Армирование

Армирование — это технологический процесс усиления материала или конструкции путём введения в его состав дополнительных элементов (арматуры), обладающих более высокими прочностными характеристиками, чем основной материал. Цель армирования — восприятие растягивающих, изгибающих или сдвигающих напряжений, которые основной материал (например, бетон, пластик, керамика) не способен выдержать самостоятельно. Армирование широко применяется в строительстве, машиностроении, производстве композитов и других отраслях.

История

Первые известные примеры армирования относятся к древним цивилизациям. В Древнем Египте и Месопотамии для повышения прочности глиняных кирпичей и стен использовали солому или тростник. В Древнем Риме в бетонные конструкции (например, в купол Пантеона) добавляли каменные обломки и металлические скобы, однако систематического применения арматуры не было.

Современное армирование начало развиваться в XIX веке. В 1854 году английский штукатур Уильям Б. Уилкинсон запатентовал железобетонную плиту с металлическими стержнями для перекрытий. В 1867 году французский садовник Жозеф Монье получил патент на железобетонные кадки для растений, что считается отправной точкой массового использования железобетона. В России первые железобетонные конструкции были применены в конце XIX века при строительстве зданий и мостов. В 1908 году инженер А. Ф. Лолейт разработал теорию расчёта железобетонных конструкций, которая легла в основу советских и российских норм проектирования.

Классификация видов армирования

Армирование классифицируется по нескольким признакам.

По материалу арматуры

• Стальное армирование — наиболее распространённый тип. Используются стержни, сетки, каркасы из углеродистой или легированной стали. Обладает высокой прочностью, но подвержено коррозии.
• Композитное армирование — арматура из стеклопластика, базальтопластика, углепластика. Отличается лёгкостью, коррозионной стойкостью, низкой теплопроводностью, но меньшей модулем упругости (высокая деформативность).
• Полимерное армирование — волокна из полипропилена, полиэтилена, нейлона. Используется для армирования бетона, штукатурных смесей, пластмасс. Улучшает трещиностойкость, но незначительно увеличивает прочность на растяжение.
• Натуральное армирование — волокна растительного или животного происхождения (солома, джут, кокос, конский волос). Применяется в традиционных строительных материалах (саман, глина) и в некоторых современных эко-материалах.

По способу установки

• Монолитное армирование — арматура устанавливается в опалубку и заливается бетоном или другим материалом. Характерно для железобетонных конструкций.
• Сборное армирование — арматура входит в состав готовых заводских элементов (плиты, балки, колонны).
• Комбинированное армирование — сочетание монолитного и сборного, например, в монолитно-каркасных зданиях.

По типу напряжённого состояния

• Ненапрягаемое армирование — арматура не подвергается предварительному натяжению. Воспринимает нагрузки после затвердевания бетона.
• Предварительно напряжённое армирование — арматура натягивается до бетонирования (или после) и после отпуска натяжения создаёт сжимающее усилие в бетоне. Повышает трещиностойкость и несущую способность конструкций (мосты, балки, перекрытия).

Устройство и характеристики арматуры

Арматура для железобетона — основной вид армирующих элементов. Она выпускается в виде стержней, проволоки, сеток, каркасов.

Классификация стальной арматуры по профилю

• Гладкая арматура (класс A240) — стержни круглого сечения без рифления. Сцепление с бетоном слабое, применяется в монтажных петлях, хомутах, распределительной арматуре.
• Периодического профиля (классы A300, A400, A500, A600 и выше) — стержни с поперечными выступами (рифлением). Обеспечивает надёжное сцепление с бетоном. Наиболее распространённый тип для несущих конструкций.

Механические свойства

• Предел текучести — напряжение, при котором арматура начинает пластически деформироваться. Для арматуры класса A400 (А-III) составляет 390–400 МПа, для A500 — 500 МПа.
• Относительное удлинение — характеристика пластичности. Для арматуры A400 — не менее 14%, для A500 — не менее 12%.
• Модуль упругости — для стальной арматуры около 200 ГПа, для композитной — 30–70 ГПа (в зависимости от типа).

Диаметры

Стандартные диаметры стальной арматуры: 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40 мм. Наиболее часто используемые в строительстве — 10, 12, 14, 16 мм.

Применение армирования

Строительство

• Железобетонные конструкции — фундаменты, колонны, балки, плиты перекрытий, стены, лестницы. Армирование воспринимает растягивающие усилия, бетон — сжимающие.
• Мосты и путепроводы — предварительно напряжённые балки, плиты проезжей части, опоры.
• Дорожное строительство — армирование бетонных покрытий дорог, взлётно-посадочных полос, тротуаров.
• Гидротехнические сооружения — плотины, дамбы, каналы, бассейны. Армирование обеспечивает водонепроницаемость и устойчивость к давлению воды.
• Сейсмостойкое строительство — армирование стен, каркасов, фундаментов для повышения устойчивости к землетрясениям.

Машиностроение и производство

• Композитные материалы — армирование пластиков стекловолокном, углеволокном, кевларом. Применяется в авиации, автомобилестроении, судостроении, производстве спортивного инвентаря.
• Резинотехнические изделия — армирование шин, ремней, шлангов кордом (металлическим или текстильным).
• Керамика и огнеупоры — армирование металлической сеткой или волокнами для повышения термостойкости и прочности.

Другие области

• Геотехника — армирование грунтов геосетками, георешётками, геотекстилем для укрепления откосов, насыпей, подпорных стен.
• Архитектура и дизайн — армирование гипсовых, бетонных, полимерных декоративных элементов.
• Медицина — армирование костных имплантатов, зубных протезов, хирургических нитей.

Примеры армирования

• Железобетонная плита перекрытия — армируется сеткой из стержней диаметром 10–16 мм с шагом 150–200 мм в нижней зоне (растяжение) и конструктивной арматурой в верхней.
• Фундамент ленточный — продольная арматура диаметром 12–16 мм (4–6 стержней) и поперечные хомуты диаметром 6–8 мм с шагом 200–300 мм.
• Колонна — вертикальные стержни диаметром 16–25 мм (4–8 штук) и горизонтальные хомуты с шагом 100–200 мм.
• Композитная лодка — корпус из стеклопластика, армированный стекломатами и углеродными лентами.
• Автомобильная шина — армирование металлическим кордом (стальной проволокой) в брекере и каркасе.

Интересные факты

• В 1890-х годах в России был построен первый железобетонный мост через реку Яузу в Москве (архитектор А. Ф. Лолейт).
• Предварительно напряжённый железобетон был изобретён французским инженером Эженом Фрейсине в 1928 году. В СССР первые предварительно напряжённые конструкции появились в 1930-х годах.
• Армирование бетона стеклопластиком (АСП) начало активно применяться в России с 2000-х годов, особенно в агрессивных средах (морские сооружения, химические производства).
• В 2010-х годах в России разработана арматура из базальтопластика (АБП), которая по прочности на разрыв превосходит стальную, но имеет меньший модуль упругости.
• Армирование грунтов геосинтетическими материалами позволяет строить дороги на слабых основаниях (торф, глина) без выемки грунта.

Критика и ограничения

• Коррозия стальной арматуры — основная проблема железобетона. При недостаточной толщине защитного слоя бетона или нарушении технологии арматура ржавеет, что приводит к разрушению конструкции. Для защиты применяют гидроизоляцию, ингибиторы коррозии, оцинковку, эпоксидные покрытия.
• Низкая огнестойкость композитной арматуры — стеклопластик и базальтопластик теряют прочность при температурах выше 200–300 °C, тогда как стальная арматура сохраняет несущую способность до 500–600 °C.
• Высокая деформативность композитной арматуры — из-за низкого модуля упругости конструкции с ней имеют большие прогибы, что ограничивает применение в длинных пролётах.
• Сложность контроля качества — при монолитном строительстве неправильная установка арматуры (смещение, недостаточное перекрытие стыков) может существенно снизить прочность конструкции. Требуется тщательный контроль при приёмке работ.
• Экологические аспекты — производство стальной арматуры энергоёмко и сопровождается выбросами CO₂. Композитная арматура менее энергоёмка, но её утилизация затруднена.

Источники

• СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения»
• ГОСТ 34028-2016 «Прокат арматурный для железобетонных конструкций»
• СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения»
• Лолейт А. Ф. «Железобетон. Теория и практика» (1908)
• Фрейсине Э. «Предварительно напряжённый железобетон» (1928)
• Байков В. Н., Сигалов Э. Е. «Железобетонные конструкции: общий курс» (2009)
• Материалы научно-технических журналов «Бетон и железобетон», «Строительные материалы»