Изгибная работа железобетонных балок, усиленных листами CFF и SCCFL при циклической нагрузке

Более прочные мосты и здания для мира, который качается

Многие железобетонные мосты и здания, на которые мы опираемся ежедневно, постепенно изнашиваются под воздействием движения, ветра и даже не сильных землетрясений. Снос и полная перестройка стоят дорого и приводят к большим неудобствам, поэтому инженеры ищут разумные способы дать стареющим конструкциям вторую жизнь. В этом исследовании изучается, как тонкие листы углеродного волокна — некоторые из них с силиконовым покрытием — можно приклеивать к нижней стороне железобетонных балок, чтобы сделать их прочнее и долговечнее при многократных растягивающих и сжимающих нагрузках, как это происходит в реальных эксплуатируемых сооружениях.

Высокотехнологичная «повязка» для усталого бетона

Современные бетонные балки обычно содержат стальные арматурные стержни внутри для восприятия растяжения, но со временем эти стержни могут корродировать или балки трескаться под повторяющимися большими нагрузками. Вместо добавления громоздких новых опор инженеры теперь могут приклеивать гибкие листы углеродного волокна к внешней поверхности балки, как прочную медицинскую повязку. Углеродное волокно чрезвычайно лёгкое и при растяжении прочнее стали, к тому же оно не ржавеет. В этой работе исследователи сравнили два таких материала: традиционную ткань из углеродного волокна и более новую ламинацию с силиконовым покрытием. Силиконовое покрытие призвано улучшить сцепление углерода с бетоном и защитить его от воздействия окружающей среды.

Как команда испытывала усиленные балки

Исследователи отлили пятнадцать бетонных балок, по размеру похожих на те, что используются в небольших мостах или перекрытиях зданий. Три балки оставили без изменений в качестве контрольных образцов. Остальные усилили, приклеив либо один, либо два слоя тканого углеродного волокна либо силикон- покрытой ламинации к нижней стороне — той стороне, которая растягивается при изгибе. Все балки затем поместили в испытательную раму и многократно нагружали в двух точках по длине. Нагрузка медленно увеличивалась и уменьшалась циклами, в то время как приборы фиксировали, насколько балки прогибались, как распространялись трещины, насколько сохранялась их жесткость и сколько энергии они поглощали до наступления серьёзных повреждений.

Что происходит при повторяющихся нагрузках

Усиленные балки явно превзошли простые бетонные. Балки с одним слоем тканого углеродного волокна выдерживали примерно на треть большую нагрузку, чем контрольные образцы, а с двумя слоями — ещё лучше. Силикон- покрытые ламинированные материалы показали ещё более впечатляющие результаты: один слой позволял балкам выдерживать примерно на две трети большую нагрузку по сравнению с контролем, а два слоя почти удваивали грузоподъёмность. Эти усиленные балки также прогибались меньше при той же нагрузке, демонстрировали более мелкие и чаще расположенные трещины и задерживали первое появление видимых трещин примерно с 1,5 кН для контрольных балок до более 4,5 кН для балок с силикон- покрытыми ламинированными листами. Измерения петель нагрузка—деформация показали, что покрытые ламинации помогали балкам рассеивать больше энергии в каждом цикле, что свидетельствует о лучшей работе при воздействии вибраций или транспортных нагрузок.

Почему силикон- покрытые углеродные материалы выделялись

Помимо простой прочности, имел значение и характер разрушения балок. Контрольные балки разрушались через большие изгибные трещины и раздавливание бетона в верхней части. Балки с обычной тканью из углеродного волокна склонны были терять прочность, когда ткань начинала отрываться от бетона — слабое место на границе раздела. В отличие от них, силикон- покрытые ламинированные листы оставались более прочно сцепленными. Когда такие балки в конце концов выходили из строя, это обычно происходило через постепенное раздавливание бетона или разрывы ламинации после многих циклов нагрузки, а не внезапное отслоение. Такое поведение указывает на то, что силиконовый слой улучшает сцепление между углеродом и бетоном, помогая усиленным балкам дольше сохранять жесткость и способность поглощать энергию при повторяющихся нагрузках.

Что это значит для повседневных сооружений

Для непрофессионалов вывод прост: аккуратно нанесённые «обёртки» из углеродного волокна могут значительно продлить срок службы и повысить безопасность существующих бетонных конструкций, а силикон- покрытые ламинированные листы в этой статье оказались наиболее эффективным из опробованных вариантов. Почти в некоторых случаях удваивая изгибовую прочность, задерживая появление трещин и уменьшая потерю жесткости при многочисленных циклах нагрузки, эти тонкие листы представляют практичный способ модернизации старых мостов и зданий, чтобы они лучше выдерживали движение, ветер и землетрясения без капитальной реконструкции. По мере того как города сталкиваются со стареющей инфраструктурой и растущими нагрузками, такие методы усиления могут помочь сохранять работу критически важных сооружений дольше и безопаснее.

Цитирование: Sujitha, V.S., Sriram, A.G., Raja, S. et al. Flexural performance of RC beams strengthened with CFF and SCCFL sheets under cyclic loading. Sci Rep 16, 6491 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35884-w

Ключевые слова: усиление углеродным волокном, железобетонные балки, усталость и циклическая нагрузка, реставрация конструкций, долговечность инфраструктуры