Экспериментальное исследование влияния стальных волокон на многоосное поведение легкого бетона

Более легкие здания, которые остаются прочными

Современные города опираются на бетон, но весь этот серый камень тяжёл. Инженеры используют легкий бетон, чтобы уменьшить массу высоких зданий и длинных мостов — это может снизить затраты и повысить энергоэффективность. Но в цене массы скрыт компромисс: более лёгкий материал обычно слабее и более хрупкий. В этом исследовании поставлен простой, но важный вопрос: можно ли смешиванием тонких стальных волокон в легком бетоне и одновременным боковым обжатие во время нагружения добиться поведения, близкого к традиционному прочному бетону, используемому в ответственных конструкциях?

Почему легкому бетону нужна подсказка

В легком бетоне часть обычного щебня заменяют вспученными пористыми глиняными гранулами, известными как LECA. Эти наполненные воздухом гранулы значительно снижают плотность и улучшают теплоизоляцию, но они также вводят множество мелких пустот и слабых зон. Под большими нагрузками такой бетон склонен к внезапному разрушению вместо постепенной деформации, что нежелательно для колонн или несущих стен, рассчитанных на сопротивление землетрясениям. Инженерам известно, что добавление коротких стальных волокон помогает контролировать трещинообразование, а боковое обжатие (конфайнмент) делает бетон прочнее и более пластичным. Тем не менее совокупное влияние волокон и конфайнмента на легкий бетон при реалистичных трехосных напряжениях ранее не исследовалось систематически.

Как проводили испытания

Исследователи приготовили конструкционный легкий бетон на основе LECA, природного песка, цемента, воды и современного суперпластификатора для поддержания удобоукладочности смеси. Затем были изготовлены варианты этого бетона с тремя разными объемными долями загнутых стальных волокон: 0,5%, 1,0% и 1,5%. Десятки цилиндрических образцов отлили, выдержали и испытали в специальной стальной камере высокого давления. Некоторые цилиндры испытывали только вертикальным сжатием сверху (униаксиальное сжатие), а другие — одновременно вертикально и равномерно со всех сторон (триаксиальное сжатие) при боковом давлении 5 и 10 мегапаскалей — уровнях, соизмеримых с тем, что бетон испытывает глубоко внутри сильно нагруженной колонны.

Что произошло при сжатии бетона

При простом вертикальном нагружении добавление стальных волокон дало очевидную пользу. Смесь с примерно 1% волокон показала примерно на 40% большую прочность при сжатии по сравнению с немодифицированным легким бетоном и продемонстрировала более жесткую, плавную кривую напряжение–деформация, то есть могла нести большую нагрузку и деформироваться немного больше до отказа. Однако при повышении содержания волокон до 1,5% прирост прочности застопорился, а разброс результатов увеличился, вероятно, из‑за образования сгустков волокон и нарушения однородности цементного камня. Во всех случаях волокна действовали как крошечные «швы» через микротрещины, замедляя их рост и превращая внезапное расщепление в более контролируемое разрушение.

Конфайнмент превращает хрупкое дробление в контролируемое повреждение

Когда цилиндры дополнительно обжимались со стороны, поведение резко изменилось. Даже немодифицированный легкий бетон стал значительно прочнее под конфайнментом, но наибольшие улучшения наблюдались при совместном действии конфайнмента и волокон. При боковом давлении 10 мегапаскалей прочность на сжатие немодифицированного легкого бетона составляла около 33 мегапаскалей. С 1% волокон это значение выросло примерно до 45 мегапаскалей, а при 1,5% волокон — до примерно 55 мегапаскалей — то есть примерно на две трети выше, чем у ограниченной обычной смеси без волокон. Механизм разрушения также изменился. Вместо длинных вертикальных трещин, рвущих образцы, ограниченные смеси с волокнами показывали более короткие наклонные трещины, локализованные участки дробления и явные признаки выдергивания волокон, а не их обрыва. Бетон дольше сохранял целостность, поглощая больше энергии до потери несущей способности.

Перевод результатов на язык проектирования

Чтобы сделать выводы полезными для проектирования, команда проанализировала данные стандартными инженерными моделями, связывающими боковое давление с прочностью. Ключевой показатель — коэффициент эффективности конфайнмента (обозначаемый K) — описывает, какую дополнительную прочность даёт боковое сжатие. Для немодифицированного легкого бетона это значение при большем конфайнменте было около 1,8, заметно ниже типичных значений для бетона нормальной плотности. При 1,5% волокон K увеличивался примерно до 3,4 — в пределах, характерных для обычного конструкционного бетона. Иными словами, добавив умеренное количество стальных волокон и обеспечив достаточный конфайнмент, инженеры могут добиться, чтобы легкий бетон в сложных условиях нагружения вел себя по свойствам намного ближе к более тяжёлому аналогу.

Что это значит для повседневных конструкций

Для неспециалистов главный вывод прост: можно строить более лёгкие конструкции, не жертвуя значимо безопасностью и надёжностью. Исследование показывает, что тщательно подобранные дозы стальных волокон (порядка 1% для слабоконфайнментированных элементов и до 1,5% для хорошо зажатых) способны компенсировать природные слабости легких заполнителей. Когда такие смеси с повышенным содержанием волокон применяют в колоннах, ядровых стенах или сборных модулях, уже удерживаемых окружающими элементами, бетон может воспринимать большие нагрузки, деформироваться более пластично при землетрясениях и меньше подвергаться катастрофическому растрескиванию. На практике это открывает путь к более тонким, лёгким строительным элементам, соответствующим строгим требованиям по прочности и поведению в эксплуатации.

Цитирование: Sorkohi, S.M., Hashemi, S.K., Naghipour, M. et al. Experimental investigation of the effect of steel fibers on the multiaxial behavior of lightweight concrete. Sci Rep 16, 6461 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36168-z

Ключевые слова: легкий бетон, стальные волокна, обжатие, триосное сжатие, элементы конструкций