Исследование статической и динамической конститутивной модели кремний-карбидо-модифицированного бетона при высоких температурах

Почему важен более жаропрочный и прочный бетон

От тоннелей и взлетно-посадочных полос до защитных укрытий — многие бетонные конструкции должны выдерживать и экстремальное тепло, и внезапные удары, такие как пожары, взрывы или столкновения. Обычный бетон резко теряет прочность при высоких температурах, что ставит под угрозу людей и инфраструктуру. В этом исследовании изучают, как добавление зерен керамического материала — карбида кремния — помогает бетону сохранять большую прочность при нагреве и при очень быстрой ударной нагрузке, и создают математическое описание поведения такого улучшенного бетона в жестких условиях.

Создание более прочной смеси

Исследователи начали с получения бетона, модифицированного разными количествами и размерами зерен карбида кремния, параллельно с образцами обычного бетона для сравнения. Они использовали стандартный цемент, песок, гравий, воду и пластификатор, затем добавляли порошки карбида кремния различной тонкости — от относительно грубых до очень мелких — и в нескольких дозировках. Цель заключалась в том, чтобы выяснить, как эти частицы, известные своей термостойкостью и твердостью, меняют несущую способность бетона при нагреве и при ударном воздействии.

Испытания бетона на огнестойкость и удар

Чтобы имитировать реальные чрезвычайные ситуации, команда подвергала цилиндрические образцы температурам до 600 °C в высокотемпературной печи, а затем подвергала их быстрому сжатию с помощью установки Split Hopkinson Pressure Bar, которая генерирует очень высокие скорости нагрузки. Они тщательно контролировали скорость деформирования, чтобы можно было справедливо сравнить разные смеси. Результаты показали тонкую картину: при умеренном повышении температуры (примерно 200–400 °C) и обычный, и модифицированный карбидом кремния бетон могут демонстрировать повышенную пиковой прочность, вероятно потому, что тепло стимулирует дополнительное укрепление цементного камня и улучшает внутреннюю пористость. При 600 °C же обычный бетон в целом терял прочность, тогда как некоторые смеси с карбидом кремния — особенно с определенными более крупными размерами частиц — сохраняли или даже незначительно увеличивали ударную прочность, что указывает на то, что модификатор меняет взаимодействие тепла и ударного воздействия внутри материала.

Что происходит внутри материала

Изображения в микроскопе помогли объяснить, почему карбид кремния важен. Мелкие частицы заполняли поры и уплотняли цементный раствор, тогда как более крупные зерна действовали как маленькие щиты или мостики, перенаправляя или замедляя распространяющиеся трещины. Переходная зона между заполнителем и цементом становилась более плотной, и трещины вынуждены были огибать твердый карбид кремния, а не прокладывать прямые пути по более слабым участкам. После воздействия высоких температур модифицированные бетоны показывали меньше микротрещин, вызванных нагревом, и лучшую общую целостность по сравнению с обычным бетоном. Эти наблюдения легли в основу построения модели повреждения: авторы рассматривали бетон как совокупность множества маленьких элементов с статистически варьирующейся прочностью и описывали разрушение как постепенный рост числа повреждённых элементов по мере увеличения нагрузки, температуры и скорости деформирования.

От экспериментов к единой модели повреждения

Используя идеи механики повреждений и теории вероятностей, авторы предложили семейство конститутивных моделей — математических правил, связывающих напряжение и деформацию — для этого модифицированного бетона. Они предположили, что прочности мелких внутренних элементов распределены по закону Вейбулла, что естественно отражает постепенное разрушение в хрупких материалах. Затем были введены отдельные множители для трёх воздействий: как карбид кремния изменяет базовую прочность, как температура ухудшает или повышает прочность, и как высокие скорости нагружения увеличивают прочность. Сначала были построены простые модели, рассматривающие каждый фактор по отдельности. Далее их комбинировали в парах, чтобы описать, например, горячий карбид-кремниевый бетон или быстро нагруженный карбид-кремниевый бетон. Наконец, все три фактора были объединены в модель для высоких температур и высоких скоростей, адаптированную для карбид-кремниевого модифицированного бетона. Модель связывает микроскопическое повреждение, выраженное через фактор повреждения, с общими кривыми «напряжение—деформация», наблюдаемыми в испытаниях.

Насколько хорошо модель соответствует реальности

Когда исследователи сравнили предсказания модели с измеренными кривыми из ударных испытаний при разных температурах и составах смесей, согласование оказалось хорошим. Форма кривых и пиковые прочности воспроизводились в широком диапазоне условий. Важно, что их подход отделяет базовое усиление, даваемое карбидом кремния, от дополнительных изменений, вызванных температурой и быстрым нагружением. Это упрощает понимание и регулирование каждого вклада по отдельности, вместо использования одной большой эмпирической коррекции, скрывающей базовые механизмы.

Что это значит для реальных конструкций

На практическом уровне исследование показывает, что правильно подобранные количества и размеры частиц карбида кремния могут сделать бетон более стойким как к воздействию, подобному огню, так и к внезапным ударам, а такое поведение можно описать компактной физически обоснованной математической моделью. Инженеры могут использовать эти конститутивные соотношения для моделирования того, как защитные стенки, дорожные покрытия или военные и авиационные конструкции из такого бетона будут вести себя в экстремальных ситуациях, помогая проектировать более безопасную и устойчивую инфраструктуру.

Цитирование: Wang, J., Chen, Q., Huang, H. et al. Study on the high-temperature static and dynamic constitutive model of silicon carbide-modified concrete. Sci Rep 16, 11849 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40544-0

Ключевые слова: высокотемпературный бетон, кремний-карбидный бетон, ударопрочные материалы, модель механики повреждений, поведение «напряжение—деформация»