для чего нужно сцепление арматуры с бетоном

Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

СЦЕПЛЕНИЕ АРМАТУРЫ С БЕТОНОМ

Под сцеплением арматуры с бетоном подразумевают непрерывную связь по поверхности контакта между арматурой и бетоном, обеспечивающую их совместную работу.

Сцепление обусловливает перераспределение усилий между арматурой и бетоном при развитии неупругих деформаций бетона и при возникновении и развитии в нем трещин, предотвращает от чрезмерного раскрытия трещин и обеспечивает в большинстве случаев передачу усилий обжатия с предварительно напряженной арматуры на бетон.

Сцепление арматуры с бетоном определяется характеристиками арматурной стали (состояние ее поверхности, профиль, диаметр и механические свойства) и бетона (прочность, деформативность, возраст, состав, свойства цемента и заполнителей), технологией приготовления бетонной смеси, способом ее укладки и уплотнения, условиями твердения бетона, а также напряженным состоянием железобетонных конструкций, вызывающим передачу и распределение усилий между арматурой и бетоном.

Основными факторами определяющими, сопротивление сдвигу арматуры в бетоне, являются в общем случае сопротивление бетона смятию и срезу, вызванное механическим зацеплением неровностей и выступов на поверхности арматурных стержней, и склеивание арматуры с бетоном вследствие клеющей способности цементного геля, находящегося при затворении бетона в коллоидальном состоянии. До недавнего времени рассматривались и силы трения, возникающие будто бы на поверхности арматуры из-за обжатия стержней при усадке бетона. Однако последние опыты свидетельствуют о том, что в реальных условиях в большинстве случаев такие силы отсутствуют и более того — усадка отрицательно сказывается на сопротивление арматуры сдвигу в бетоне.

Склеивание цементного камня с арматурой в период схватывания и твердения бетона определяется химическими и физическими процессами, которые приводят к возникновению на поверхности контакта капиллярных и молекулярных сил притяжения. Однако нарушение сил адгезии происходит при сравнительно небольших напряжениях сцепления арматуры и бетона, поэтому они не играют решающей роли. У стержней с полированной поверхностью сцепление примерно в 5 раз ниже, чем у гладких горячекатанных стержней в состоянии поставки. Особенно значительное увеличение сцепления арматуры с бетоном достигается за счет придания ее поверхности специального профиля. Сопротивление такой арматуры выдергиванию, благодаря заклиниванию ее в бетоне, в 2. 3 раза выше, чем гладкой. Решающее значение при выборе обоазцов для исследования сцепления имеют напряженное состояние железобетонных конструкции и условия передачи и распределения напряжений между арматурой и бетоном. В реальных условиях приходится сталкиваться со следующими основными случаями (рис. 2.1):

анкеровка концов арматуры в бетоне при различных силовых воздействиях;
анкеровка концов арматуры в опорных участках изгибаемых конструкций (балок, ферм), а также в узла ферм;
распределение сцепления арматуры с бетоном между трещинами в растянутых, изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементах и конструкциях.

На рис. 2.1 вдоль стержня условно показана возможная эпюра касательных напряжений.

Наиболее простым является случай заделки конца стержня в бетонный массив (рис. 2.1, а) при приложении к стержню выдергивающей силы.

Существенно сказываются на анкеровке арматуры толщина защитного слоя и возможные силовые воздействия (рис. 2.1, б).

Особые условия анкеровки концов арматуры возникают на опорах изгибаемых конструкций. Как видно из рис. 2.1, в, при появлении косой трещины у опор растягивающие усилия в арматуре стремятся выдернуть стержень из опорного участка конструкции. На анкеровку арматуры в опорном участке сильно влияют обжатие бетона, вызванное опорной реакцией, геометрия опорной части и ее косвенное армирование. Аналогичная картина наблюдается и в опорных узлах ферм (рис. 2.1, г, д).

Особенность предварительно напряженных конструкций без специальных анкерных устройств на концах стержней состоит в передаче напряжений на бетон при отпуске натяжения арматуры (рис. 2.1, е). При этом обжатие бетона целиком обеспечивается сцеплением арматуры с бетоном в зоне анкеровки.

Для испытания на сцепление используют различные способы, каждый из которых имеет свои особенности. Наиболее часто применяют испытания на выдергивание и продавливание. Первый способ заключается в выдергивании забетонированного стержня с упором призмы в торец. При этом силы сцепления вызывают продольное сжатие бетона и растяжение его в поперечном направлении. Сопротивление продав- ливанию больше, чем выдергиванию, так как при сжатии стержня его поперечное сечение увеличивается, а при растяжении — наоборот, уменьшается. Этот способ не характеризует условий анкеровки арматуры в обычных конструкциях, однако условия передачи напряжений от арматуры на бетон в данном случае близки к предварительно напряженным конструкциям. При сложном напряженном состоянии конструкции анкеровку арматуры приходится проверяться на моделях узлов конструкций, например, опорных участков ферм, примыкания ригелей к сжатым колоннам и т. п.

Напряжения сцепления по длине заделки стержня при нагружении образца распределяются неравномерно (рис. 2.2, а). Для определения указанных напряжений необходимо рассмотреть два близких сечения стержня (,рис. 2.2, б) с переменным растягивающим усилием Z. Обозначив через и периметр стержня, найдем

Если разбить длину заделки гладкого стержня на элементарные участки, характер его взаимодействия с прилегающим бетоном в процессе нагружения образца схематически может быть представлен следующим образом.

Взаимное смещение арматуры и бетона начинается со стороны нагруженного торца образца, причем проявляется оно не сразу, а лишь после того, как касательные напряжения у него достигнут предельных значений (кривая 1, рис. 2.3, а). Заметных деформаций в начальной стадии нагружения нет, что обусловлено упругой работой бетона выступов микрорельефа на изгиб и сдвиг, а также жесткостью адгезионных связей. Начало взаимного смещения вызывается срезом отдельных наиболее мелких и часто расположенных неровностей цементного камня на ближайшем к торцу образца участке стержня и сопровождается перераспределением напряжений с этого участка на последующие, т.с происходит смещение “горба” эпюры вглубь образца (кривая 2, рис. 2.3, а). При дальнейшем повышении нагрузки сцепление арматуры с бетоном нарушается на все большей длине стержня, “горб» эшоры т еще больше смещается к ненагруженному торцу и так до тех пор, пока не произойдет сдвиг стержня (но без потери общей сопротивляемости его сдвигу).

Эпюры удлинений и напряжений арматуры, соответствующих эпюрам касательных напряжений, показаны на рис. 2.3, б, в.

Таким образом, в процессе нагружения образца все элементарные участки стержня по длине его заделки от нагруженного торца до ненагруженного проходят, последовательно, все стадии напряженного состояния по срезу (в условиях объемного напряженного состояния) вплоть до предельного.

При арматуре периодического профиля картина взаимодействия заметно усложняется. Рост нагрузки сопровождается последовательным смятием выступов бетона и соответственно перераспределение напряжений с более нагруженных на менее нагруженные. Сдвиг стержня происходит после среза всех выступов, а его выдергивание заканчивается обычно раскалыванием образца.

При испытании на выдергивание и продавливание в процессе нагружения образца измеряют смещение арматуры относительно бетона и напряжения в арматуре. Нагрузку прикладывают ступенями по 10. 15% ожидаемой предельной с минутной выдержкой после каждой ступени. При этом скорость нагружения должна соответствовать приросту напряжений в арматуре на 5 МПа/с. За начало сдвига арматуры принимают (условно) момент, соответствующий началу деформаций на ненагруженном конце.

Если испытание доведено до сдвига арматуры, то можно рассчитать среднее (условное) предельное напряжение сцепления (см. рис. 2.2, а)

Этой характеристикой и пользуются обычно в практических расчетах.

Более точно напряжения сцепления можно определить, если воспользоваться формулой (2.2). Измеряя на каждой ступени нагружения изменения напряжений в арматуре по длине стержня, можно получить закон изменения rg по его длине на всех ступенях нагружения вплоть до сдвига арматуры.

Наиболее надежное повышение сопротивления сдвигу арматуры в бетоне достигают устройством крюков па концах гладких стержней, применением сварных сеток и каркасов, а также специальных анкеров.

Источник

Сцепление арматуры с бетоном

В области строительства исключительно важное значение имеет понятие сцепления арматуры с бетоном. Речь идет об основном фундаментальном свойстве железобетона. Сила сцепления создает в ближайшем к арматуре бетоне сложнейшее напряженное и деформированное состояние, что приводит к распределению нагрузки по оси арматуры. В результате продольные усилия по всей длине стержня становятся переменными. То, насколько прочным будет сцепление, определяется сопротивляемостью к выдергиванию или выдавливанию стальных стержней из бетона.

К чему приводит недостаточное сцепление

Исследования показывают, что даже при незначительной заделке арматурных стержней в бетон, в месте из соединения развивается значительная сила сцепления. Эта сила препятствует сдвигу металла в бетоне.

Надежное сцепление арматурного проката с бетоном – это основной фактор, который отвечает за тандемную работу стальных прутков и бетона в ЖБ-конструкциях. Они работают под нагрузкой как единое целое.

При недостаточном сцеплении наблюдается образование трещин, что влечет за собой возрастание удлинений на всем протяжении растянутой арматуры. Такое явление приводит к резкому раскрытию образовавшейся трещины, а также сокращению высоты сжатой зоны и уменьшению изгибной жесткости. Кроме того, наблюдается снижение несущей способности.

Как создается надежное сцепление

Если говорить о надежности сцепления стальных стержней с бетоном, нужно отметить три основных момента:

Нужно отметить, что именно первый фактор влияет наиболее ощутимо на силу сцепления арматурных прутков с бетоном. Он обеспечивает порядка 75 % от общего показателя.

Дополнительные факторы

Также важно учитывать тип используемого металлопроката. Оптимальные показатели у арматуры периодического профиля. Сцепление рифленых арматурных стержней с бетоном в 2-3 раза выше, чем с гладкими прутками. По этой причине при выполнении армирования с задействованием арматуры периодического профиля отпадает необходимость в использовании на концах специальных анкерных устройств.

Существенное влияние на данный процесс оказывает седиментация твердых частиц, а также выжимание воды при затвердевании и наборе прочности бетонной смеси. Это приводит к тому, что сцепление арматурного проката с бетоном становится различным для прутков в направлении бетонирования и перпендикулярно ему в нижней или в верхней частях сечения ЖБ-изделия, которое бетонируется за один прием. Наличие рифлей на поверхности материала в значительной степени смягчает неблагоприятное влияние такого явления как седиментация.

Еще один важный момент, на который нужно обратить внимание – напряжение в бетоне под выступами арматурных стержней. Этот показатель при их выдергивании может превосходить в несколько раз кубиковую прочность бетона. По этой причине крайне важно не допустить снижение плотности бетона в месте соединения с металлическими стержнями.

Чтобы повысить надежность зацепления арматуры за бетон по всей длине элементов, дополнительно выполняются свивки металлических стержней в канаты. Витые канаты прочно самоанкеруются в бетонной смеси.

Не стоит забывать и о характеристиках самой бетонной смеси. Прочность сцепления возрастает по мере повышения класса бетона и уменьшения водоцементного отношения. Кроме того, учитывается способ укладки раствора и условия твердения.

Если вам нужен надежный поставщик металлопроката, обращайтесь в «Арматура-ММ». Наша компания реализует все востребованные виды арматурного проката. В ассортименте представлены как гладкие стержни, так и периодического профиля. Мы поможем вам подобрать материал, оптимально подходящий для реализации вашего проекта. По всем вопросам можно проконсультироваться с нашими специалистами. Обращайтесь!

Источник

Сцепление бетона с арматурой

Экспериментально установлено, что сцепление арматуры с бетоном, твердеющим в нормальных условиях, зависит от состава бетона, степени его уплотнения и условий твердения. Ориентировочно можно считать, что сцепление вибрированного бетона с арматурой составляет 0,1 предела прочности при сжатии.

Тепловлажностная обработка отрицательно влияет на сцепление арматуры с бетоном. Опыты, проведенные С.А. Мироновым в 1939 г., показали, что прогрев образцов при температурах 50—80° С вызвал снижение прочности сцепления бетона с арматурой в более позднем возрасте на 10—30% против контрольных образцов, твердевших в нормальных условиях. Тем большего внимания заслуживает вопрос о влиянии автоклавной обработки на работу железобетонных конструкций.

Для изучения влияния автоклавной обработки на прочность сцепления арматуры с бетоном были проведены опыты. Образцы размером 10х10х20 см изготовлялись из бетона состава 1:2,5:4,3 при ВЩ = 0,65-0,67; портландцемент применялся марки 400. Строго в вертикальном положении в образцы устанавливались стержни из круглой стали диаметром 17,5—18 мм, длиной 30 см. Они имели совершенно гладкую поверхность. Перед укладкой бетона стержни протирались очищенным бензином для устранения жирных пятен. Бетонная смесь уплотнялась вибрированием в течение 1 мин.

Величина силы сцепления арматуры с бетоном определялась при помощи выдергивания стержней из призм на приспособленном для этого прессе. Полученное сопротивление выдергиванию стали из бетона состоит не только из сцепления, но и трения, имеющего место при испытании образцов.

Образцы после автоклавной обработки испытывались в 3-суточном, а контрольные — в 30-суточном возрасте. Результаты испытания образцов на сцепление представлены в табл. 45.

Анализируя полученные результаты, видим, что образцы на чистом портландцементе после запаривания дают только 40—42% прочности сцепления контрольных образцов, выдержанных 30 суток в нормальных условиях. Добавка молотого песка снижает прочность сцепления образцов нормального твердения и повышает прочность сцепления автоклавных. Лучшие показатели прочности сцепления были у автоклавных образцов при добавке 33% молотого песка. Однако и в этом случае ее величина была на 20% ниже, чем у образцов нормального твердения на чистом портландцементе. Образцы с добавкой молотого шлака после запаривания имели прочность сцепления также на 50—60% ниже, чем образцы, изготовленные на чистом портландцементе и хранившиеся в течение 1 месяца в нормальных условиях.

По данным Менцеля, прочность сцепления гладких стержней диаметром 5 мм с бетоном после автоклавной обработки на 50—55%-ниже прочности сцепления контрольных образцов, выдержанных на воздухе.

Менцель, а также Рейнсдорф отмечают, что сцепление бетона автоклавного твердения с арматурой может быть значительно повышено путем нанесения нарезки или применения арматуры периодического профиля. В таких случаях происходит механическое зацепление между поверхностью стали и цементным тестом, обеспечивающее полное использование прочности арматуры.

Опыты показали, что после автоклавной обработки, так же как и при нормальном твердении, существует определенная зависимость между прочностью бетона при сжатии и при сцеплении со сталью. Ориентировочно можно считать, что сцепление плотного бетона с гладкой арматурой круглого сечения составляет 0,045 предела прочности при сжатии, что соответствует требованиям, предъявлявшимся ранее нормами проектирования. С течением времени прочность сцепления бетона со сталью повышается за счет набухания, самоуплотнения и повышения прочности бетона во времени.

Источник

Для чего нужно сцепление арматуры с бетоном

Возможность сочетания двух столь разновидных материалов, как бетон и железо, в один монолит обусловливается тремя нижеследующими обстоятельствами.

а) количество цемента в бетоне не должно быть менее 220 кг на 1 м3 бетона, а при наличии агрессивных для железа влияний не менее 250 кг;

б) арматура у наружных поверхностей конструкции должна быть покрыта защитным слоем бетона не менее 1,5 см для плит и 2,5 см для балок и стоек;

в) бетон должен быть плотным и не иметь трещин.

Сцепления железного стержня с бетоном

Кроме того бетон вследствие усадки сдавливает стержень арматуры и вызывает трение на его поверхности при деформации стержня под нагрузкой. Эти два фактора обусловливают необходимое сцепление арматуры с бетоном, если бетон содержит достаточное количество вяжущего и арматура правильно закреплена в бетоне. Средняя величина сцепления железного стержня с бетоном определяется на опыте путем выдергивания стержня из бетона или продавливания его через бетон и равна

где Р — сила, нарушающая сцепление, ι — длина заделки стержня, υ — периметр его сечения. Величина τ сц возрастает с количеством цемента в бетоне, возрастом бетона и уменьшением водоцементного фактора.

Большое влияние имеет также характер поверхности стержня: стержень, покрытый ржавчиной, лучше сцепляется с бетоном, чем чистый. Для увеличения сцепления в Америке часто применяют специальное сортовое железо с переменным сечением (рис. 6).

Напряжение сцепления на поверхности стержня в действительности распределяется неравномерно по длине его заделки: при действии выдергивающей силы напряжение увеличивается от свободного конца стержня к заделанному, при продавливающее силе, наоборот, оно уменьшается к заделанному концу; это объясняется влиянием поперечных деформаций стержня, которые при действии осевой силы или увеличивают давление на бетон (и, стало быть, трение) или уменьшают его. В обоих случаях закон распределения напряжений можно выразить формулой

где f — сечение стержня, υ — его периметр, τ’ и α — некоторые постоянные, зависящие от свойства бетона и поверхности стержня, а е — основание неперовых логарифмов. Предельная величина сцепления железа с бетоном, определяемая опытным путем, обычно не меньше временного сопротивления бетона срезу; но стержни арматуры в конструкции обычно находятся вблизи наружных поверхностей последней, что уменьшает силу нажатия бетона на стержни и трение. Это обстоятельство заставляет в расчетах на сцепление арматуры брать более значительный запас прочности; к тому же побуждает и неравномерное распределение напряжений по длине арматуры.

Источник

Сцепление арматуры с бетоном

Под сцеплением понимают непрерывную связь между бетоном и арматурой по поверхности контакта этих материалов. В нагружен­ных железобетонных конструкциях благодаря сцеплению скольже­ния арматуры в бетоне не происходит.

Сцепление арматуры с бетоном является одним из наиболее важ­ных фундаментальных свойств железобетона, которое обеспечивает его существование как строительного материала.

Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивают сопротив­лением выдергиванию или вдавливанию арматурных стержней, за­деланных в бетоне (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Схемы испытаний на нарушение сцепления арматуры с бетоном: а — на выдёргивание; б — на вдавливание

При выдергивании стержня из бетона усилия с арматуры на бетон передаются через касательные напряжения сцепления, кото­рые, как показали исследования, распределяются по длине стержня неравномерно. Наибольшие их значения τ _max действуют на некото­ром расстоянии от торца и не зависят от длины заделки стержня в бетоне (рис. 4.1).

Надёжное сцепление по опытным данным зависит от трёх сле­дующих факторов:

1) сопротивления бетона усилиям смятия и среза, обусловленным выступами и другими неровностями на поверхности арматуры, т. е. механическим зацеплением арматуры за бетон (рис.4.2г); даже сравнительно гладкая арматура имеет неровности, заполняемые бе­тоном;

2) от сил трения арматуры о бетон, которые вследствие усадки бето­на развиваются на поверхности арматуры при попытке выдернуть стержень;

3) от склеивания поверхности арматуры с бетоном, возникающего благодаря клеящей способности геля.

Выявление точного влияния каждого из перечисленных факто­ров в процентном отношении затруднительно, да и не имеет большо­го практического значения, так как они проявляются одновременно. Однако наибольшее влияние на прочность сцепления стержней пе­риодического профиля оказывает первый фактор — он обеспечивает около 75% от общей величины сцепления.

Сцепление арматуры с бетоном улучшается с повышением клас­са бетона по прочности на сжатие, с увеличением содержания це­мента в единице объёма бетона, с уменьшением W/C. Оно зависит также от способа укладки и условий твердения бетона (например, вибрирование и влажный режим твердения улучшают сцепление). С увеличением возраста бетона τрастет, что объясняется повышением прочности цементного камня и его усадкой.

Сцепление несколько повышает растяжимость бетона, обеспечи­вает равномерное распределение трещин по длине элемента в случае их появления и ограничивает ширину раскрытия каждой трещины в отдельности, что повышает жесткость железобетонного элемента.

Источник