Механические соединения арматуры с прокатным винтовым профилем

В последние годы ряд зарубежных производителей арматурного проката планирует увеличение производства арматуры с винтовым профилем. В частности, японская компания Kyoei Steel увеличила в полтора раза производство такой арматуры на своих предприятиях в 2020 г. до 1,2 млн т. Арматура с винтовым профилем в железобетонных конструкциях имеет ряд преимуществ по сравнению с арматурой с другими профилями в вопросах соединения между отдельными стержнями с помощью винтовых муфт. Такое соединение более экономично по сравнению со сварными и менее трудоемко, не требует дополнительных работ со специализированным оборудованием по сравнению с обжимными муфтами. Следует отметить, что характеристики арматуры с винтовым профилем более целесообразно применять на технически сложных объектах строительства.

В настоящее время ряд отечественных металлопроизводителей (Тульский металлопрокатный завод, ЕВРАЗ ЗСМК (г. Новокузнецк) начал производство арматуры с винтовым профилем. Основным препятствием для применения данной арматуры в строительстве является высокая податливость в соединениях, осуществляемая с помощью винтовых муфт. В основном зарубежные производители справились с этой задачей с помощью применения клеевых составов непосредственно на площадках строительства, меньших допусков по геометрии как арматуры, так и муфт и более высоких допусков по податливости. Исследование указанного выше вопроса в настоящее время выполнено не в полной мере, поэтому актуальность в проведении качественной и количественной оценки соединений наиболее часто применяемой арматуры класса прочности 500 Н/мм² с помощью винтовых муфт, в том числе с разными видами анкерно-клеевых составов отечественного и зарубежного производства, не утрачена до настоящего времени.

История вопроса

Для дальнейшего рассмотрения соединений арматуры с винтовым профилем в данной статье следует кратко упомянуть основные существующие виды механических соединений.

Резьбовые механические соединения – это соединения арматуры с нарезанной или накатанной на концах арматурных стержней резьбой, стыкуемой с помощью муфты, имеющей резьбу, соответствующую резьбе на арматурных стержнях (рис. 1). Резьба на арматурных стержнях нарезается или накатывается на специальном оборудовании в специально оборудованном посту [1].

Данный тип соединений имеет ряд преимуществ:

• сокращение времени работ;
• не требует сварочных и вязочных работ;
• сборка не требует специального оборудования.

А также ряд недостатков:

• срезание защитного упрочненного слоя арматуры при нарезке резьбы;
• однозаходность резьбы, усложняющая или делающая невозможной сборку даже при небольшой несоосности стержней;
• необходимость защиты от механических повреждений.

Обжимные (опрессованные) механические соединения – соединение арматурных стержней посредством соединительной муфты, установленной на концы стыкуемых стержней арматуры и обжатой гидравлическим способом (рис. 2). Анкеровка концов стержней арматуры в муфте обеспечивается за счет вдавливания металла муфты между поперечными ребрами арматуры вследствие пластической деформации при обжатии [1].

Преимущества обжимных соединений:

• простота конструкции соединений;
• сокращение времени работ;
• не требует сварочных и вязочных работ.

Недостатки обжимных соединений:

• увеличение массы монтируемой конструкции;
• применение тяжелых гидравлических прессов в процессе монтажа;
• трудность выполнения соединений в условиях высокой насыщенности арматурой.

Винтовое (механическое с затяжкой) соединение – соединение арматуры со специальным винтовым периодическим профилем с помощью муфты и контргаек, имеющих резьбу, соответствующую ребрам профиля на арматурных стержнях (рис. 3) [1].

Преимущества винтовых соединений:

• сокращение времени работ;
• не требует сварочных и вязочных работ;
• сборка не требует специального оборудования;
• двухзаходная резьба позволяет вручную стыковать соединения при небольшой несоосности стержней;
• отсутствие необходимости нарезки резьбы;
• высокая коррозионная стойкость из-за сохранения целостности поверхности стержня.

Недостатки винтового соединения:

• высокая цена резьбовой муфты (нивелируется наличием литых муфт);
• необходимость использовать контргайки;
• необходимость закручивать контргайки с нормативным усилием более 500 кН при помощи гидравлических ключей;
• повышенная податливость соединения [2][3].

Резьбо-клеевое соединение – то же, что и винтовое с предварительным заполнением муфты анкерным эпоксидным или цементным составом для уменьшения податливости соединения (рис. 4).

Преимущества резьбо-клеевых соединений:

• те же, что у винтового;
• дополнительная защита соединения от коррозионного воздействия;
• исключение высокой податливости винтового соединения.

Недостатки резьбо-клеевых соединений:

• уход с российского рынка производителей клеевых анкерных составов;
• повышенная цена одного соединения с клеевым анкерным составом [4].

Нормативное сопровождение

Механические соединения арматуры изготавливаются и испытываются в соответствии с ГОСТ 34278–2017 «Соединения арматуры механические для железобетонных конструкций» (табл. 1). Расчет механических соединений производят по методикам приложений К и Л СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции».

Механические резьбо-клеевые соединения, испытания которых проводились в НИИЖБ, были изготовлены на Тульском металлопрокатном заводе (ТМПЗ, г. Тула) в соответствии с вышеуказанными документами, а также ТУ 24.10.62-007-83936644-2020 «Прокат арматурный винтового профиля класса Ав500П, Ав600П, и Ау500П, Ау600П с четырехрядным расположением поперечных ребер. Соединительные муфты и гайки» и СТО 36554501–068–2022 «Применение арматуры классов Ав500П, Ау500П и Ав600П, Ау600П в железобетонных конструкциях».

Испытания в НИИЖБ им. А. А. Гвоздева

Для оценки основных физико-механических характеристик и податливости винтовых муфтовых соединений изготавливались образцы из стержней арматуры винтового профиля с номинальным диаметром 20, 25 и 36 мм класса Ав500П.

Анализ российской и зарубежной нормативно-технической документации показал, что к муфтовым соединениям арматуры предъявляются требования прочности, деформативности (податливости) и пластичности. Чрезмерная податливость (сдвиг стержней в муфте) муфтовых соединений арматуры оказывает отрицательное влияние на трещиностойкость железобетонных конструкций, при этом, как правило, податливость увеличивается с увеличением диаметра соединяемой арматуры. Одним из способов уменьшения податливости муфтовых соединений является затяжка с различным моментом муфт или контргаек и применение различных составов на цементной и эпоксидной основе посредством заполнения соединительной муфты.

На основании вышесказанного и в соответствии с программой испытаний были изготовлены и испытаны образцы винтовых муфтовых соединений арматуры с вариативными факторами, указанными в табл. 2. Всего испытано 63 образца.

Образцы соединений затягивались с помощью динамометрического ключа (рис. 5).

В качестве дополнительных мер для компенсации податливости на всех диаметрах соединяемой арматуры применялись анкерно-клеевые составы разных видов. По результатам предварительных результатов испытаний для лабораторных исследований был выбран анкерно-клеевой состав на цементной основе и состав на основе эпоксидной смолы. Технология заполнения соединительной муфты принималась в соответствии с инструкциями производителей составов.

Общий вид образца, заполненного составом на цементной основе, показан на рис. 6.

Для контроля фактической прочности арматурного проката были выполнены испытания цельных стержней.

Методика испытаний винтовых муфтовых соединений арматурных образцов

В соответствии с требованиями ГОСТ 34278–2017 к муфтовым соединениям арматуры предъявляются требования при растяжении в соответствии с табл. 1.

Для определения свойств, указанных в табл. 1, образцы соединений арматуры испытывались на растяжение в соответствии с методикой ГОСТ 34227.

Перед испытанием арматурные стержни размечались с шагом 10 мм для определения равномерного удлинения арматуры δ_р после разрушения соединения.

В соответствии с методикой испытаний по ГОСТ 34227 перед определением разрывного усилия необходимо выполнить испытания образца на деформативность. Для этого на образцы устанавливались приборы для измерения деформативности (податливости) часового типа с ценой деления 0,01 мм. Схематично расположение измерительных приборов для определения деформативности показано на рис. 7 а. База измерения деформаций L при испытании образцов соединений принималась равной длине муфтового соединения, за которую принимается длина муфты плюс длины контргаек, плюс расстояние, равное не менее одного диаметра и не более трех диаметров соединяемой арматуры, отложенных с каждой стороны соединения (рис. 8).

При испытаниях муфтовых соединений использовался первый способ определения деформативности по ГОСТ 34227.

После определения деформативности приборы снимали, и образец доводился до разрушения с фиксацией максимальной нагрузки.

После разрушения образца по ранее нанесенным меткам на арматурных стержнях определяли их равномерное удлинение δ_р.

Для сравнения результатов исследований были испытаны образцы целых стержней арматуры по методике ГОСТ 12004. Образцы целых стержней взвешивались с точностью до 1,0 г, была измерена их длина с точностью до 1,0 мм. По результатам взвешивания и измерения длины целых стержней определялась фактическая площадь их поперечного сечения.

Для проведения испытаний применялась испытательная гидравлическая машина Instron 1000 HDX (предельная нагрузка 1000 кН).

Результаты испытаний

Результаты испытаний образцов муфтовых соединений арматуры представлены в табл. 4. Результаты испытаний образцов целых стержней арматуры представлены в табл. 3.

Анализ результатов испытаний

Было изготовлено и испытано 63 образца различных типов соединений винтовой четырехсторонней (четырехрядной) арматурой класса Ав500П диаметром 20, 25 и 36 мм.

Разрушение всех образцов всегда происходило по основному металлу (рис. 9).

Диаграммы растяжения образцов представлены на рис. 10.

Установлено, что момент затяжки контргаек и анкерно-клеевые составы внутри муфты не влияют на итоговую прочность соединений, так как разрушение всегда происходило по основному металлу стержней на всех диаметрах. Предел текучести наступалпри тех же значениях, что и у цельных стержней (более 500 МПа) также на всех диаметрах.

Деформативность соединений значительно увеличивается по мере увеличения диаметра арматуры класса Ав500П. Муфтовые соединения арматуры диаметром 20 и 25 мм с моментом затяжки контргаек в 350 Нм имеют податливость ≤ 0,1 мм. Соединения арматуры диаметром 25 мм удовлетворяли требованиям по деформативности ГОСТ 34278 (за исключением образцов, подвергшихся заморозке). Деформативность муфтовых соединений арматуры диаметром 36 мм также удовлетворяла требованиям по деформативности ГОСТ 34278 (кроме образцов с клеевым составом Master Flow).

Заключение и рекомендации

На основе проведенных испытаний можно заключить, что для образцов винтовой арматуры класса Ав500П диаметром 20 и 25 мм с муфтовыми соединениями достаточным условием выполнения требования по податливости ГОСТ 34278–2016 является применение анкерно-клеевых составов с затяжкой контргаек 350 Нм. Для арматуры класса Ав500П диаметром 36 мм эффективным способом выполнения требований по податливости является применение анкерно-клеевых составов с затяжкой контргаек до 1000 Нм.

Прочностные (σ_В) и пластические (δ_Р) свойства муфтовых соединений винтовой арматуры класса Ав500П полностью соответствуют требованиям ГОСТ 34278.

На основании проведенных исследований подготовлены рекомендации по внесению изменений в ГОСТ 34278–2016.

По результатам работы даны рекомендации по основным характеристикам минеральных составов, которые рекомендуются к применению на строительной площадке: прочность составов 62,5 МПа и выше; растекаемость по ГОСТ 34532–2019 «Цементы тампонажные. Методы испытаний» 26–28 см; отсутствие сегрегации при введении состава в полость муфты. Для нагнетания минеральных составов в полость муфтового соединения возможно применение ручных инъекторов с объемом 350 мл. В производственных условиях могут применяться героторные насосы малой производительности. Прочность состава на основе эпоксидной смолы также должна быть выше 62,5 МПа. Для нагнетания в полость муфты составов на основе эпоксидной смолы возможно использование ручного инъектора. Для эффективного заполнения полости муфты клеевым составом в стенке средней части муфты целесообразно предусмотреть отверстие диаметром 5–6 мм в зависимости от диаметра арматуры. Чтобы состав заполнял полость муфты равномерно, между торцами стыкуемых стержней целесообразно предусматривать зазор 5–6 мм.

Опытным путем установлено, что в результате использования механических соединений с анкерно-клеевыми составами возможна экономия по расходу материалов и по трудозатратам по сравнению с нахлесточными, сварными, обжимными и винтовыми нарезными фирмы Ancon.