Растягивающее усиление железобетонных балок с использованием базальтовой текстильной арматуры в растворе: экспериментальное и аналитическое исследование

Более прочные мосты и здания с тонкой новой оболочкой

Многие стареющие мосты, паркинги и здания опираются на железобетонные балки, которые изначально не проектировались под современные увеличенные нагрузки и более долгие сроки службы. Полная замена таких балок сопряжена с большими затратами и разрушениями, поэтому инженеры ищут разумные способы модернизировать существующие конструкции снаружи. В этом исследовании рассматривается один из таких методов: обертывание балок тонкой цементной оболочкой, содержащей базальтовые волокна, уложенные в виде ткани, с целью повысить прочность и безопасность без капитальных демонтажных работ.

Обертывание уставшего бетона волокнисто-богатой «кожей»

Исследователи сосредоточились на железобетонных балках — основных элементах, несущих перекрытия и мостовые плиты. Со временем сталь внутри таких балок может корродировать, а бетон — ослабевать, что уменьшает запасы прочности. Перспективный метод ремонта — текстильная арматура в растворе (TRM), при котором тонкий слой раствора с тонкой сеткой волокон приклеивают к внешней поверхности балки. В отличие от традиционных композиционных материалов на эпоксидной основе, которые теряют прочность при нагреве или на влажных поверхностях, TRM использует цементный раствор, более стойкий к влаге и высоким температурам.

Почему базальтовые ткани — привлекательный вариант

В работе подробно изучали разновидность TRM с базальтовыми волокнами — базальтовый текстиль в растворе (BTRM). Базальтовые волокна получают из вулканических пород; они обладают высокой прочностью, хорошей коррозионной стойкостью и потенциально могут быть дешевле углеродных волокон. Команда хотела выяснить, как разные проектные решения — число слоёв текстиля, размер ячеек сетки, добавление тонких базальтовых стержней внутри оболочки и использование механических анкеров — влияют на то, насколько прочнее и пластичнее становятся железобетонные балки, обёрнутые BTRM.

Испытания балок в натуральную величину

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи отлили шесть полноразмерных бетонных балок длиной 2,3 м, с арматурой внутри, как в реальных конструкциях. Одна балка служила некреплёной для сравнения, а остальные пять были обёрнуты разными BTRM-оболочками, нанесёнными в U-образной форме по нижней и нижним боковым поверхностям. Некоторые балки получили три слоя базальтового текстиля, другие — пять или даже восемь слоёв; использовались как мелкая сетка с шагом 5 мм, так и более крупная с шагом 34 мм; в одном варианте добавили дополнительные базальтовые стержни в оболочку; в другом применили стальные анкеры, приклеенные в бетон, чтобы лучше удерживать оболочку. Все балки нагружали в испытательной машине до разрушения, в то время как приборы регистрировали несущую способность и прогибы.

Умеренный прирост прочности, но упрямая слабая точка

Усиленные балки воспринимали на 11–18 % большую нагрузку по сравнению с необёрнутой контрольной балкой до разрушения, что подтверждает, что BTRM даёт немедленное повышение несущей способности. Однако увеличение числа слоёв текстиля не приводило к неограниченному росту прочности: балки с тремя и пятью слоями достигали почти одинаковой предельной нагрузки, что указывает на насыщение эффекта, когда определяющим становится срыв сцепления оболочки с бетоном. Размер ячеек сетки (5 против 34 мм) мало влиял на общую прочность, а дополнительные базальтовые стержни лишь немного улучшали характеристики, в основном сглаживая поведение после образования трещин и повышая энергоёмкость. Механические анкеры позволяли балкам прогибаться сильнее перед разрушением, но значительно не увеличивали максимум нагрузки, поскольку отказ всё равно происходил при отслоении всей оболочки от бетонной поверхности. В почти всех усиленных балках слои раствора и текстиля оставались целыми и отделялись от бетона чистым разрывом, что показывает: основная проблема сосредоточена на интерфейсе бетон–раствор.

Более точные расчётные инструменты для безопасного усиления

Помимо лабораторных испытаний, авторы проверили, насколько хорошо существующие расчётные методы предсказывают прочность таких усиленных балок. Распространённые формулы склонны занижать фактическую несущую способность при использовании очень консервативных пределов деформации текстиля, или переоценивать выигрыш, если предполагать идеальное сцепление оболочки с бетоном. Тщательно сравнив предсказания с данными испытаний, исследователи предложили уточнённую, простую в применении формулу, которая лучше учитывает реальное поведение при несовершенном сцеплении, а также рекомендовали безопасно увеличить допускаемую деформацию текстиля, используемую в расчётах. Эта модифицированная формула хорошо согласуется с их собственными результатами и опубликованными данными других лабораторий.

Что это означает для реальных конструкций

Для неспециалистов основной вывод таков: обёртывание существующих железобетонных балок тонкой базальтовой текстильной оболочкой в цементном растворе — практичный способ получить примерно 10–20 % дополнительной прочности и улучшить характер разрушения, что приносит выигрыш в безопасности и сроке службы. Однако полная эффективность базальтовых тканей в настоящее время сдерживается не самими волокнами, а качеством сцепления оболочки со старым бетоном. Улучшение подготовки поверхности, материалов для склеивания и деталей анкеровки станет ключевым шагом для того, чтобы этот метод стал более мощным и предсказуемым инструментом усиления стареющей бетонной инфраструктуры в мире.

Цитирование: 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

Ключевые слова: усиление железобетона, базальтовая текстильная арматура в растворе, текстильная арматура в растворе, изгибная работа балок, структурное восстановление