Экспериментальное исследование механического поведения и сцепления исторических китайских арматур в период с 1912 по 1949 год

Почему старый бетон по-прежнему важен

Во многих китайских городах бетонные здания начала XX века стали проводником современной жизни, сочетая западную инженерию с местными традициями. Эти сооружения теперь являются ценным культурным наследием, но стальные стержни, скрытые в их бетоне, изготавливали совсем иначе, чем современную арматуру. Чтобы безопасно ремонтировать или усиливать эти стареющие здания, инженерам сначала нужно знать, как именно ведут себя исторические стержни при растяжении или при начале скольжения внутри окружающего бетона.

Скрытая сталь в знаковых зданиях

В период с 1912 по 1949 год в Китае применяли железобетон в самых разных значимых сооружениях. Арматурные стержни в этих зданиях имели несколько форм: квадратные стержни с прямыми ребрами, спиральные (гели́ческие) стержни и плоские, уплощённые стержни. В отличие от современной арматуры, которая выглядит достаточно однородно, у старых стержней были весьма разные рисунки поверхности и размеры. Авторы собрали шесть репрезентативных типов исторической арматуры непосредственно из подлинных зданий той эпохи, а также бетон, приготовленный по тогдашним рецептурам, чтобы зафиксировать поведение «оригинальных» материалов, а не полагаться на современные заменители.

Испытание столетней стали

Чтобы исследовать их прочность, команда сначала провела испытания на растяжение, в ходе которых металлический стержень растягивают до текучести и окончательного разрушения. Измеряли, какую нагрузку каждый стержень выдерживает, насколько он удлиняется и как уменьшается площадь поперечного сечения перед разрушением. Выяснилось, что спиральные стержни в целом достигали более высокой пределной прочности на разрыв, чем квадратные, но были менее пластичны, то есть могли меньше удлиняться до разрушения. Стержни меньшего диаметра обычно сильнее удлинялись и демонстрировали более выраженное «перетяжение» (necking) перед разрывом. По сравнению с современной арматурой HRB400 эти исторические стали в целом были слабее и имели иное поведение при растяжении, что важно при прогнозировании реакции старой балки или колонны на нагрузку.

Как сталь сцепляется с бетоном

Один лишь предел прочности не обеспечивает безопасность конструкции; не менее важно, как сталь и бетон сцепляются между собой. Авторы изучили поведение «сцепление–скольжение» с помощью выдергивающих испытаний, в которых короткий участок арматуры заделывали в бетонный блок и тянули, фиксируя относительное смещение, или скольжение. Они варьировали скорость выдергивания — медленную, среднюю и быструю — и отслеживали, как меняется напряжение сцепления при скольжении. Чтобы сравнить очень разные рисунки ребер, ввести единый показатель, авторы использовали отношение относительной площади ребра, которое отражает, какая площадь ребристой поверхности доступна для захвата бетоном. В общем, стержни с большей эффективной площадью ребер, такие как спиральные и уплощённые типы, развивали более высокую прочность сцепления. Увеличение скорости выдергивания немного повышало максимальное сцепление — примерно до 8% — но также приводило к более быстрым и иногда более резким разрушениям, особенно потому, что окружающий исторический бетон относительно слаб.

Связь формы поверхности и захвата

Аппроксимируя экспериментальные данные плавными кривыми, исследователи получили «типичные» кривые сцепление–скольжение для каждого из шести типов арматуры. Эти кривые описывают, как напряжение сцепления растёт, достигает пика и затем падает по мере увеличения скольжения, и они хорошо согласуются с измерениями. Команда затем предложила упрощённую аналитическую модель, объясняющую сцепление главным образом механическим зацеплением: тем, как бетон входит в зацепление с ребрами стержня. Модель связывает прочность сцепления как с прочностью бетона на сжатие, так и с отношением площади ребра, используя один коэффициент зацепления, откалиброванный по экспериментам. Сравнение предсказаний модели с результатами испытаний показало среднюю погрешность по прочности сцепления менее 7%, что указывает на то, что это компактное описание улавливает основное поведение интерфейса историческая сталь—бетон.

Что показывает внутренняя структура металла

В исследовании также изучали микроструктуру стали под микроскопом. Во всех исторических стержнях не обнаружили явных вредных включений, но они различались соотношением двух основных фаз: мягкой пластичной ферритной фазы и более твёрдой, прочной перлитной фазы. Спиральные и уплощённые стержни, особенно один тип спирали, содержали значительно больше перлита, чем квадратные стержни. Это помогает объяснить, почему такие стержни были прочнее, но менее деформативны, и почему они иногда разрушались без чётко выраженной области текучести. Авторы предполагают, что эти различия, вероятно, возникают из-за вариаций термообработки — в частности скоростей охлаждения при отжиге — а не из совершенно иного метода прокатки.

Что это значит для сохранения старых зданий

Для неспециалиста ключевая мысль такова: стальной остов в ранних китайских железобетонных зданиях ведёт себя иначе, чем современная арматура. Его форма, рисунок поверхности и внутренняя структура металла по‑разному влияют на сцепление с бетоном и характер разрушения. Экспериментальные данные и новая упрощённая модель сцепление–скольжение дают инженерам по сохранению наследия реалистичные числовые параметры и инструменты проектирования, адаптированные к строительному фонду 1912–1949 годов. С их помощью можно проводить более точные расчёты и проектировать ремонтные работы, учитывающие и безопасность, и ценность наследия, помогая историческим бетонным памятникам прослужить ещё одно столетие.

Цитирование: Lin, B., Chun, Q. Experimental study on mechanical behavior and bond-slip of historical Chinese rebars during 1912 to 1949. npj Herit. Sci. 14, 23 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02300-5

Ключевые слова: исторармированный бетон, стальная арматура, поведение сцепления-скольжения, сохранение наследия, строительная инженерия