Взаимодействие скорости разгрузки и влажности на поведение раствора при дифференциальной циклической нагрузке

Почему вода и напряжение важны для повседневного бетона

От плотин и насыпей до мостов и туннелей — большая часть нашей критической инфраструктуры выполнена из бетона или раствора, которые постоянно намокают, высыхают и испытывают чередующиеся нагрузки. Когда уровни воды в водоёмах поднимаются и опускаются или движение транспорта и волны происходят циклически, материал в сооружениях многократно сжимается и разжимается. В этом исследовании рассматривается простой, но важный вопрос: как изменение влажности и несимметричные циклы нагружения‑разгружения совместно влияют на прочность и долговечность раствора — цементно‑песчаной смеси, связывающей бетон?

Бетон при реальном чередовании нагрузок

Большинство лабораторных испытаний сжимают и разжимают образцы с одинаковой скоростью каждый раз — это упрощает анализ, но не отражает реальных условий. В реальных плотинах, например, уровень воды часто поднимается медленно и быстро опускается, поэтому материал нагружается и разгружается с разными скоростями. Авторы называют это «многоуровневой дифференциальной циклической нагрузкой»: максимальная нагрузка в каждом цикле увеличивается ступенчато, а скорости нагружения и разгружения различаются. При этом бетон может быть сухим, частично влажным или полностью насыщенным водой. Чтобы имитировать такие условия, команда приготовила призмы из раствора, контролировала их влажность на трёх уровнях (0,00 %, 6,99 % и 13,98 % по массе) и подвергала их повторным циклическим нагрузкам в испытательной машине, фиксируя деформации и характер разрушения.

Построение системных испытаний с контролируемой влажностью

Для создания реалистичных состояний влажности исследователи сначала полностью высушивали часть образцов, затем замачивали их в воде, измеряя прирост массы с течением времени. Это позволило выделить полунасыщенное состояние около 6,99 % и полностью насыщенное при 13,98 %. Отдельные одноразовые испытания на сжатие подтвердили: более влажные образцы были слабее и более деформируемы, чем сухие. Опираясь на эти данные, они провели в сумме 45 циклических испытаний, сочетая три уровня влажности с пятью различными скоростями разгрузки от очень медленных до очень быстрых, при фиксированной скорости нагружения. В каждом тесте максимальная нагрузка увеличивалась на фиксированную величину в каждом цикле до разрушения образца, а машина непрерывно регистрировала напряжение и деформацию.

Как влажность и скорость разгрузки изменяют поведение

При таких ступенчатых циклах кривые «напряжение—деформация» раствора образовывали петли, показывающие, какая часть деформации не восстанавливалась между циклами. Для более влажных образцов и при более быстром разгружении эти петли становились плотнее и смещались вправо, что означало накопление большего постоянного остаточного деформирования и разрушение при более низком напряжении. Авторы отслеживали нарастание деформации от цикла к циклу и обнаружили чёткую, почти линейную зависимость суммарной деформации от числа циклов. Это простое линейное правило сохранялось при разных влажностях и режимах нагружения, что указывает на его применимость для прогнозирования приближения структуры из подобного раствора к разрушению. Они также разделили жесткость на модуль при нагружении (жёсткость при сжатии) и модуль при разгружении (при разжатии). Многократные циклы сначала способствовали уплотнению микротрещин и пор, временно увеличивая жёсткость, но большая влажность последовательно снижала оба модуля и делала материал более чувствительным к режиму приложения нагрузки.

Энергия, повреждение и скрытые пороги

Поскольку образование трещин и пластическая деформация поглощают энергию, команда проанализировала, сколько механической энергии вводится в образцы, сколько восстанавливается и сколько необратимо диссипируется в виде повреждений. Они показали, что влажный раствор требует значительно меньшей общей энергии для разрушения: полностью насыщенные образцы поглощали лишь около одной десятой энергии, необходимой сухим образцам. Отношение диссипированной к введённой энергии менялось нерегулярно при очень медленных скоростях разгрузки, но становилось устойчивым, когда скорость разгрузки превышала примерно 2,0 кН/с. Аналогично, при сравнении сухого, полунасыщенного и полностью насыщенного состояний обнаружился выраженный порог около среднего уровня влажности (6,99 %), при котором тренды изменения энергетических компонентов в зависимости от скорости разгрузки меняли направление. Индикатор повреждения, выведённый из накопленной диссипированной энергии, возрастал экспоненциально с числом циклов, а более высокая влажность как увеличивала суммарное повреждение, так и сглаживала различия между скоростями разгрузки.

Что это означает для плотин и других сооружений

Проще говоря, исследование показывает, что вода делает раствор не только мягче и слабее, но и более склонным к скрытой усталости при неравномерном чередовании нагрузок. Существуют критические комбинации — примерно полунасыщение и скорость разгрузки около 2,0 кН/с — при которых характеристики жёсткости и энергетического поведения материала меняются качественно. Для инженеров выявление таких порогов важно при оценке старения плотин, насыпей и других бетонных сооружений, подвергающихся воздействию воды в реальных условиях эксплуатации. Результаты указывают на то, что долгосрочную безопасность нельзя судить только по прочности; история намокания‑сушки и детали того, как нагрузки прикладываются и снимаются, не менее важны для прогнозирования накопления опасных повреждений.

Цитирование: Liu, Z., Cao, P., Liu, L. et al. Coupled effect of unloading rate and water content on mortar under differential cyclic loading. Sci Rep 16, 5927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36289-5

Ключевые слова: долговечность бетона, циклическая нагрузка, водонасыщение, безопасность дамбы, усталость материала