Применение новых видов арматуры - важный ресурс снижения себестоимости

И.Н. Тихонов, В.З. Мешков, И.Н. Суриков (НИИЖБ), А.Э. Белоусов, Е.С. Савохин (Мосгосэкспертиза)

 

Вопросам рационального применения новых арматурных сталей для улучшения как экономики железобетона, так и надежности конструкций был посвящен проведенный в феврале 2008 г. семинар работников Мосгосэкспертизы и ученых НИИЖБ.

Одним из путей удешевления железобетонных конструкций является сокращение расхода арматуры за счет применения сталей более высокой прочности.

Сегодня в Москве стоимость 1 м³ товарного бетона широко применяемого класса В25 примерно та же, что и 100 кг арматуры (класса А400 марки 35ГС), укладываемой в 1 м³ монолита. Поскольку цена на арматуру классов прочности 400 и 500 МПа практически одинакова, то замена арматуры А400 на А500 и В500 с соответствующим уменьшением ее расхода позволит улучшить экономические показатели строящихся объектов.

Наиболее популярная в отечественном строительстве арматура класса А400 (A-III) марки 35ГС была разработана в 50-е годы прошлого века как экономически выгодная альтернатива арматуре периодического профиля класса А-II из стали марки Ст5. По сути, сталь марки 35ГС представляет собой несколько модифицированный аналог стали Ст5. За счет увеличения в химическом составе стали доли марганца и кремния удалось достичь стабильного повышения предела текучести и временного сопротивления стержней до уровня класса A-III (A400), хотя и в ущерб свариваемости, пластичности и хладостойкости. В результате высокого содержания углерода (0,3 - 0,39%) данный вид арматурной стали относится к разряду ограниченно свариваемых и может использоваться при температурах не ниже -40°С. Следует отметить, что за рубежом арматура с содержанием углерода свыше 0,22% в качестве свариваемой к применению не допускается.

Анализ аварий и несчастных случаев на стройобъектах показывает, что одной из причин является сварка арматуры из стали марки 35ГС. Сведение к минимуму или даже полный отказ от применения этой арматуры, безусловно, повысит надежность конструкций, а также технологичность и безопасность строительного процесса.

К настоящему времени все страны Евросоюза практически полностью перешли на применение свариваемой арматуры класса прочности 500 МПа из низкоуглеродистых сталей (термомеханически упрочненную или холоднодеформированную). Эта арматура обладает значительно лучшей свариваемостью, пластичностью и хладостойкостью, чем горячекатаная из стали 35ГС. Теоретически и экспериментально доказано, что получаемый уровень прочности арматуры для железобетона без преднапряжения является оптимальным как по удельному расходу, так и по условиям совместной работы с бетоном.

Несмотря на то что уже более десяти лет качественный термомеханически упрочненный арматурный прокат класса А500С российские предприятия выпускают в значительном объеме, в большинстве своем он применяется как арматура класса А400 без перерасчета сечений стержней.

Причинами такого расточительного использования металла, с одной стороны, является определенный консерватизм проектировщиков и недостаточность нормативно-рекомендательной документации, а с другой - возможность случайной укладки в конструкцию арматуры низшего класса. Действительно, отмечены случаи укладки в конструкции арматуры низшего, чем предусмотрено проектом, класса. Это связано с тем, что арматура классов и А400, и А500 может поставляться с одинаковым периодическим профилем как европейского типа с серповидными ребрами, так и кольцевым профилем с ребрами одинаковой высоты (рис. 1а, б). Четкая заводская прокатная маркировка стержней с указанием класса арматуры зачастую отсутствует, несмотря на усилия составителей стандартов сделать ее обязательной. Нанесение периодической буквенно-цифровой маркировки технологически сложно и невыгодно металлургическим предприятиям, а спрос на арматуру стабильно превышает предложение.

В Москве на крупных строительных объектах, если в проекте заложена арматура класса А500, как правило, проводятся контрольные механические испытания образцов из каждой пачки стержней, что удорожает строительство. Такая мера снижает вероятность пересортицы, однако не позволяет избежать возможных ошибок, так как нормируемые значения временного сопротивления разрыву для арматуры обоих классов одинаковы, а точное определение предела текучести требует наличия специальных приборов и навыков.

С целью преодоления такой ситуации НИИЖБ выступил инициатором разработки специального профиля для арматуры класса А500 (рис. 1, в). Этот профиль не только позволяет легко и однозначно определить класс арматуры, но и существенно улучшает ее сцепление с бетоном. Такую арматуру класса А500СП выпускает входящий в концерн «ЕвразХолдинг» Западно-Сибирский металлургический комбинат - крупнейшее российское предприятие по производству арматуры.

 

Рис. 1. Типы периодического профиля арматуры, производимой в РФ: а - кольцевой (ГОСТ 5781), F₁³0,1 (не нормируется); б - серповидный двусторонний (СТО АСЧМ 7-93, ГОСТ Р 52544), F₁³0,056; в - серповидный четырехсторонний (ТУ 14-1-5526-2006), F₁³0,075

Исследования, проведенные в НИИЖБ, показали, что новый профиль позволяет повысить прочность сцепления в среднем на 20%, а жесткость на 30%, тем самым увеличивая степень включения бетона в работу между трещинами и уменьшая их раскрытие. Отмечено также, что новый профиль в большей степени обеспечивает сохранение прочности сцепления при достижении в арматуре значительных пластических деформаций (так называемую живучесть сцепления).

Сравнительные испытания на выносливость образцов арматуры с обычным серповидным профилем (А500С) и с новым профилем (А500СП) показали, что в режимах циклического нагружения, установленных стандартами на арматуру А500С, стержни с обоими видами профиля одинаково выдерживают требуемое число (2 млн.) циклов многократно повторяющейся нагрузки.

Анализ данных приемочных испытаний произведенного Западно-Сибирским комбинатом арматурного проката А500С и А500СП показал, что гарантируемое минимальное значение предела текучести 500 МПа имеет обеспеченность 0,997 (по стандарту 0,95), что превышает этот показатель продукции большинства заводов в РФ и за рубежом. Арматура нового профиля стабильно демонстрирует большую прочность, что является следствием увеличения удельной поверхности стержней за счет формы профиля и повышенной скорости охлаждения при термоупрочнении. Среднестатистические диаграммы растяжения арматуры приведены на рис. 2.

 

Рис. 2. Среднестатистическая диаграмма растяжения арматуры класса А500С и А500СП диаметров 10-28 производства Западно-Сибирского металлургического комбината

Таким образом, арматура класса А500СП предпочтительна для применения в железобетонных конструкциях зданий и сооружений высокой степени ответственности, а также возводимых в сейсмоопасных регионах и проектируемых с учетом противостояния прогрессирующему обрушению.

Нормативная база для рационального применения арматуры класса А500 включает СП 52-101-2003. Территориальные нормы г. Москвы (с учетом изменений ТСН 102-00*).

Для арматуры класса А500СП в НИИЖБ разработан документ, содержащий технологические рекомендации. Он предназначен для применения на всей территории РФ и издан в форме стандарта организации ФГУП «НИЦ «Строительство» под названием «Применение арматуры класса А500СП в железобетонных конструкциях» СТО 36554501-005-2006. Положения документа разработаны с учетом особенностей арматуры А500СП. В частности, в нем даны значения расчетных сопротивлений, определяемые с использованием коэффициента надежности g_s =1,1, а не 1,15. Следовательно, для арматуры класса А500СП могут быть приняты значения R_s и R_sc, равные 450 МПа вместо 435 МПа, которые согласно Своду правил следует применять для арматуры А500С. В формуле для определения базовой длины анкеровки l_о,ап принято значение R_bond = 2,8h2R_bt, вместо 2,5h₂R_bt, что позволяет сократить длину анкеровки и нахлестки арматурных стержней на 11 -12%.

В новой (2008 г.) исправленной и дополненной редакции СТО 36554501-005-2006* отражено расширение производимого сортамента (10 - 40 мм), допущено применение арматуры класса А500СП в конструкциях, подвергающихся динамическим нагрузкам, и сняты ограничения по применению арматуры при расчетных температурах ниже -40°С.

К числу преимуществ нового профиля арматуры А500СП, следует отнести также то, что при проведении технадзора, приемке или обследовании конструкций объекта достаточно будет оголить лишь небольшой участок арматуры, чтобы зафиксировать тип профиля.

Важным аспектом решения проблемы эффективного использования новых видов арматуры является способность фирм-поставщиков металлопродукции бесперебойно обеспечивать строительство арматурой требуемого класса и сортамента, причем не только крупными партиями.

Экономичные варианты проектов обычно предусматривают использование достаточно широкой номенклатуры диаметров арматурного проката. Как правило, при возведении зданий с конструкциями из монолитного железобетона нет возможности выделить большие площади для приобъектного складирования арматуры, поэтому она должна поставляться небольшими партиями стержней требуемых длин и диаметров в соответствии с графиком бетонирований.

Глобальный перевод отечественного железобетона на арматуру класса прочности 500 МПа потребует обеспечения стройиндустрии арматурой этого класса малых диаметров (5,5 - 12 мм), преимущественно поставляемой в мотках. Такую арматуру часто называют бунтовой.

До 90-х годов прошлого столетия металлургическая промышленность производила бунтовую арматуру класса А-III из сталей марок 35ГС и 25Г2С диаметров 6, 8, 10 и 12 мм, которая широко использовалась заводами ЖБИ для типовых конструкций крупнопанельных зданий.

За годы перестройки в России объем производства сборного железобетона сократился в несколько раз. Соответственно уменьшилась потребность в бунтовой арматуре мелких диаметров. Бунтовой арматурный прокат диаметром 6 и 8 мм из-за относительно низкой рентабельности практически перестал производиться. На освободившихся мощностях металлурги стали выпускать катанку, востребованную зарубежными и отечественными метизными предприятиями.

Вследствие отсутствия на внутреннем рынке бунтовой горячекатаной арматуры диаметром 6 и 8 мм класса А-III (А 400) предприятия строительной индустрии вынуждены были перейти на массовое применение стержневой арматуры диаметром 10 и 12 мм класса А-III (А 400), что привело к увеличению расхода металла на 20 - 30%, повышению трудоемкости и, как следствие, стоимости сборного домостроения.

Для армирования большинства сборных элементов используется в основном арматура в виде бунтового проката диаметром 6, 8 и 10 мм классов А 400 (А-III) и А500, потребность в которой значительно возросла. Потребность в свариваемой арматуре диаметров 5,5-12 мм классов 400 и 500 МПа составляет в настоящее время около 1,3 млн. т в год и удовлетворить ее силами действующих металлургических предприятий вряд ли возможно.

В развитых странах арматура в диапазоне размеров до 16 мм класса прочности 500 МПа выпускается в основном способом метизного передела (холодного деформирования) круглой катанки.

Получив в новых экономических условиях возможность приобретения за рубежом современного высокопроизводительного оборудования для производства холоднодеформированной арматуры, образовавшийся дефицит ликвидируют российские метизные предприятия, имеющиеся в Московской обл. и ряде городов России (Иваново, Магнитогорск, Череповец, Белгород). На некоторых из них осуществляется первичная переработка мотков: раскрой на мерные длины, изготовление сварных сеток и каркасов, закладных деталей и. др.

Для строителей в развитии производства холоднодеформированной арматуры наиболее ценными тенденциями являются переход на преимущественное производство арматурного проката класса прочности 500 МПа (В500С) и расширение сортамента включением ряда промежуточных размеров 5,5; 7; 7,5; 9 и 11 мм. В существующем сортаменте (по СТО АСЧМ 7-93) соседние позиции проката (диаметром 6, 8, 10, 12 мм) отличаются по площади поперечного сечения на 44 - 78%, что зачастую вынуждает при проектировании закладывать излишнее количество арматуры. Подсчитано, что для арматуры классов прочности 500 и 400 МПа введение промежуточных размеров в диапазон от 5,5 до 12 мм может дать экономию стали в среднем на 16% и позволит решить задачу взаимозаменяемости рабочей (расчетной) арматуры одного класса прочности на арматуру другого класса.

Свойства холоднодеформированного арматурного проката регламентируются стандартами СТО АСЧМ 7-93 и ГОСТ Р 52544, устанавливающими достаточно высокий уровень характеристик пластичности (d_макс; d_р), отвечающий требованиям Европейских норм.

Еще более эффективно использование проката промежуточных диаметров для монтажной и конструктивной (нерасчетной) арматуры. Так, в стеновых панелях и плитах перекрытий жилых зданий массовых серий при замене конструктивной арматуры в виде стержней диаметром 6, 8, 10, 12 мм на стержни диаметром соответственно 5,5; 7; 9; 11 мм можно сократить расход стали на 19 - 30%, причем независимо от класса ее прочности.

Следует отметить также привлекательность холоднодеформированной арматуры для предприятий стройиндустрии. Этот вид проката поставляют потребителям в симметричном и достаточно узком поле допусков (±4,5%), тогда как горячекатаный арматурный прокат сопоставимых диаметров, как правило, поставляют с плюсовым допуском, достигающим +8%. Заводы ЖБИ вынуждены постоянно допускать перерасход арматуры в тоннаже, так как в спецификациях проектов масса арматуры в изделии приводится из расчета по номинальному диаметру стержней.

НИИЖБ оказывает активную поддержку метизным предприятиям - пионерам производства холоднодеформированной арматуры. Совместно с Ассоциацией «Росметиз» и предприятиями-производителями подготовлена соответствующая нормативно-техническая документация и рекомендации по применению новых видов арматурной продукции.

Следует сказать, что эксклюзивным поставщиком всей металлопродукции Западно-Сибирского комбината, в том числе арматуры класса А500С и А500СП, является ООО «Торговая компания ЕвразХолдинг», ее дилеры во всех регионах РФ продают арматуру классов А500СП и А500С по одинаковой цене и не дороже чем A-III марки 35ГС.

Моcгосэкспертиза считает широкое внедрение арматуры класса прочности 500МПа, и в первую очередь А500СП и В500С, взамен класса А400 (A-III) важным фактором сокращения себестоимости и повышения надежности железобетонных конструкций объектов массового жилищного и гражданского строительства, способствующим успешному выполнению Национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России».

«Бюллетень строительной техники», № 5, 2008 г.