Прокат арматурный класса А500С для армирования железобетонных конструкций

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Коротков Л. И. - cm. научный сотрудник

Москва 2011

 

    Приводятся данные о термомеханически упрочненной арматурной стали классов А500С и А500СП и основные результаты исследований этих сталей, выполненных автором.

История арматуры

     До 1950 г. в строительстве применялась исключительно гладкая горячекатаная арматурная сталь класса A-I (А240), а затем было освоено производство стержневой арматурной стали периодического профиля класса A-II (А300) из горячекатаной стали марки Ст5. Эта арматура производилась из малоуглеродистых сталей. Позднее было начато производство и применение арматуры из стали класса A-III (А400) из низколегированных горячекатаных сталей марок 25Г2С (1956 г.) и 35ГС (1960 г.). В настоящее время в мостостроении основной является арматура из стали марки 25Г2С; на применение арматуры из стали марки 35ГС наложены серьезные ограничения.

     Термическое упрочнение углеродистых и низколегированных арматурных сталей является эффективным способом повышения их прочности (до 60 - 100 % и более) при сравнительно незначительных дополнительных затратах (6 - 12 % стоимости стали). Однако при этом происходит существенное снижение пластичности (относительного удлинения и угла загиба в холодном состоянии) и свариваемости.

     Поэтому наиболее целесообразным был выпуск высокопрочной термически упрочненной арматурной стали (классов от Ат-IV ДО AT-VII), предназначенной для изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций. В организации разработки и производства термоупрочненной арматуры более низкой прочности для армирования конструкций для обычного ненапрягаемого железобетона (класса Ат-IIIC) не было особой необходимости, так как ее применение не приносило строителям каких-либо технических и экономических преимуществ перед горячекатаными сталями того же класса. При этом следует отметить, что области применения термически упрочненной арматуры сужает ее склонность к коррозионному растрескиванию [1].

Термомеханическое упрочнение арматуры

     В 70 - 80 годы прошлого века произошли революционные изменения в технологии производства арматурной стали.

     Это - термомеханическое упрочнение стали в потоке проката, применяемое в большинстве развитых стран, с переходом на применение сталей с повышенным пределом текучести; использование нового периодического профиля (серповидный или европрофиль) стержневой арматуры с введением прокатной маркировки прочности и заводов-изготовителей.

     Известно, что по способу производства арматурная сталь бывает:

     - горячекатаная;

     - термически упрочненная закалкой со специального нагрева и последующего отпуска;

     - термомеханически упрочненная в потоке проката с использованием тепла прокатного нагрева;

     - упрочненная вытяжкой или скручиванием;

     - холоднокатаная и холоднотянутая обыкновенного качества.

     Ненапрягаемую термомеханически упрочненную арматурную сталь для обычного железобетона класса Ат-IIIC (А440С) из стали марок Ст5пс и Ст5пс начали разрабатывать в 1973 г., а ее промышленное производство было освоено в 1976 г.

     В настоящее время прекращен выпуск арматурной стали классов A-II (А300) и Ат-IIIC (А440С), а в промышленном и гражданском строительстве применяется сталь класса А500 с пределом текучести 5000 кг/см2. В 1991 - 1997 гг. были проведены работы по применению термомеханической арматуры сначала класса А400С, а затем класса А500С, которые изготавливают из горячекатаной стали класса A-I (А240) марок Ст3пс и Ст3сп [2]. Эти стали имеют высокую пластичность (20 - 25 % при 30 - 35 % исходной стали) и являются свариваемыми.

     В мостостроении в связи с недостаточной изученности стали класса А500С в качестве основной рабочей арматуры применяется сталь класса A-III (А400) с пределом текучести 4000 кг/см2. При этом необходимо отметить, что предел прочности сталей классов А500С и A-III (А400) остаются равными 6000 кг/см2.

     Выплавка сталей производится в печах - мартеновских, конверторных и электропечах.

     Разлитая после выплавки в чугунные формы - «изложницы» сталь начинает затвердевать в направлении от стенок формы к середине слитка, при этом зона жидкого металла постепенно вытесняется к центру и вверх. В этом же направлении вытесняются газовые и неметаллические включения, которые накапливаются в верхней части слитка и срезаются.      Структура стали определяется степенью ее раскисления введением в нее ферросплавов. По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), спокойную (сп) и полуспокойную (пс).

     Спокойная сталь затвердевает при полном раскислении и поэтому имеет наиболее однородные физико-механические свойства; она менее склонна к хрупкому разрушению.

     Полуспокойную сталь получают при меньшем количестве раскислителей и соответственно с образованием пор по высоте слитка. Поэтому себестоимость ее производства снижается по сравнению со спокойной сталью.

     Кипящая сталь застывает с выделением газов, что создает видимость кипения.

     Эта сталь имеет наибольшую неоднородность свойств при максимальном выходе проката и минимальной себестоимости. Кипящая сталь не допускается для применения в мостостроении.

     В 70-е годы прошлого века стали применять технологию непрерывной разливки стали, при которой сталь из ковша сразу разливается в непрерывно производимую заготовку сечением от 80x80 до 140x140 мм. Эта технология существенно сокращает цикл производства и полностью ликвидирует обрезь слитков, но при этом в заготовке равномерно распределяются газовые и неметаллические включения.

     Термомеханическое упрочнение производится непосредственно после выхода арматурной стали из последней клети прокатного стана. На скорости прокатки 6 - 20 м/с пруток арматурной стали попадает в охлаждающее устройство в виде форсунок, которые подают воду под давлением до 2,0 МПа в трубы. По этим трубам проталкивается пруток арматурной стали и равномерно охлаждается.

     В результате протекания 4 стадий охлаждения получается композитная структура и достигается повышенная прочность стали, улучшается свариваемость стойкость к ударным нагрузкам и воздействию низких температур [2].

     При замене горячекатаной стали марки 35ГС класса A-III (А400) на термомеханически упрочненную арматурную сталь класса Ат-IIIC (А440С) из стали марок Ст5пс и Ст5пс металлурги получают существенную экономию легирующих и увеличение выхода готового проката.

     Исследования НИИЖБа показали значительную изменчивость свойств этой арматуры (в 2 - 3 раза) по сравнению с горячекатаными сталями класса A-III (А400), связанную с изменчивостью химического состава исходной стали и неравномерностью скорости движения прутка арматуры через охлаждающие устройства.

     Для улучшения свойств термомеханически упрочненной арматуры в качестве исходных стали применять стали с содержанием углерода до 0,22 %.

     Предлагается унифицировать механические свойства и химический состав отечественной арматурной стали с нормами Евростандарта EN 10080 и принять единый класс свариваемой арматуры А500С (В500), а также отказаться от гладкой арматуры класса A-I (А240). Причем, эта сталь может изготавливаться как из горячекатаной и термоупрочненной, так и из холоднодеформируемой стали. В настоящее время за основу для изготовления арматурной стали класса А500С принята модифицированная сталь марок СтЗсп, СтЗпс и СтЗЕпс.

     Эти предложения были реализованы в новом ГОСТ.

     На стадии обсуждения этого документа НИЦ «Мосты» дважды давал отрицательные отзывы, составленные с учетом мнения ведущего проектного института «Союздорпроект» и двух заводов МЖБК - «Мокон» ОАО «Мостотрест» и Дмитровского ОАО «Мостожелезобетонконструкция». Отрицательные отзывы основывались на том, что для мостовиков уже существует один наиболее эффективный класс арматуры A-III марки 25Г2С, а для хомутов и косвенного армирования требуется арматура класса A-I марки СтЗ, которая необходима для изготовления термомеханических и холоднодеформируемых сталей. Имея повышенное значение предела текучести по сравнению с горячекатаной сталью класса A-III (А400) и равные значения предела прочности, применение стали А500 снижает надежность конструкции из-за увеличения отношения предела текучести к пределу прочности (с 0,64 до 0,820).

     Термомеханически упрочненная сталь имеет крайне низкие показатели выносливости стыковых сварных соединений. В Рекомендациях НИИЖБа отмечается и нашими исследованиями подтверждается, что применение сварных соединений, характеризующихся значительным выделением тепла при их изготовлении, приводит к заметному снижению прочности соединения. Это объясняется разупрочнением термоупрочненных сталей.

     И самое главное, применение этих сталей с повышенным расчетным сопротивлении не дает заметного экономического эффекта, к тому же при переходе на всеобщее применение термомеханических сталей в металлургии свернуто производство необходимых для мостостроения горячекатаных арматурных сталей.

Арматура А500С

     Первые партии - плавки стали классов А400С и А500С диаметрами 10, 12, 14, 18 и 25мм были изготовлены на ЗападноСибирском комбинате в 1993 г. После проведенных комплексных исследований в 1995 г. комбинат приступил к промышленному выпуску этой стали. Новая сталь сохранила значительную изменчивость свойств, как и сталь класса Ат-IIIC (А440С) из стали марок Ст5пс и Ст5пс.

     По мере отработки технологии и химического состава достигается сближение величин пределов текучести и прочности, разница между которыми составляет около 1000 кг/см2 (100 Н/мм2), а среднее соотношение составляет 1,18. Для горячекатаной стали класса A-III (А400) эти показатели составляют соответственно 2000 кг/см2 (200 Н/мм2) и 1,5. Такие свойства арматуры позволяют существенно повысить надежность конструкций, армированных горячекатаными сталями, что особенно важно для мостовых конструкций. Отмечается высокая стойкость новой стали к воздействию низких отрицательных температур.

     Термомеханически упрочненная сталь класса А500С, предназначенная для применения наряду и взамен стали класса A-III (А400), характеризуется рядом особенностей в случае применения ее в изделиях со сварными соединениями:

     - термомеханически упрочненная сталь класса А500С обладает повышенной по сравнению со сталью класса A-III (А400) стойкостью против хрупких разрушений при малых тепловложениях, что позволяет допускать дуговую сварку (прихватками) крестообразных соединений (тип КЗ по ГОСТ 14098), использование которой для горячекатаной стали марки 35ГС запрещено;

     - при сварке способами, характеризуемыми большими тепловложениями или полным расплавлением зоны совместной кристаллизации, сталь класса А500С может разупрочняться до 500 Н/мм2 на расстоянии до 1 - 1,2 диаметра арматуры в каждую сторону от сварного соединения.

     К выпуску новой стали приступили Белорусский металлургический завод, комбинат «Криворожсталь» и Череповецкий комбинат АО «Северсталь».

     В связи с успехами в разработке технологии термомеханически упрочненной арматурной стали и проявившимся дефиците и значительно возросшими ценами на легирующие материалы и раскислители металлургам стало экономически выгодно производить термоупрочненные стали для армирования ненапрягаемых конструкций. Поэтому цены на термомеханически упрочненные стали были несколько снижены по сравнению с горячекатаными сталями, чем и вызвали интерес строительных организаций, вынужденных выживать в новых экономических условиях [2].

Коррозия арматуры

     Известно, что термоупрочненная арматурная сталь имеет склонность к коррозионному разрушению под напряжением (КР).

     Но систематических исследований особенностей коррозионного поведения арматурной стали класса А500С не проводилось.

     Термически упрочненная арматура с композитной структурой имеет различную твердость по сечению стержня, на поверхности формируется более твердый слой, что может повлиять на коррозионное поведение этой стали. Вместе с тем горячекатаные стали, которые должны заменить сталь класса А500С, являются стойкими против хрупкого коррозионного разрушения и к ним не предъявляются специальные требования по условиям хранения и длительности строительства с позиций коррозии.

     При коррозии под напряжением стержень может обрываться хрупко без заметного удлинения, что чревато опасностью внезапного обрушения конструкции. При этом коррозия сильно локализована и протекает без образования заметного толстого слоя ржавчины и образования продольных трещин в защитном слое бетона.

     В конструкциях, армированных ненапрягаемой горячекатаной сталью, коррозия стержней приводит лишь к образованию продольных трещин в защитном слое бетона в результате давления на него слоя растущей ржавчины.

     Опыт эксплуатации железобетонных конструкций и результаты ускоренных испытаний показывают, что наибольшей склонностью к коррозии под напряжением обладают термически упрочненные стали.

     Ранее проведенные исследования показали, что технологические факторы производства арматуры (по СТО АСЧМ 7-93) [3] технология производства определяется изготовителем) могут существенно повлиять на ее коррозионное поведение. Так, термически и термомеханически упрочненные стали могут проявлять значительную склонность к хрупкому коррозионному разрушению под напряжением (растрескиванию).

     В [4] представлены результаты исследований склонности к коррозионному растрескиванию опытно-промышленных партий арматурной стали класса А500С диаметром 6 - 20 мм производства комбината «Криворожсталь».

     Коррозионные испытания (ГОСТ 10884-94 «Сталь арматурная термомеханически упрочненная для железобетонных конструкций», приложение Б, обязательное) проводили выдерживанием образцов арматуры, нагруженных изгибом на рычажной установке консольного типа. В качестве коррозионной среды применялся нагретый до 100 °С раствор, состоящий из 600 мас.ч. азотнокислого кальция, 50 мас.ч. азотнокислого аммония и 350 мас.ч. воды. Продолжительность испытаний составляла 220 ч. Склонность арматуры к коррозионному растрескиванию определялась по времени до ее разрушения.

     Для получения кривой длительной коррозионной прочности испытания проводили при нескольких уровнях напряжений.

     Выявлено влияние диаметра стержней арматуры (20,16 и 10 мм) в пределах одной плавки.

     Арматура диаметром 20 мм показала высокую стойкость против коррозионного растрескивания. Около 30 % арматуры диаметром 16мм разрушилось за 68 - 165 ч при напряжениях 450 Н/мм2 и выше.

     Арматура диаметром 10 - 12 мм проявила высокую склонность к коррозионному разрушению:

     - при напряжениях 500 - 550 Н/мм2 образцы разрушались за 3 - 5 ч;

     - снижение напряжений до 400 Н/мм2незначительно увеличило время до разрушения - от 6до 15 ч;

     - снижение напряжений до 300 Н/мм2 увеличило время до разрушения от 8 до 220 ч.

     При этом арматура класса A-III в аналогичных условиях испытаний проявила высокую стойкость к коррозионному разрушению.

Новые арматурные стали

     По разработке и освоению производства термомеханических сталей лидирующее положение занимает Западно-Сибирский металлургический комбинат. В процессе этой работы появились новые арматурные стали класса A-IV марок 28С и 27ГС, хладостойкие стали класса Ac-III из исходных малоуглеродистых сталей марок Ст10, Ст15 и Ст20 взамен менее прочной горячекатаной стали класса Ac-II марки 10ГТ. Все эти стали исследовали в НИИЖБе и затем в отделении ПС ЦНИИС Минтрансстроя СССР (в настоящее время Филиал ОАО ЦНИИС «НИЦ «Мосты») еще в советское время. В процессе этой работы было обращено внимание на наличие заметного разупрочнения сварных соединений при низкой чувствительности к воздействию поджогов. Самым тяжелым испытанием всех горячекатаных сталей является воздействие поджогов, особенно при воздействии низких отрицательных температур.

     В начале 90-х годов Западно-Сибирский металлургический комбинат приступил к освоению производства новой термоупрочненной арматуры классов А500С и А400С из исходных сталей класса A-I марок СтЗсп и СтЗпс. Наиболее экономически выгодной оказалась арматура из стали марки СтЗпс. В 1994 г. Ассоциацией Черметстандарт был выпущен Российский стандарт СТО АСЧМ 7-93 [3], который регламентировал технические требования к этим сталям. Выпуск этих сталей в настоящее время производится в соответствии с требованиями ТУ 14-1-5254-94 и СТО АСЧМ 7-93.

     Применение этих сталей в промышленно гражданском строительстве производится по Рекомендациям [5], разработанным лабораторией арматуры НИИЖБа в развитие СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции».

     Проектирование мостовых конструкций производится по СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы», в которых нет упоминания об этих сталей.

     Новые арматурные стали в мостостроении, в том числе и стали классов А500С и А400С, могут применяться только по специальным рекомендациям НИЦ «Мосты», которые разрабатываются на базе обобщения опыта применения этих сталей в промышленно-гражданском строительстве и после проведения специальных дополнительных исследований, учитывающих специфику и особый повышенный уровень надежности мостовых конструкций.

     Положительный опыт применения новых сталей по Рекомендациям позволяет вводить эти стали в государственные нормы типа СН или СНиП. В новый «мостовой» СНиП и в разработанный в его развитие Свод правил из-за недостаточной изученности стали классов А500С и А400С не включены.

Внедрение арматуры А500С

     Учитывая сложившееся положение СФ «Мостострой» корпорации «Трансстрой» (приемник Главмостостроя Минтранссторя СССР) своим письмом от 28.01.1997 №2502-1/2 обязал подчиненные организации применять арматурные стали, выпускаемые по ТУ и поступающие из-за рубежа (включая стали классов А500С и А400С), только по заключениям НИЦ «Мосты», подготовленным на основании анализа копий сертификатов заводов-изготовителей и результатов собственных испытаний образцов стали. Результаты этих испытаний учитывались для пополнения банка данных о свойствах стали классов А500С и А400С и будут использоваться для разработки Рекомендаций по их применению в мостостроении.

     При этом необходимо учитывать, что поскольку в соответствии с п.2.1 ТУ 14-1-5254-94 эта арматура изготавливается по технологическим регламентам предприятий изготовителей, то и свойства арматурного проката различных заводов могут существенно отличаться. Поэтому для применения этих сталей необходимо проводить весь комплекс исследований сталей всех заводов-изготовителей. В настоящее время НИЦ «Мосты» имеет некоторые результаты испытаний арматурной стали производства только Западно-Сибирского металлургического комбината.

     Самые первые данные о свойствах термомеханически упрочненной арматуры из стали марки Ст3пс были получены по результатов выполнения «мелких» заказов ОАО «Мостоконструкция» (бывший Красноярский завод МЖБК треста «Мостоже-лезлбетонконстукция» Главмостостоя) на проведение испытаний для определения возможности и условий применения отдельных партий арматуры для конкретных конструкций с учетом технического уровня завода и наличия эффективно действующей мостовой инспекции.

     Наибольший объем данных о свойствах арматурной стали класса А500С был получен в процессе выполнения договора с ТУАД Новосибирской обл. в 1998 - 1999 гг. Инициатором этой работы было ОАО «Сибмост», а его подразделение МО-38 подготовило и поставило образцы для проведения исследований.

     По этому договору были выполнены комплексные исследования, включавшие определение влияния сварки и низких отрицательных температур на свойства стали, долговременные и дорогостоящие испытания на выносливость как образцов в состоянии поставки, так и сварных, металлографические исследования, а также статистическую обработку полученных на комбинате результатов испытаний арматуры, выпущенной за первый квартал 1998 г. На основании выполненных исследований были выпущены Рекомендации по применению термомеханически упрочненной арматурной стали класса А500С диаметром до 25мм включительно в мостовых сооружениях, сооружаемых в Новосибирской области. Этот документ действует и в настоящее время.

Выводы

     Поперечный профиль по ГОСТ 5781, имея превосходное сцепление с бетоном и относящийся к «жестким» профилям, имеет очень существенный недостаток - появление усталостной трещины в месте пересечения продольного и поперечного ребер в контактно-стыковом сварном соединении. Новый серповидный профиль, или европрофиль, не имеет такого пересечения и, следовательно, места возникновения усталостной трещины. Такой профиль называют мягким.

     Автор выполнил сравнительные испытания изгибаемых образцов и на вырыв стержней из бетона, запроектированных в соответствии с «мостовыми» нормами и не отметил заметной разницы в полученных результатах. Кроме того, были выполнены испытания на выносливость на ограниченном количестве образцов. Были получены положительные результаты. Поэтому на применение серповидного профиля в мостостроении не вводилось никаких ограничений.

     Однако в некоторых конструкциях промышленно-гражданского строительства потребовалось более высокое и надежное сцепление арматуры с бетоном. Поэтому в НИИЖБе был разработан усовершенствованный серповидный профиль для арматуры класса А500С, которому дали обозначение А500СП.

     В этом профиле между поперечными ребрами вводился дополнительное ребро незначительной длины, которое соединятся с продольным ребром. Таким образом, вновь появилась зона, в которой может появляться усталостная трещина. В заключении, подготовленном автором на отчет по исследованиям нового профиля, были отмечены положительные качества (основное более равномерное зацепление поперечных выступов с бетоном, повышающее трещиностойкость конструкции) отмечена необходимость исследований контактно-стыкового сварного соединения на выносливость.

     На основании выполненных исследований были сделаны следующие выводы:

     - свойства сталей не стабильны и зависят от режима термообработки, которая на каждом предприятии принимается по своим технологическим регламентам;

     - при изготовлении сварных соединений способами, характеризуемыми большими тепловложениями или полным расплавлением зоны совместной кристаллизации, происходит разупрочнение стали в зоне сварного соединения (к таким соединениям относятся стыковые). Эти соединения горячекатаных сталей не имеют разупрочнения зон соединения;

     - стыковые сварные соединения имеют пониженную выносливость;

     - арматура класса А500СП требует проверки контактностыкового сварного соединения на выносливость.

 

     Литература:

     1. Мулин Н. М. Стержневая арматура железобетонных конструкций. М., Стройиздат, 1974.

     2. Мадатян С. А. Арматура железобетонных конструкций. М., Воентехиздат, 2000.

     3. Стандарт Ассоциации предприятий и организаций по стандартизации продукции черной металлургии. Прокат периодического профиля из арматурной стали. Технические условия.

     4. Красовская Г. М. Особенности коррозионного поведения арматуры класса А500С. Сборник материалов Международной Конференции «Долговечность и защита конструкций от коррозии. Строительство, реконструкция», МКДЗК-99 (25 - 27 мая 1999 г).

     5. Рекомендации по применению в железобетонных конструкциях термомеханически упрочненной свариваемой стержневой арматуры новы видов. ГНЦ «Строительство». М., НИИЖБ, 1996.

 

     См. также:

     Купить арматуру А III А400 25Г2С

     Купить арматуру А500С