Арматура является неотъемлемой частью железобетонных конструкций, выполняя критически важную функцию восприятия внутренних усилий, возникающих под действием эксплуатационных и климатических нагрузок. Она служит основой для создания устойчивых и долговечных конструкций, сочетая в себе требования к прочности, долговечности и технологичности монтажа.
В современных строительных системах арматура представлена в широком разнообразии по форме, материалу, технологии изготовления и функциональному назначению. Развитие арматурных материалов и методов их укладки отражает общий прогресс в строительной инженерии и позволяет создавать конструкции с прогнозируемыми параметрами деформативности и разрушения.
История использования арматуры начинается с конца XIX века, когда французский строитель Жозеф Монье начал армировать бетон металлической проволокой. Первые армированные конструкции отличались низкой долговечностью из-за недостаточного понимания взаимодействия стали и бетона. Однако уже к началу XX века была разработана теория железобетона, на основе которой арматура стала неотъемлемым компонентом инженерных сооружений.
В СССР массовое применение арматуры получило с 1930-х годов, когда было налажено промышленное производство стержневой стали и арматурных сеток. Развитие ГОСТов и СНиПов, появление термомеханической и холоднодеформированной арматуры, а позднее и неметаллических аналогов, отражает историческую эволюцию требований к надёжности, антикоррозионной устойчивости и монтажной технологичности.
Под арматурой принято понимать удлинённые элементы, применяемые в железобетонных конструкциях для восприятия главным образом растягивающих, а также сжимающих нагрузок.
Арматура может выполнять различные функции в зависимости от назначения:
- рабочая – закладывается в соответствии с расчётами для восприятия усилий на растяжение;
- монтажная (или конструктивная) – устанавливается в целях обеспечения технологичности и прочности конструкции, а также упрощения её сборки.
Монтажная арматура фиксирует заданное проектом положение рабочих стержней и способствует более равномерному перераспределению возникающих напряжений. В ряде случаев такую арматуру используют для компенсации усилий, возникающих в результате усадки бетонной смеси, температурных колебаний, изменений влажности и других трудно прогнозируемых воздействий. В этом случае монтажная арматура выполняет также конструктивную роль.
В железобетонных конструкциях рабочие и монтажные элементы объединяются в арматурные изделия: каркасы и сетки. По условиям эксплуатации арматура делится на два основных типа: напрягаемая (соответствует стандартам СТБ 1706, СТБ ЕN 10138-1…10138-4) и ненапрягаемая (регламентируется СТБ 1704, СТБ EN 10080).
Разделение по материалу позволяет выделить металлическую (преимущественно стальную) и неметаллическую арматуру. Наибольшее распространение в практике строительства получила именно стальная арматура.
По характеристике исходного проката арматура классифицируется как гибкая и жесткая. Наибольший объем применения принадлежит гибкой арматуре: она используется как в виде отдельных прутков и проволоки, так и в составе сборных изделий (сеток, арматурных канатов, каркасов, прядей, пучков).
Методы производства позволяют выделить несколько технологических разновидностей:
- горячекатаная гладкая и периодического профиля диаметром 3…80 мм (нормируется ГОСТ 5781);
- термомеханически упрочнённая с рифлёной поверхностью, диаметром от 6 до 40 мм (регламентируется ГОСТ 10884);
- холоднодеформированная арматура – гладкая или рифлёная, диаметром в пределах 3…12 мм;
- арматурные канаты по СТБ ЕN 10138-3, с диаметром от 6 до 19 мм, собранные из проволок с защитой от раскручивания.
В конструкциях с большим пролетом находят применение канаты более сложной конструкции: спиральные, двойной связки и закрытого типа.
Форма поверхности арматуры влияет на её адгезию к бетону. Она бывает гладкой (например, класс S240) и периодического профиля (классы S400, S500 и др.), а также со специальными модификациями. Поверхность периодического профиля обычно включает продольные рёбра и поперечные выступы, расположенные по одно-, двух- или трехзаходной винтовой схеме (см. рис. 1).
Рис. 1. Разновидности арматуры с различной геометрией периодического профиля: а – металлическая; б – неметаллическая
Арматура стальная с диаметром выше 10 мм, как правило, поставляется в виде стержней длиной до 12 м, а изделия меньших диаметров — в мотках. В сталежелезобетонных элементах используются также листовая и фасонная сталь.
Согласно прочностным характеристикам, арматуру разделяют на классы: ненапрягаемую – S240, S400, S500 (в соответствии с СТБ 1704, СТБ EN 10080) и предназначенную для натяжения – S800, S1200, S1400 (по СТБ 1706, СТБ EN 10138-1…4). Класс арматуры численно выражает нормативную прочность в МПа (Н/мм2). Каждому классу соответствует определённая марка стали.
Арматурная проволока выпускается как обычной прочности, так и высокопрочной. По профилю её делят на гладкую и рифлёную (двух- или трёхгранную). Основными техническими характеристиками являются предел прочности (для стандартной проволоки) и предел текучести (для прочной). Выпускается по ГОСТ 6727, ГОСТ 7348, ГОСТ Р 52544 и DIN 488. Проволоку до 8 мм обычно поставляют в мотках под наименованием катанка.
Канаты арматурные (по ГОСТ 13840) формируются из высокопрочной проволоки, прошедшей холодную вытяжку. Шаг скрутки каната составляет порядка 10…16 диаметров. Выпускаются канаты следующих типов: 7-жильные (К-7) – диаметр проволоки 2…5 мм, итоговый диаметр каната – три диаметра проволоки; 19-жильные (К-19) с проволокой 2,8 мм и итоговым диаметром 14 мм, а также многожильные варианты. Длина канатов ограничена массой упаковки — до 1300 кг.
Арматурные пучки создаются непосредственно на строительной площадке. Они включают параллельно уложенные высокопрочные проволоки, размещённые как в одной плоскости, так и по кругу с необходимыми промежутками для проникновения цементного состава. Через каждые 100 см пучки связываются мягкой проволокой или фиксируются металлической лентой. Концы закрепляются анкерными устройствами. В составе одного пучка может быть до 100 проволок диаметром 4…5 мм. В некоторых проектах проволоку заменяют на арматурные канаты.
Сетки арматурные (соответствуют ГОСТ 10922 и ГОСТ 23279) формируются из прутков диаметром 3…40 мм, уложенных под прямыми углами и сваренных в местах пересечений. Бывают как плоскими, так и рулонными, с квадратной либо прямоугольной ячеистой структурой. Диаметр проволоки в рулонных сетках – 3…5 мм. Рабочие элементы в сетке могут быть ориентированы вдоль, поперёк или в обоих направлениях одновременно.
Жесткую арматуру, такую как прокатные уголки, швеллеры и двутавры, используют преимущественно в конструкциях зданий с повышенной этажностью, где создаются значительные нагрузки, а также в пролётных элементах перекрытий и кровель, которые испытывают повышенное напряжение. Такая арматура незаменима в монолитных конструкциях каркасного типа, обеспечивая не только устойчивость, но и необходимую жёсткость при эксплуатации.
Арматурные каркасы (ГОСТ 10292) собираются из продольно направленных и поперечных арматурных элементов. Эти стержни соединяются, как правило, при помощи сварки в местах их пересечения. Однако в некоторых случаях применяется вязка специальной проволокой.
Различают каркасы плоского и пространственного типа. Плоский вариант конструкции включает один или два продольных рабочих стержня, монтажный элемент и перпендикулярно расположенные поперечные стержни, которые располагаются в единой геометрической плоскости. Эти каркасы предназначены для армирования железобетонных элементов, работающих на изгиб и растяжение, особенно в тех случаях, где ширина сечения незначительна. Пространственные же каркасы обладают поперечными стержнями, размещёнными в разных плоскостях, что обеспечивает дополнительную объемную устойчивость и прочность.
Неметаллическая арматура, часто именуемая композитной, производится в виде стержней и проволоки с диапазоном диаметров от 4 до 20 мм. На её поверхности создаётся равномерный винтовой рельеф, предназначенный для повышения сцепления с бетоном (см. рис. 3). В производстве используются вытянутые вдоль оси армирующие волокна: стеклянные (стеклоровинг), базальтовые (базальторовинг), углеродные и иные типы, соединённые с помощью различных смол в единую прочную структуру.
Такую арматуру подразделяют по типу армирующего волокна. Наиболее распространёнными являются стеклопластиковая арматура (АНС) и базальтопластиковая (АНБ), однако существуют и другие варианты в зависимости от используемого материала. Композитная арматура имеет ряд существенных преимуществ: она не подвержена коррозии, демонстрирует высокое сопротивление разрывным нагрузкам, обладает плотностью, в несколько раз меньшей по сравнению с металлическими аналогами, а её удлинение при растяжении существенно ниже. Благодаря этому конструкции с её использованием могут быть значительно легче и долговечнее.
Однако следует учитывать и ограничения: модуль упругости у неметаллической арматуры ниже, что ведёт к большей восприимчивости к пластическим деформациям и чувствительности к силам сжатия. Это ограничивает её применение в конструкциях, где предполагается предварительное напряжение.
Оптимальная сфера применения композитной арматуры – это объекты малоэтажного строительства, где не требуется высокая несущая способность, а также архитектурные малые формы. Также она эффективно используется для армирования полов на промышленных объектах, в конструкциях, подверженных сильному воздействию влаги, агрессивных химических сред и температурных колебаний, где коррозионная стойкость имеет первостепенное значение.
Интересные факты об арматуре:
-
Композитная арматура, несмотря на своё относительно недавнее появление, уже нашла применение в строительстве мостов, дорожных плит и даже атомных электростанций, благодаря своей полной устойчивости к агрессивной среде и высокой прочности на разрыв.
-
В СССР в 1970-х годах была впервые предложена система преднапряжённого железобетона с использованием арматурных канатов, что дало мощный толчок к развитию высотного и промышленного строительства.
-
Арматура с рифлёной поверхностью обеспечивает до 40% лучшую адгезию к бетону по сравнению с гладкой, особенно в зонах растяжения и изгиба.
-
Термомеханически упрочнённая арматура, разработанная в 1980-х, сочетает прочность стали и повышенную пластичность благодаря контролируемому охлаждению при прокате.
-
В неметаллической арматуре не образуется токов Фуко, что делает её идеальной для конструкций, работающих в условиях высоких электромагнитных полей (например, в метро и радиолабораториях).
Арматура, как ключевой элемент армированных конструкций, играет центральную роль в обеспечении прочности, надёжности и долговечности строительных объектов. Разнообразие материалов, технологий и нормативных требований позволяет адаптировать арматурные системы под конкретные задачи и условия эксплуатации. Переход от исключительно металлической арматуры к современным композитным решениям открывает новые возможности для проектирования, особенно в зонах с агрессивными средами и повышенными требованиями к лёгкости конструкции. Грамотное применение арматуры — это результат технической эволюции, инженерного расчёта и строгого соблюдения строительных стандартов, без чего невозможно представить современное капитальное строительство.
