Испытания арматуры на растяжение: предел текучести и прочности

Нормативное регулирование испытаний арматуры

Контроль механических свойств арматурной стали выполняется в строгом соответствии с действующими нормативными документами. Основополагающим стандартом методов испытаний является ГОСТ 12004-81, устанавливающий методики определения характеристик при растяжении арматурной стали диаметром от трёх до восьмидесяти миллиметров. Данный межгосударственный стандарт распространяется на проволоку, стержневую арматуру и арматурные канаты круглого и периодического профиля.

Технические требования к самой арматурной продукции регламентируются ГОСТ 34028-2016, который с первого января две тысячи девятнадцатого года заменил ранее действовавшие ГОСТ 5781-82 и ГОСТ 10884-94. Новый стандарт унифицировал требования к горячекатаному и термомеханически упрочнённому арматурному прокату классов А240, А400, А500 и А600, приблизив российские нормы к европейским стандартам. Класс А300 продолжает регламентироваться ГОСТ 5781-82. Переход на обновлённую нормативную базу потребовал от производителей и испытательных лабораторий пересмотра методик контроля качества.

Для железобетонных конструкций применяются требования СП 63.13330.2018, определяющие расчётные сопротивления арматуры различных классов и условия их применения в строительных конструкциях. Испытательные лаборатории должны иметь аккредитацию в соответствии с требованиями технического регламента Федерального закона триста восемьдесят четыре о безопасности зданий и сооружений.

Механические характеристики арматурных сталей

Класс арматуры определяется гарантированным значением предела текучести, выраженным в мегапаскалях. Числовое обозначение в маркировке указывает минимальное нормируемое значение условного или физического предела текучести. Например, арматура класса А500 должна обеспечивать предел текучести не менее пятисот мегапаскалей с обеспеченностью девяносто пять процентов.

Предел текучести арматурной стали

Предел текучести представляет собой критическое напряжение, при котором в материале начинаются необратимые пластические деформации. Для гладкой арматуры класса А240 нормативное значение составляет двести сорок мегапаскалей, фактическое минимальное значение не менее двухсот тридцати пяти мегапаскалей. Наиболее востребованный класс А400 характеризуется пределом текучести триста девяносто мегапаскалей при нормируемом значении четыреста мегапаскалей.

Современная свариваемая арматура А500С с пределом текучести пятьсот мегапаскалей обеспечивает экономию металла до двадцати процентов по сравнению с классом А400 при сохранении несущей способности конструкций. Улучшенная свариваемость достигается оптимизированным химическим составом с пониженным содержанием углерода и контролируемым углеродным эквивалентом не более ноль целых пять десятых процента.

Временное сопротивление разрыву

Временное сопротивление характеризует максимальную нагрузку, которую выдерживает образец арматуры до разрушения. Нормируется не только абсолютное значение, но и отношение временного сопротивления к пределу текучести, которое должно составлять не менее единицы целых двадцать пять сотых. Данный коэффициент гарантирует запас прочности при динамических нагрузках, сейсмических воздействиях и ударах.

Для арматуры А240 временное сопротивление составляет триста семьдесят три мегапаскаля, для А400 - пятьсот девяносто мегапаскалей. Класс А500С обеспечивает временное сопротивление не менее шестисот тридцати мегапаскалей, что превышает аналогичный показатель арматуры А240 почти в два раза.

Относительное удлинение и пластичность

Относительное удлинение после разрыва характеризует способность арматуры к пластической деформации без разрушения. Измеряется на базовой длине, равной пяти номинальным диаметрам стержня. Высокая пластичность обеспечивает перераспределение усилий в статически неопределимых системах и предупредительное разрушение конструкций с образованием трещин до обрушения.

Гладкая арматура А240 обладает максимальной пластичностью с относительным удлинением не менее двадцати пяти процентов, что обусловлено низким содержанием углерода до ноль целых двадцать две сотых процента. Класс А400 обеспечивает удлинение не менее четырнадцати процентов. Свариваемая арматура А500С при номинальном диаметре более десяти миллиметров должна иметь относительное удлинение не менее четырнадцати процентов с дополнительным требованием по равномерному относительному удлинению не менее двух целых пять десятых процента.

Подготовка образцов для испытаний

Качество подготовки испытательных образцов напрямую влияет на достоверность результатов контроля. Согласно ГОСТ 12004-81 для испытаний применяются образцы арматуры с необработанной поверхностью номинальным диаметром от трёх до восьмидесяти миллиметров. Для горячекатаной стержневой арматуры диаметром более двадцати миллиметров допускается использование обточенных цилиндрических образцов с сохранением поверхности проката на головках.

Определение геометрических параметров

Номинальный диаметр периодического профиля соответствует диаметру равновеликого по площади поперечного сечения гладкого стержня. Начальная площадь сечения необработанных образцов вычисляется по специальной формуле через массу, длину и плотность стали. Образцы арматуры взвешиваются на весах по ГОСТ 29329 с точностью до одного грамма, длина измеряется металлической линейкой по ГОСТ 427.

Диаметр круглых и обточенных образцов номинальным диаметром от трёх до сорока миллиметров измеряется штангенциркулем по ГОСТ 166-89 или микрометром по ГОСТ 6507-90. Для арматуры периодического профиля измерения проводятся на участке между поперечными выступами рифления. Замеры выполняются не менее чем в трёх сечениях по длине образца, результат усредняется.

Выбор рабочей длины образца

Рабочая длина образца устанавливается в зависимости от номинального диаметра стержня. Для образцов диаметром до двадцати миллиметров включительно рабочая длина должна составлять не менее двухсот миллиметров. При диаметре свыше двадцати миллиметров рабочая длина принимается равной десяти номинальным диаметрам. Для арматурных канатов всех диаметров устанавливается минимальная рабочая длина триста пятьдесят миллиметров.

Полная длина образца выбирается с учётом конструкции захватов испытательной машины и должна обеспечивать надёжное закрепление концов образца без проскальзывания. Начальная расчётная длина для стержневой арматуры и проволоки устанавливается нормативно-технической документацией на продукцию, для канатов составляет триста миллиметров.

Правка образцов перед испытанием

Допускается проведение правки образца плавным давлением или лёгкими ударами молотка по образцу, лежащему на подкладке. Подкладка и молоток должны быть изготовлены из более мягкого материала, чем испытываемый образец, чтобы исключить наклёп и изменение механических свойств. Правка выполняется только при необходимости и должна быть оговорена в технической документации на арматурную сталь.

Методика проведения испытаний на растяжение

Испытания арматуры на растяжение проводятся при температуре двадцать плюс-минус пять градусов Цельсия на испытательных машинах всех систем при условии их соответствия требованиям ГОСТ 12004-81 и ГОСТ 1497. Испытательная машина должна обеспечивать плавное нагружение без рывков, точное измерение приложенной нагрузки и регистрацию удлинения образца.

Требования к испытательному оборудованию

При проведении испытаний должны соблюдаться следующие обязательные требования: надёжное центрирование образца в захватах для исключения изгибающих моментов; предельная скорость нагружения до предела текучести не более десяти мегапаскалей в секунду; возможность увеличения скорости за пределом текучести при условии, что скорость перемещения подвижного захвата не превышает ноль целых одну десятую рабочей длины образца в минуту.

Шкала силоизмерителя испытательной машины не должна превышать пятикратного ожидаемого значения наибольшей нагрузки для испытуемого образца. Конструкция захватов должна исключать возможность поворота концов образца вокруг оси при нагружении. Для арматурных канатов особо важно предотвращение раскручивания прядей, которое искажает результаты измерений.

Закрепление образца в машине

Образец устанавливается в захваты испытательной машины таким образом, чтобы продольная ось стержня совпадала с направлением действия растягивающей силы. Концы образца закрепляются в неподвижном и подвижном захватах с усилием, достаточным для предотвращения проскальзывания, но не вызывающим местного смятия металла. Для арматуры периодического профиля применяются специальные клиновые захваты с насечкой.

После закрепления образца проверяется соосность установки путём предварительного нагружения малой нагрузкой. Отсутствие изгиба образца контролируется визуально. При обнаружении эксцентриситета нагружения производится переустановка образца. Экстензометр для измерения деформации устанавливается только после приложения начальной нагрузки, составляющей примерно десять процентов от ожидаемой максимальной.

Режим нагружения образца

Нагружение образца производится непрерывно с постоянной скоростью возрастания напряжений до достижения предела текучести. Средняя скорость нагружения на участке упругих деформаций не должна превышать десять мегапаскалей в секунду. Превышение скорости приводит к завышению измеренного значения предела текучести из-за динамических эффектов и запаздывания регистрирующих приборов.

После достижения предела текучести и площадки текучести скорость нагружения может быть увеличена для сокращения времени испытания. При этом скорость перемещения подвижного захвата не должна превышать ноль целых одну десятую рабочей длины образца в минуту. Испытание продолжается до полного разрушения образца с фиксацией максимальной нагрузки.

Определение предела текучести

Предел текучести является основной нормируемой характеристикой арматурной стали, определяющей её класс. Различают физический предел текучести, характеризующийся площадкой текучести на диаграмме растяжения, и условный предел текучести для сталей без выраженной площадки текучести. Метод определения зависит от поведения материала при нагружении.

Физический предел текучести

Для углеродистых и низколегированных сталей классов А240 и А400 характерно наличие площадки текучести на диаграмме нагрузка-удлинение. Физический предел текучести соответствует наименьшему напряжению, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки. На диаграмме это проявляется в виде горизонтального участка после резкого падения нагрузки от максимума.

Значение физического предела текучести определяется делением нагрузки на площадке текучести на начальную площадь поперечного сечения образца. При наличии нескольких площадок текучести принимается наименьшее значение нагрузки. Измерения выполняются с погрешностью не более одного процента от измеряемой величины. Результат округляется до целых мегапаскалей.

Условный предел текучести

Для высокопрочных термомеханически упрочнённых сталей и арматурных канатов характерно отсутствие выраженной площадки текучести. В этом случае определяется условный предел текучести, соответствующий напряжению, при котором остаточная деформация достигает ноль целых две десятых процента от начальной расчётной длины.

Графический метод определения условного предела текучести заключается в построении диаграммы нагрузка-удлинение и проведении прямой, параллельной участку пропорциональной зависимости, на расстоянии ноль целых четыре десятых миллиметра от прямолинейного участка диаграммы в направлении оси абсцисс. Точка пересечения этой прямой с диаграммой растяжения определяет нагрузку, соответствующую условному пределу текучести.

Учёт влияющих факторов

На результаты определения предела текучести влияют температура испытания, скорость нагружения, качество центрирования образца и состояние поверхности. Испытания при температуре ниже двадцати градусов приводят к повышению предела текучести, при температуре выше - к его снижению. Коррозионные поверхностные дефекты глубиной более одной десятой диаметра вызывают концентрацию напряжений и преждевременное разрушение.

Определение временного сопротивления

Временное сопротивление разрыву определяется как частное от деления максимальной нагрузки, зафиксированной в процессе испытания, на начальную площадь поперечного сечения образца. Измерение максимальной нагрузки производится автоматически регистрирующими приборами испытательной машины с сохранением пикового значения даже при последующем падении нагрузки перед разрушением.

Фиксация максимальной нагрузки

Современные универсальные испытательные машины оснащены цифровыми системами регистрации с автоматическим сохранением максимального значения силы. Для машин со стрелочными силоизмерителями применяются стопорные механизмы, фиксирующие положение стрелки в момент достижения пиковой нагрузки. Точность измерения должна составлять не менее одного процента от максимального значения на выбранном диапазоне измерений.

При испытании некоторых видов термомеханически упрочнённой арматуры максимальная нагрузка может достигаться не в момент разрушения, а на промежуточном этапе при образовании шейки. В этом случае критически важна непрерывная регистрация нагрузки на всём протяжении испытания до полного разделения образца на части.

Расчёт временного сопротивления

Временное сопротивление вычисляется по формуле деления максимальной нагрузки в ньютонах на начальную площадь поперечного сечения в квадратных миллиметрах. Результат выражается в мегапаскалях с округлением до целых значений. Для арматуры периодического профиля площадь сечения определяется расчётным методом через массу и длину участка образца с учётом плотности стали семь тысяч восемьсот пятьдесят килограммов на кубический метр.

Контроль отношения временного сопротивления к пределу текучести выполняется для каждого испытанного образца. Несоответствие нормативному значению не менее единицы целых двадцать пять сотых является основанием для отбраковки партии арматуры независимо от соответствия абсолютных значений прочностных характеристик.

Измерение относительного удлинения

Относительное удлинение после разрыва характеризует пластичность арматурной стали и её способность к деформированию без разрушения. Измерения проводятся на базовой длине, включающей место разрыва образца. Различают полное относительное удлинение, определяемое по конечной расчётной длине, и равномерное относительное удлинение, измеряемое до момента образования шейки.

Определение конечной расчётной длины

После разрыва образца обе части складываются таким образом, чтобы они касались по линии излома, и измеряется расстояние между крайними метками участка, включающего место разрыва. Конечная расчётная длина определяется как сумма расстояний между метками на обеих частях разорванного образца. Измерения выполняются с точностью до ноль целых пять десятых миллиметра.

Если разрыв произошёл на расстоянии менее одной трети начальной расчётной длины от ближайшего захвата, испытание считается недействительным и проводится повторно на новом образце. Данное требование обусловлено влиянием концентрации напряжений в зоне захватов на характер деформирования и разрушения материала.

Расчёт относительного удлинения

Относительное удлинение после разрыва вычисляется по формуле как отношение приращения длины образца к начальной расчётной длине, выраженное в процентах. Результат округляется до ноль целых пять десятых процента. По нормативно-технической документации допускается определение относительного равномерного удлинения вместо полного, значение которого должно быть не менее двух процентов для классов А240 и не менее двух целых пять десятых процента для классов А400 и А500.

Для арматуры с переменным сечением по длине, например канатов, применяется экстензометрический метод определения относительного удлинения. Экстензометр устанавливается на базовой длине триста миллиметров и непрерывно регистрирует деформацию образца в процессе нагружения. Полное относительное удлинение определяется по показаниям прибора в момент достижения максимальной нагрузки.

Испытательное оборудование и приборы

Качество и достоверность результатов испытаний напрямую зависят от технического состояния испытательного оборудования и измерительных приборов. Современные строительные лаборатории оснащаются универсальными испытательными машинами с электромеханическим или гидравлическим приводом, обеспечивающими широкий диапазон усилий и скоростей нагружения.

Универсальные испытательные машины

Для испытаний арматуры на растяжение применяются разрывные машины с номинальным усилием от ста до тысячи килоньютонов в зависимости от диаметра испытываемых образцов. Гидравлические машины обеспечивают плавное нагружение и точное поддержание заданной скорости деформирования. Электромеханические машины с винтовым или рычажным приводом характеризуются высокой жёсткостью силовой рамы и минимальными упругими деформациями системы нагружения.

Современные испытательные комплексы включают компьютерную систему управления и регистрации с автоматической обработкой результатов. Программное обеспечение позволяет строить диаграммы нагрузка-удлинение в реальном времени, определять характеристические точки и вычислять все нормируемые параметры. Данные каждого испытания сохраняются в электронном архиве с возможностью последующего анализа.

Захватные устройства для арматуры

Конструкция захватов должна обеспечивать надёжное удержание образца при максимальных нагрузках без проскальзывания и повреждения поверхности в зоне закрепления. Для арматуры периодического профиля применяются клиновые захваты с рифлёными губками, самозатягивающиеся под действием растягивающей нагрузки. Угол наклона клиньев и рисунок насечки подбираются в зависимости от диаметра и профиля испытываемых стержней.

Для гладкой арматуры малых диаметров используются винтовые захваты с регулируемым усилием зажима. Важным требованием является соосность верхнего и нижнего захватов, которая контролируется при первоначальной настройке машины и периодически проверяется в процессе эксплуатации. Несоосность более ноль целых пять десятых миллиметра на длине пятьсот миллиметров вызывает изгиб образца и искажение результатов.

Экстензометры и датчики деформации

Для точного измерения деформации образца применяются механические, оптические или электронные экстензометры с базой измерения от пятидесяти до двухсот миллиметров. Погрешность измерения удлинения не должна превышать ноль целых две сотых миллиметра на базе сто миллиметров. Механические экстензометры с рычажной передачей обеспечивают увеличение перемещения в пятьдесят-тысячу раз, что позволяет фиксировать деформации на упругом участке диаграммы.

Электронные экстензометры с тензометрическими датчиками обладают высокой точностью и быстродействием, позволяют проводить непрерывную регистрацию деформации в цифровом виде. Бесконтактные видеоэкстензометры используют оптическое распознавание меток на поверхности образца и не создают дополнительной нагрузки на измеряемый участок. Выбор типа экстензометра зависит от требуемой точности и характера испытываемого материала.

Оформление протокола испытаний

Результаты испытаний арматуры на растяжение оформляются в виде протокола, который является официальным документом, подтверждающим соответствие продукции требованиям нормативной документации. Протокол составляется по установленной форме и содержит все необходимые сведения для идентификации партии арматуры и оценки её качества.

Обязательные разделы протокола

В протоколе испытаний указываются следующие обязательные данные: наименование и адрес испытательной лаборатории, номер аттестата аккредитации; дата проведения испытаний; сведения о заказчике и поставщике продукции; полное наименование испытанной продукции с указанием класса, диаметра, профиля; номер партии и сопроводительных документов; обозначение нормативного документа, по которому проводились испытания.

Результаты испытаний представляются в табличной форме с указанием для каждого образца номинального диаметра, фактической площади поперечного сечения, нагрузки при пределе текучести, максимальной нагрузки, предела текучести и временного сопротивления в мегапаскалях, относительного удлинения в процентах. Приводятся средние значения характеристик и заключение о соответствии или несоответствии испытанной партии требованиям нормативной документации.

Обработка результатов измерений

При обработке результатов испытаний вычисляются средние арифметические значения предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения по всем образцам из партии. Оценка соответствия проводится путём сравнения минимального единичного значения предела текучести с нормативным для данного класса арматуры. Даже одно значение ниже норматива является основанием для отбраковки всей партии.

Для временного сопротивления контролируется не только абсолютное значение, но и отношение к пределу текучести для каждого образца. Относительное удлинение должно соответствовать нормативным значениям во всех испытанных образцах. При получении результатов, близких к предельным значениям, рекомендуется проведение повторных испытаний на удвоенном количестве образцов для статистической достоверности.

Архивирование документации

Протоколы испытаний подлежат обязательному хранению в архиве испытательной лаборатории в течение срока, установленного внутренними процедурами, но не менее пяти лет. Протоколы на арматуру, применённую в особо ответственных объектах, хранятся в течение всего срока эксплуатации конструкций. Электронные копии протоколов с диаграммами испытаний сохраняются в базе данных лаборатории.