Wzmacnianie zginające belek żelbetowych z użyciem bazaltowego tkaninowo-wzmocnionego zaprawy: badania eksperymentalne i analityczne

Mocniejsze mosty i budynki dzięki cienkiej nowej otulinie

Wiele starzejących się mostów, garaży wielopoziomowych i budynków opiera się na belkach żelbetowych, które nie były projektowane z myślą o dzisiejszym cięższym ruchu i dłuższych okresach użytkowania. Pełna wymiana tych belek jest uciążliwa i kosztowna, dlatego inżynierowie poszukują sprytnych sposobów zewnętrznej poprawy istniejących konstrukcji. W niniejszym badaniu przyjrzano się jednej z takich metod: owinięciu belek cienką, cementową otuliną zawierającą włókna bazaltowe ułożone jak tkanina, aby zwiększyć wytrzymałość i bezpieczeństwo bez konieczności przeprowadzania dużych wyburzeń.

Otulanie zmęczonego betonu skórą bogatą we włókna

Naukowcy skupili się na belkach żelbetowych — elementach przenoszących stropy i pomosty mostów. Z upływem czasu stal w ich wnętrzu może korodować, a beton słabnąć, zmniejszając margines bezpieczeństwa. Obiecującą techniką naprawczą jest Tkaninowo Wzmocniona Zaprawa (TRM), w której drobna siatka włóknista osadzona jest w cienkiej warstwie zaprawy przyklejonej do zewnętrznej powierzchni belki. W przeciwieństwie do konwencjonalnych kompozytów polimerowych z żywicą epoksydową, które mogą tracić wytrzymałość w podwyższonej temperaturze lub na wilgotnych powierzchniach, TRM wykorzystuje zaprawę na bazie cementu, lepiej tolerującą wilgoć i wysoką temperaturę.

Dlaczego tkaniny z bazaltu są atrakcyjną opcją

W badaniu skupiono się na szczególnym rodzaju TRM wykonanym z włókien bazaltowych, zwanym Bazaltową Tkaninowo Wzmocnioną Zaprawą (BTRM). Włókna bazaltowe pozyskiwane są z skały wulkanicznej i cechują się dużą wytrzymałością, dobrą odpornością na korozję oraz potencjalnie niższym kosztem w porównaniu z włóknami węglowymi. Zespół chciał sprawdzić, jak różne decyzje projektowe — takie jak liczba warstw tkaniny, rozmiar oczek siatki, dodanie smukłych prętów bazaltowych wewnątrz otuliny oraz stosowanie kotwienia mechanicznego — wpływają na to, jak bardzo wzrasta wytrzymałość i odporność na uszkodzenia belek żelbetowych owiniętych BTRM.

Testy belek w rzeczywistej skali

Aby odpowiedzieć na te pytania, badacze wykonali sześć belek betonowych w pełnej skali, każda o długości 2,3 metra i zbrojona stalowymi prętami jak w rzeczywistych konstrukcjach. Jedna belka pełniła rolę nie wzmocnionej referencji, a pozostałe pięć zostało owiniętych różnymi otulinami BTRM nakładanymi w kształcie litery U na dolną część i dolne boki. Niektóre belki otrzymały trzy warstwy tkaniny bazaltowej, inne pięć, a jeszcze inne osiem warstw; stosowano drobną siatkę o oczkach 5 milimetrów oraz grubszą o oczkach 34 milimetrów; jedna wersja zawierała dodatkowe pręty bazaltowe wewnątrz otuliny; a inna używała stalowych kotew wklejanych w beton, aby lepiej utrzymać otulinę. Wszystkie belki poddawano obciążeniu w maszynie testowej aż do zniszczenia, podczas gdy przyrządy rejestrowały przenoszone obciążenie i przemieszczenia (ugięcia).

Niewielkie przyrosty nośności, ale uporczywy słaby element

Wzmocnione belki przenosiły od 11 do 18 procent większe obciążenie niż nieowinięta belka kontrolna przed zniszczeniem, co potwierdza, że BTRM może dostarczyć natychmiastowego wzrostu nośności. Jednak zwiększanie liczby warstw tkaniny nie przekładało się na ciągły wzrost wytrzymałości; belki z trzema i pięcioma warstwami osiągały prawie tę samą nośność końcową, co wskazuje, że korzyści osiągają plateau, gdy słabością staje się przyczepność między otuliną a betonem. Rozmiar oczek siatki (5 kontra 34 milimetry) miał niewielki wpływ na ogólną wytrzymałość, a dodatkowe pręty bazaltowe poprawiały wydajność tylko nieznacznie, głównie wygładzając zachowanie po powstaniu rys i zwiększając pochłanianie energii. Kotwy mechaniczne pozwalały belkom ugiąć się bardziej przed awarią, ale niewiele podnosiły maksymalne obciążenie, ponieważ zniszczenie następowało nadal w wyniku odspojenia całej otuliny od powierzchni betonu. W prawie każdej wzmacnianej belce warstwy zaprawy i tkaniny pozostały nienaruszone i oddzielały się czysto od betonu, co ujawnia, że główny problem leży na styku beton–zaprawa.

Bardziej precyzyjne narzędzia projektowe dla bezpieczniejszych remontów

Ponad badaniami laboratoryjnymi autorzy sprawdzili, jak dobrze istniejące metody obliczeniowe przewidują wytrzymałość takich wzmocnionych belek. Powszechnie stosowane formuły projektowe miały tendencję do zaniżania rzeczywistej nośności, gdy używały bardzo konserwatywnych ograniczeń odkształcenia dla tkaniny, lub do zawyżania przyrostu, gdy zakładały idealne związanie między otuliną a betonem. Poprzez staranne porównanie prognoz z danymi z testów, badacze zaproponowali ulepszone, łatwe w użyciu równanie, które lepiej odzwierciedla rzeczywiste zachowanie przy nieidealnej przyczepności, oraz zasugerowali bezpieczne zwiększenie dopuszczalnego odkształcenia tkaniny stosowanego w projektowaniu. Zmodyfikowana formuła dobrze zgadzała się z ich własnymi wynikami testów oraz z opublikowanymi danymi z innych laboratoriów.

Co to oznacza dla konstrukcji w rzeczywistym świecie

Dla osób niezwiązanych bezpośrednio z branżą główne przesłanie jest takie, że owinięcie istniejących belek betonowych cienką otuliną z tkaniny bazaltowej i zaprawy to praktyczny sposób, aby uzyskać około 10–20 procent dodatkowej wytrzymałości i poprawić to, jak łagodnie belki zawodzą, co może przynieść cenny zapas bezpieczeństwa i wydłużyć okres eksploatacji. Jednak pełny potencjał tkanin bazaltowych jest obecnie ograniczony nie przez same włókna, lecz przez to, jak dobrze otulina przylega do istniejącego betonu. Poprawa przygotowania powierzchni, materiałów wiążących i szczegółów kotwienia będzie kluczowa w kolejnych krokach, aby uczynić tę technikę bardziej skuteczną i przewidywalną w wzmacnianiu starzejącej się infrastruktury betonowej na świecie.

Cytowanie: Shamseldein, A., ELgabbas, F., Kohail, M. et al. Flexural strengthening of RC beams using basalt textile reinforced mortar: experimental and analytical investigation. Sci Rep 16, 7382 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37322-3

Słowa kluczowe: wzmacnianie betonu zbrojonego, bazaltowa tkaninowo-wzmocniona zaprawa, tkaninowo-wzmocniona zaprawa, zachowanie zginające belek, modernizacja konstrukcji