VI. Этот вид термообработки используют для уменьшения внутренних напряжений, возникающих в стали вследствие деформационного упрочнения и предшествующей обработки, а также для удаления водорода [2, 8].
Низкотемпературный отпуск повышает условные пределы упругости и текучести, а также пластичность стали и прочность при многократно повторяющейся нагрузке [9]. Его применяют также после механического упрочнения стержневой арматурной стали вытяжкой или скручиванием. В этом случае различают два режима, которые не обязательно приводят к одинаковым результатам:
искусственное старение, осуществляемое при относительно низкой температуре, порядка 250°С;
снятие внутренних напряжений—при температуре выше 250 °С, но за более короткое время.
Кроме термической обработки для получения высокопрочной арматурной стали применяются также следующие виды упрочнения:
Механико-термическая обработка (стабилизация) — низкотемпературный отпуск, совмещенный с пластическим деформированием. Используется для повышения условных пределов упругости и текучести и повышения релаксационной стойкости стали.
Волочение о холодном состоянии — механическое упрочнение путем уменьшения площади сечения стального прутка вследствие приложения усилий растяжения: проволоку протягивают через фильер, изготавливаемый обычно из карбида вольфрама. Эта операция является неотъемлемой частью производства высокопрочной проволоки классов Bp—II и В—II. В некоторых странах таким путем упрочняют готовые арматурные канаты после их стабилизации [8].
Вытяжка в холодном состоянии (упрочнение вытяжкой) — механическое упрочнение путем холодного деформирования стали периодического или гладкого профиля. Отечественная металлургическая промышленность не применяет этого упрочнения из-за его высокой трудоемкости. В строительстве его используют для получения стали класса А—Шв. За рубежом этот способ упрочнения распространен довольно широко для производства стержней диаметром до 40 мм с пределом текучести 800—1000 МПа.
Скручивание в холодном состоянии — механическое упрочнение скручиванием стержней относительно их собственной оси. Для обеспечения заданной деформации оба конца стержня закрепляются в захватах машины для скручивания, один из которых закреплен неподвижно, а другой может поворачиваться. В отечественной практике этот способ упрочнения для производства арматурной стали не применяется. За рубежом в большинстве экономически развитых стран широко применяется для производства арматуры с пределом текучести 400—550 МПа. Этот способ также, как и упрочнение вытяжкой, позволяет существенно увеличить пределы упругости и текучести стали без ее дополнительного легирования.
Основные характеристики механических свойств арматурной стали
В качестве основных критериев применимости тех или иных видов стали в качестве арматуры железобетонных конструкций обычно используют:
механические свойства, определяемые при осевом статическом испытании на растяжение;
склонность к хрупким разрушениям, оцениваемую путем испытаний на ударную вязкость;
длительную прочность или долговечность, оцениваемую путем испытании на растяжение в условиях длительной выдержки под нагрузкой, стойкость против коррозионного растрескивания и выносливость при многократно повторных нагрузках;
реологические свойства, т. е. релаксация или ползучесть;
свариваемость, под которой понимается не только возможность соединения арматурной стали теми или иными видами сварки, но обеспечение требуемых механических свойств, длительную прочность и исключение возможности хрупких разрушений сварных соединений; технологические свойства, т. е. технологичность арматуры в переработке и эксплуатации, к ним можно отнести технологичность при сварке, т. е. возможность применимости стандартного оборудования для выполнения сварных соединений;
сохранение механических свойств при контактном электронагреве в процессе напряжения электротермическим способом;
обеспечение возможности устройства временных концевых анкеров без существенного разупрочнения стали.
Технологичность тех или иных видов арматурной стали определяется как свойствами самой стали так и достигнутым уровнем технической обеспеченности, т. е. уровнем технологического оборудования предприятий стройиндустрии. Поэтому с развитием и совершенствованием оборудования для арматурных работ создается возможность для использования в строительной индустрии более прочных и экономичных материалов и повышения степени использования свойств арматурной стали.
Служебные свойства арматурной стали определяются реальными расчетными сопротивлениями, с которыми она применяется в железобетонных конструкциях. Расчетные и нормативные сопротивления арматуры определяются всем указанным выше комплексом механических и технологических свойств. Главным при этом являются механические свойства и диаграмма условно-мгновенного растяжения [1, 2, 3, 5].
Испытание арматурной стали на растяжение существенно отличается от испытания на растяжение других видов стали. Это связано с тем, что в данном случае выявляются механические свойства арматурного прутка как конструктивного элемента железобетонной конструкции, связанные с профилем, видом упрочнения, свойствами стали по сечению и т. п. [2].
Как показали исследования, проведенные в СССР и за рубежом, механические свойства арматуры, определенные при кратковременном или длительном испытании на растяжение, позволяют оценить не только ее прочность и пластичность, но и вязкость, склонность к релаксации напряжений и другие показатели. Испытания на изгиб, многократный перегиб, ударную вязкость дают косвенную оценку свойств арматуры и должны проводиться по специально разработанным методикам с учетом действительной работы арматуры в составе железобетонного элемента [1, 2, 10, 11].
Особенностью требований к механическим свойствам высокопрочной, преимущественно, напрягаемой арматурной стали является необходимость определения относительного равномерного удлинения. Отечественные (ГОСТ 12004—81) и зарубежные стандарты на методы испытания арматурной стали на растяжение предусматривают проведение испытаний на натурных образцах.