Исследование по точному регулированию твердения сборного сегментного бетона для сборных железнодорожных мостов

Почему важно охранять бетон от перегрева

Современные высокоскоростные поезда часто мчатся по длинным пролетам из бетонных мостов, которые изготавливаются по частям на специализированных площадках и затем собираются как гигантские строительные блоки. Эти сборные сегменты должны оставаться без трещин в течение десятилетий интенсивной эксплуатации, но при наборе прочности бетон выделяет значительное внутреннее тепло. В этом исследовании изучается, как лучше контролировать раннее тепловыделение в сегментах железнодорожных мостов линии Чжэнчжоу–Сюйчан в Китае, чтобы мосты были более безопасными и служили дольше без скрытых дефектов.

Проблема горячего бетона

Когда свежий бетон заливают в большую коробчатую балку с полостями, внутри цемента протекает химическая реакция, выделяющая тепло. Поскольку бетон плохо проводит тепло, внутренние зоны нагреваются, тогда как наружные поверхности отдают тепло воздуху. Если разница температур между тёплым сердечником и более холодной поверхностью становится слишком большой, бетон может потрескаться в то время, когда он ещё молодой и относительно слабый. Для линии Чжэнчжоу–Сюйчан в течение более года строительства нужно отливать тысячи таких сегментов, сталкиваясь и с морозными зимами, и с жарким летом. Авторы поставили цель выяснить, какие практические факторы на площадке литья сильнее всего управляют этим ранним температурным режимом и возникающими внутреннями напряжениями.

Испытания важных факторов

Команда создала детальную компьютерную модель типичного сегмента моста, включая его толстые стенки, тонкие верхнюю и нижнюю пластины и пустотелые каналы, где позже будут располагаться стальные преднапряжённые стержни. Модель проверили по реальным измерениям температуры внутри испытательных балок в течение семи дней — разница между рассчитанными и измеренными пиковыми температурами оказалась менее 2 °C. С помощью верифицированной модели систематически варьировали шесть реальных факторов: материал и толщину опалубки, температуру бетона при заливке, скорость ветра, наличие внутренних каналов и условия общего ухода за бетоном. Для каждого варианта отслеживали, как быстро балка нагревается и остывает, насколько высоко поднимается пиковая температура и какие термические напряжения развиваются в наиболее уязвимых узлах.

Что определяет риск растрескивания

Моделирование показало, что не все факторы одинаково важны. Наибольшее влияние оказывал материал опалубки — панели, формирующие и поддерживающие свежий бетон. Сильно изолирующая пластмассовая опалубка удерживала тепло, приводя к более высоким и более поздним пиковым температурам и существенно большим термическим напряжениям после снятия опалубки. Стальная опалубка, хорошо проводящая тепло, позволяла балке равномернее терять тепло и снижала напряжения. На втором месте по значимости была температура бетона при заливке: более тёплые смеси давали более высокие пиковые температуры и большие внутренние напряжения. Скорость ветра и внутренние каналы играли более скромную, но всё же заметную роль. Более сильный ветер ускорял охлаждение поверхности, повышая напряжения до снятия опалубки, но снижая их после. Пустотелые каналы, особенно у массивных торцов балки, помогали выводить тепло из внутренней части и слегка снижали и пиковую температуру, и напряжения, уменьшая риск растрескивания в этих зонах.

Умный уход за бетоном летом и зимой

Исходя из этих выводов, исследователи разработали уточнённые режимы твердения, адаптированные к местному климату. Летом использовали автоматическую систему распыления воды, которая многократно орошала поверхности балки прохладной грунтовой водой как до, так и после снятия опалубки. Такое мягкое охлаждение сократило температурный разрыв между горячей внутренней частью и поверхностью и снизило пиковые растягивающие напряжения примерно на четверть по сравнению с естественным твердением. Зимой применяли изолированную камеру парового прогрева. Постепенный подогрев балок до умеренной температуры с выдержкой и затем медленным охлаждением задерживал и понижал максимальные напряжения и избегал резких температурных перепадов, которые в холодном воздухе в противном случае приводили бы к растрескиванию.

Что это значит для будущих мостов

Проще говоря, исследование показывает, что раннее растрескивание в сборных сегментах железнодорожных мостов не является неизбежным следствием тепловыделения бетона; им можно управлять с помощью нескольких ключевых инженерных приёмов. Выбор тепло-проводящей стальной опалубки вместо сильно изолирующих панелей, поддержание умеренно низкой температуры свежей бетонной смеси, разумное использование каналов и защиты от ветра, а также применение режимов ухода, соответствующих сезону — распылительное охлаждение летом и контролируемый паровой прогрев зимой — в совокупности сглаживают температурные перепады внутри балок. На площадке проекта сегменты, произведённые по этой уточнённой схеме твердения, имели чистые поверхности без видимых трещин, что указывает на более прочный и долговечный мост для поездов, которые будут по нему ходить.

Цитирование: He, R., Zhang, K. & He, W. A study on refined curing control of precast segmental concrete for prefabricated railway bridges. Sci Rep 16, 13718 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41606-z

Ключевые слова: сборные бетонные мосты, термическое растрескивание, твердение бетона, железнодорожная инфраструктура, теплота гидратации