Стали, применяемые в строительстве

Конструкционные стали. Стали, применяемые в строительстве, называют конструкционными. В них содержится не более 0,5...0,6 % углерода. Они могут быть углеродистыми и легированными, обладающими высокими механическими свойствами. Углеродистой называют нелегированную сталь, содержащую 0,04...2 % углерода. Кроме того, в ее состав входят постоянные примеси — кремний и марганец, а также вредные — фосфор и сера (их содержание не должно превышать 0,05...0,06 %). В зависимости от содержания углерода такие стали делятся на низко- (до 0,25 % углерода), средне- (до

0,25...0,6 %) и высокоуглеродистые (свыше 0,65 %). С повышением содержания углерода уменьшается пластичность и повышается твердость стали; ее прочность также возрастает, но при содержании углерода более 1 % вновь снижается. Повышение прочности и твердости стали объясняется увеличением содержания в ней твердого компонента — цементита. Стали разделяют на сталь общего назначения и сталь качественную.

Углеродистые стали общего назначения при плавке меньше очищают от вредных примесей, чем качественные стали, и поэтому они содержат больше серы и фосфора. Из них отливают крупные слитки, применяют для изготовления горячекатаного проката (балок, швеллеров и уголков, листов, прутков), а также строительных конструкций.

Углеродистые качественные стали имеют более высокие показатели качества и химического состава, чем стали общего назначения. Их применяют для сварных конструкций в мостостроении, судостроении, машиностроении.

По назначению углеродистые стали подразделяются на конструкционные и инструментальные.

Конструкционные стали содержат не более 0,65 % углерода. Их применяют для изготовления арматуры железобетонных конструкций.

Используемые в строительстве конструкционные углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и специальные.

Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют на группы А, Б, В, учитывающие условия поставки. Для стали группы А нормируют механические свойства (пределы прочности и текучести, относительное удлинение, способность к изгибу в холодном состоянии), группы Б — химический состав, группы В — одновременно химический состав и механические свойства.

Каждая группа включает несколько марок стали — от СтО до Стб. С увеличением номера возрастает прочность стали и уменьшается ее пластичность.

Легированными или специальными называют стали, в которые вводят легирующие элементы (от греч. «лега» — сложное). Легирующими называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее структуры и свойств. Си, Si, Сг, Mo, Ni и др. повышают у стали коррозионную стойкость; Si, Cr, W, Ni, Мп и др. — твердость и прочность; V, Со, Ni — вязкость; Cr, Ni, Мп — сопротивление истиранию и т.д.

Конструкционные строительные низколегированные стали отличаются коррозионной стойкостью и применяются для изготовления строительных стальных конструкций (ферм мостов, нефтепроводов, газопроводов и др.), а также арматуры для железобетонных конструкций.

В железобетонных конструкциях применяют простые углеродистые стали и низколегированные арматурные стали в виде проволоки и стержней гладких или периодического профиля. Ненапряженные железобетонные конструкции, в которых сталь испытывает небольшие напряжения, армируют простыми углеродистыми сталями и низколегированными сталями.

Свойства сталей. Широкому использованию в строительстве сталь обязана своим высоким физико-механическим показателям, технологичности (возможности получения из нее конструкций различными методами) и большим объемом производства. Сталь обладает рядом характерных свойств.

Плотность стали 7850 кг/м³, что приблизительно в три раза выше плотности каменных материалов.

Рис. 12.6. Диаграмма деформации стали при растяжении

Прочность и деформативные свойства обычно определяются испытанием стали на растяжение. При этом строится диаграмма «напряжение — деформация».

Сталь, как и другие металлы, ведет себя как упругопластичный материал (рис. 12.6). В начале испытаний деформации у стали пропорциональны напряжениям.

Максимальное напряжение, при котором сохраняется эта зависимость, называется пределом пропорциональности а_у (при этом напряжении остаточные деформации не должны превышать 0,05 %).

При дальнейшем повышении напряжения начинает проявляться текучесть стали — быстрый рост деформаций при небольшом подъеме напряжений. Напряжение, соответствующее началу течения, называют пределом текучести ст_т.

Затем наступает некоторое замедление роста деформаций при подъеме напряжений («временное упрочнение»), после чего происходит разрушение образца. Наибольшее напряжение называется временным сопротивлением ст_п, что является фактическим пределом прочности стали R_n.

Относительное удлинение стали е в момент разрыва характеризует ее пластичность. Оно рассчитывается по формуле

где 1₀ — начальная длина расчетной части образца, мм; 1_Х — длина этой части в момент разрыва образца, мм.

Испытание на растяжение является основным при оценке механических свойств сталей.

Модуль упругости стали составляет 2,1-Ю⁵ МПа.

Твердость сталей определяют на твердомерах Бринелля (НВ) или Роквелла (HR) по величине вдавливания индентора (закаленного шарика или алмазной пирамидки) в испытуемую сталь. Твердость поверхности стали можно повышать специальной обработкой (например, цементацией — насыщением поверхностного слоя стали углеродом или закалкой токами высокой частоты).

Ударная вязкость — свойство стали противостоять динамическим (ударным) нагрузкам. Ее значение определяют по величине работы, необходимой для разрушения образца на маятниковом копре. Ударная вязкость зависит от состава стали, наличия легирующих элементов и заметно меняется при изменении температуры. Так, у СтЗ ударная вязкость при +20 °С составляет 0,5... 1,0 МДж/м², а при -20 °С — 0,3...0,41 МДж/м². Ударная вязкость пластичных материалов выше, чем хрупких; с понижением температуры ударная вязкость падает.

С помощью технологических испытаний обнаружена способность стали принимать определенные деформации, аналогичные тем, которые стальное изделие будет иметь при дальнейшей обработке или в условиях эксплуатации. Для строительных сталей чаще всего производят пробу на холодный изгиб.

Теплопроводность стали, как и всех металлов, очень высока и составляет около 70 Вт/(м*°С).

Коэффициент линейного термического расширения стали составляет 11,7 * 10~⁶К.

Температура плавления стали зависит от ее состава и для обычных углеродистых сталей находится в пределах

1500... 1300 °С (чугун с содержанием углерода 4,3 % плавится при 1150 °С).

Температуроустойчивость стали связана с тем, что при нагревании в ней происходят полиморфные превращения, приводящие к снижению прочности. Небольшая потеря прочности наблюдается уже при нагреве выше 200 °С. После достижения температуры 500...600 °С обычные стали становятся мягкими и резко теряют прочность. Поэтому стальные конструкции не огнестойки и их необходимо защищать от действия огня, например, покрытием цементными растворами.

Сортамент стального проката. Сортаментом называют совокупность профилей (форм поперечного сечения изделий) и размеров изделий. Прокатом называются детали и изделия, изготовленные способом прокатки. Прокатка металла происходит при прохождении его между двумя валками прокатного стана, вращающимися в противоположные стороны. При этом металл под давлением валков обжимается, вследствие чего уменьшается толщина полосы и увеличиваются ее ширина и длина. Основную массу прокатных стальных изделий прокатывают в горячем состоянии при температуре 900... 1250 °С (горячая прокатка), небольшую их часть — в холодном состоянии (холодная прокатка). Путем прокатки изготавливают листы, квадратный и круглый профили, швеллеры, рельсы, балки и др. (рис. 12.7).

Рис. 12.7. Основные профили сортовой прокатной стали:

1 — круглая гладкая проволока; 2 — полосовой; 3 — квадратный; 4 — круглый; 5 — швеллерный; 6 — угловой; 7 — тавровый; 8 — двутавровый; 9 — рельсовый

Стальной прокат широко применяется в строительстве зданий, сооружений, мостов, на железнодорожном транспорте, в других отраслях производства.

Стальной прокат разделяют на четыре основные группы: листовая сталь, сортовая сталь, специальные виды стали и трубы.

Листовую сталь разделяют на два основных вида: тонколистовую — листы толщиной меньше 4 мм и толстолистовую — листы толщиной больше 4 мм. Эта сталь имеет разнообразное применение.

Сортовая сталь разделяется на два вида: профили общего назначения (лента, полосовая, квадратная и угловая сталь, проволока различного профиля, швеллеры, двутавровые балки и др.) и профили специального назначения (шпунты, рельсы и др.). Среди всей прокатной продукции наибольшую часть составляет сортовая сталь (около 50 %).

К специальным видам проката (рис. 12.8) относятся периодические профили (попеременное поперечное сечение по длине проката), гнутые профили, цельнокатаные колеса, бандажи и др. К периодическим профилям проката относится, в частности, применяемая в железобетоне арматурная сталь. Гнутые профили изготавливают из ленты или листа толщиной 0,2...20 мм; они весьма широко применяются в строительстве — в оконных переплетах, в строительных конструкциях и др.

Стальные трубы выпускаются бесшовные и сварные, причем в настоящее время производство сварных труб быстро увеличивается.

12.5.

Рис. 12.8. Основные специальные виды стального проката:

1 — накатанный гнутый профиль; 2 — корытный гнутый профиль; 3 — замкнутый несварной гнутый профиль; 4 — замкнутый сварной гнутый профиль; 5 — гофрированный листовой гнутый профиль; 6 — сталь горячекатаная периодического профиля для армирования железобетонных конструкций (арматурная сталь); 7 — трубы