К.В.МИХАЙЛОВ, д-р техн. наук, проф., почетный член РААСН (НИИЖБ), Задачи отечественной строительной науки в области арматуры и предварительно напряженных железобетонных конструкций
Арматура желез обете иных конструкций является одним из видов промышленной продукции, объем производства, которой постоянно растет,а требования к качеству ужесточаются.
За последние годы в России была разработана и применяется широкая номенклатура арматурных сталей для обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций, которая удовлетворяет основным требованиям различных видов капитального строительства. Было принято условие, что все виды стальной арматуры, предназначенные для обычных железобетонных конструкций, должны быть свариваемы тем или иным способом для возможности индустриализации арматурных работ. Впервые в мире было разработано и освоено промышленное производство стержневой арматуры периодического профиля терм о механическим способом в потоке проката и самоанкерующейся высокопрочной проволоки периодического профиля методом холодного волочения.
Всесторонние исследования свойств арматурных сталей и их работы в железобетонных конструкциях привели К ряду новых теоретических разработок, в том числе: унифицированное математическое описание диаграмм работы арматуры, основанное на теории “сплайн-функций"
• вероятностная система контроля качества, принятая в действующих государственных стандартах на арматуру
• процесс релаксации напряжений в высокопрочной проволочной и стержневой арматуре лри нормальной и повышенной температуре.
Однако по некоторым видам стальной арматуры мы отстаем от достижений технически «развитых стран. По прочностным показателям отечественные высокопрочная проволока и арматурные канаты на 10% ниже зарубежных, не выпускаются высокопрочная проволока и стержневая арматура больших диаметров и с защитными покрытиями, только в последние годы, по аналогии с зарубежными образцами, был разработан и освоен более эффективный профиль стержневой арматуры с серповидными поперечными ребрами.
Следует отметить, что повышение прочностных свойств арматуры, лри обеспечении ее свариваемости, достигалось за счет применения легирующих добавок, содержание которых было значительно выше, чем в зарубежных арматурных сталях идентичной прочности. 6 настоящее время и в перспективе производство стальной арматуры должно развиваться с учетом дефицитности и значительной дороговизны легирующих материалов
Механические и реологические свойства арматурных сталей будут в основном улучшаться путем совершенствования механической, термической и комплексной технологий производства арматуры, Научные проблемы в этой области должны решаться совместными усилиями ученых в областях металловедения, металлургии, машиностроения и строительства, причем последние должны определять конечную цель и осуществлять всесторонние исследования новых видов арматуры (их механические и реологические свойства, свариваемость, коррозионную стойкость, выносливость и др.) с определением нормативных показателей.
В свете вышеизложенного первоочередные задачи строительной науки в данной области состоят из решения следующих проблем:
• всестороннее изучение свойств стержневой свариваемой арматуры диаметром 8-40 мм нового поколения {с естественной композитной структурой) с пределом текучести 400, 500 и 600 МПа
• изучение свойств экономичных углеродистых термомеханически упрочненных арматурных сталей диаметром 8-32 мм с малым количеством легирующих добавок с условным пределом текучести 800, 1000 и 1200 МПа
• разработка и изучение свойств высокопрочной арматурной проволоки диаметром 5-8 мм с новым эффективным периодическим профилем
• разработка стабилизированных арматурных канатов новой конструкции, изготовляемых из проволоки периодического профиля
• изучение реологических и коррозионных свойств новых видов напрягаемой арматуры при нормальной и повышенной температуре
• изучение различных видов антикоррозионных покрытий арматуры с определением их влияния на сцепление арматуры с бетоном
• создание новых экологически безопасных и энергосберегающих высоких технологий производства арматурных работ,
Выявившаяся целесообразность применения железобетонных конструкций в различных отраслях народного хозяйства определила необходимость изыскания принципиально новых видов арматуры, в том числе использования композиций из высокопрочных нитей и пластика. Вначале была создана высокопрочная стеклопластиковая арматура для предварительного напряжения конструкций, а затем подобная композитная арматура на базе углеродных и арамидных волокон.
Исследования в этой области начались в середине прошлого столетия, в том числе и в нашей стране. Были созданы различные виды подобной арматуры и выявлены особенности их применения в бетонных конструкциях, начато экспериментальное строительство. На этом,собственно, и закончились активные разработки данной проблемы в нашей стране, тогда как в Германии, Японии и в других странах параллельно с широкими научными исследованиями началось строительство различных объектов, в том числе ряда автодорожных и пешеходных мостов, с предварительно напряженными пролетными строениями размером до 30 м, в которых использовалась напрягаемая неметаллическая арматура. Было установлено, что приведенная стоимость неметаллической фибропластиковой арматуры выше стоимости стальной арматуры и ее следует применять в конструкциях, эксплуатируемых в сильно агрессивной среде или отвечающих специальным условиям (антимагнитность, диэлектрические свойства). Быстрое развитие химической промышленности способствовало тому, что для армирования ряда бетонных конструкций стали применять решетки из прочных пластмасс, а также фибру из стекловолокна и пластика. Такое армирование практикуется в России пока в ограниченных масштабах, в том числе из-за недостатка научно-технических и экономических разработок, определяющих первоочередные области применения этой арматуры.
Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы: •высокопрочная неметаллическая арматура эффективна для применения в предварительно напряженных конструкциях, предназначаемых для сооружений, эксплуатируемых в особьх условиях. Необходимо усилить исследования в этой области, обратив особое внимание организации промышленного производства такой арматуры и строительству различных объектов с ее применением
• настало время для разработки различных видов арматуры из прочных пластиков для обычных бетонных конструкций (решетки, фибра), всесторонних исследований таких конструкций, составления нормативно-технической документации и организации экспериментального строительства.
Мировой практикой установлена важная роль метода предварительного напряжения арматуры в совершенствовании железобетонных конструкций, который обеспечивает значительную экономию стали и заметное расширение областей целесообразного применения железобетона. До начала перестройки объем производства разнообразных предварительно напряженных конструкций в СССР достигал 22% общего объема сборного железобетона, т.е, составлял более 30 млн.м3 в год.
В гражданских и промышленных зданиях сборные преднапряженные железобетонные конструкции применялись в основном в перекрытиях, покрытиях, стенах и свайных фундаментах. В массовом порядке выпускали преднапряженные железобетонные шпалы, напорные трубы, опоры электропередачи и контактной сети, виноградные стойки. Все эти конструкции изготовляли по технологии натяжения арматуры на упоры до бетонирования. В мостах, резервуарах, силосных башнях и в других крупных инженерных сооружениях использовали технологию натяжения арматуры на затвердевший бетон конструкции.
Все названные области применения предварительно напряженных конструкций полностью себя оправдали, и можно с уверенностью полагать, что после преодоления образовавшегося в народном хозяйстве застоя перечисленные выше конструкции снова займут почетное место в капитальном строительстве.
Номенклатура преднапряженных железобетонных конструкций по своим геометрическим и эксплуатационным параметрам мало изменится, и основные направления их совершенствования будут связаны с использованием новых эффективных материалов и технологий, повышением их долговечности. Уже сейчас на базе применения новых вяжущих (напрягающего цемента, вяжущего низкой водопотребности), суперпластификаторов и микронаполнителей созданы условия для получения в производственных условиях бетонов высокой прочности (100-120 МПа) и плотности.
Сочетание бетона на напрягающем цементе с высокопрочной арматурой позволяет получить новые эффективные и долговечные пред напряженные конструкции с высокой плотностью и несущей способностью; первоочередная область их применения — высоконапорные трубы.
Освоение производства углеродистой несвариваемой высокопрочной стержневой арматуры и повышение стоимости электротермического натяжения арматуры потребует разработки новых технологических приемов и конструктивных решений сборных элементов. В частности, на основе теории механики разрушения необходимо исследовать условия анкеровки различных видов арматуры без образованиятре- щин раскалывания на опорных участках конструкций.
Расширение объемов возведения монолитных плитных железобетонных конструкций выдвигает задачи снижения их металлоемкости за счет использования высокопрочной предварительно напряженной арматуры, В различных странах такие конструкции находят широкое применение, а у нас они практически не используются На основе сказанного можно сформулировать следующие задачи строительной науки в области совершенствования предварительно напряженных конструкций на перспективу:
• исследование свойств и особенностей производства различных видов предсамонапряженных железобетонных конструкций, определение рациональных областей их применения
• исследование свойств и технологии изготовления предварительно напряженных конструкций из высокопрочного бетона с новыми видами арматуры с различными защитными покрытиями, оценка их долговечности в различных условиях эксплуатации
• разработка способов применения предварительного напряжения в монолитных плитных конструкциях из бетона на плотных и пористых заполнителях, обеспечение их долговечности
• создание индустриальных способов возведения зданий разной этажности со сборно-монолитными лреднапряженными перекрытиями для городов и сельской местности
• разработка и исследование преднапряженных конструкций с высокопрочной неметаллической (фибропластиковой) арматурой, определение областей их применения.
Бетон и железобетон, 2001 №3