Совместное влияние полимерных и минеральных волокон на поведение в свежем состоянии и параметры разрушения высокопрочного самоуплотняющегося бетона

Почему это важно для нашей застроенной среды

От мостов и туннелей до высотных зданий — большинство современных конструкций опирается на бетон. Однако обычный бетон значительно лучше сопротивляется сжатию, чем растяжению; при появлении трещин прочность и безопасность могут быстро снижаться. В этом исследовании рассматривается новый подход, который позволяет сделать бетон одновременно легче укладываемым и существенно более стойким к растрескиванию — путем добавления в специальную текучую смесь разных «волосообразных» волокон. Результаты указывают на перспективы более долговечных и безопасных сооружений без замедления строительных работ.

Новый тип текучего высокопрочного бетона

Исследователи работали с особым материалом — высокопрочным самоуплотняющимся бетоном. В отличие от обычного бетона, который нужно уплотнять вибрацией для удаления воздушных пустот, эта смесь разработана так, чтобы быть настолько текучей, что она растекается вокруг плотной арматуры и заполняет сложные опалубки под собственным весом. Одновременно она достигает очень высокой прочности после затвердевания. Совместить эти свойства непросто, особенно при введении волокон: волокна могут путаться и уплотнять свежую смесь. Команда решила выяснить, как разные типы и размеры неметаллических волокон влияют и на подвижность свежего бетона, и на последующее поведение при растрескивании.

Смешивание волокон как ингредиентов рецепта

Было приготовлено девять разных составов: один без волокон и восемь с различными добавками волокон. В набор входили два пластика (полипропилен и полioleфин), горная минеральная нить (базальт) и синтетическое волокно с сильным сцеплением с цементом (поливиниловый спирт, PVA). Некоторые волокна были длинными «макроволокнами», примерно длиной со спичку, предназначенными для пересечения крупных трещин, тогда как другие — короткие «микроволокна», рассчитанные на остановку микротрещин на ранней стадии. Команда также создала гибридные смеси, объединяющие длинные и короткие волокна по принципу «мультимасштабности»: разные размеры трещин контролируются разными волокнами.

Как бетон ведет себя в свежем состоянии

До затвердевания оценивали способность бетона течь, проходить через препятствия и не забиваться с помощью трех стандартных испытаний, имитирующих узкие зазоры и плотную арматуру. Добавление любых волокон делало смесь более вязкой и немного труднее перемешиваемой, но эффект сильно зависел от типа и размера волокон. Длинные пластиковые волокна в целом сохраняли хорошую текучесть, оставаясь в пределах допустимых норм для самоуплотняющихся бетонов. Напротив, очень тонкие PVA-волокна даже в умеренных количествах формировали плотные сети, которые резко замедляли течение и иногда полностью блокировали испытательные приборы. Гибридные смеси, сочетающие длинные полимерные волокна с базальтовыми, показали хорошее компромиссное поведение, тогда как сочетание длинного полипропилена с коротким PVA вывело смесь за пределы практической удобоукладываемости.

Что происходит при образовании трещин

После затвердевания образцы испытывали на сжатие, растяжение и изгиб; особые надрезанные балки использовали для изучения зарождения и роста трещин. По сравнению с бетоном без волокон большинство волокнистых составов показали возрастание прочности и заметное повышение вязкости разрушения. Длинные гофрированные полипропиленовые волокна обеспечили наибольший прирост сжимающей и распирающей (раскалывающей) растягивающей прочности: их волнистая форма способствовала надежному зацеплению в цементной матрице и мостиковому действию через формирующиеся трещины. Короткие PVA-волокна, хотя и ухудшали удобоукладываемость, более чем удвоили прочность при изгибе, что отражает их способность плотно «шить» мелкие трещины. Наиболее впечатляющие результаты показали гибридные системы, объединяющие длинные пластичные волокна с короткими жесткими. Эти гибриды поглощали более чем в сорок раз больше энергии разрушения по сравнению с простым бетоном и сохраняли несущую способность даже после появления видимых трещин, демонстрируя множество тонких трещин вместо одной широкой опасной щели.

Баланс между легкостью укладки и долговременной вязкостью

Выявился ключевой компромисс: смеси, которые легче всего текли, не всегда оказывались самыми стойкими после растрескивания, а самые стойкие часто были самыми трудными в укладке. Составы с высоким содержанием PVA, например, обеспечивали превосходный контроль трещиностойкости, но страдали от сильной блокировки в испытаниях свежего состояния. Напротив, смеси, армированные только длинными полимерными волокнами, сохраняли очень хорошую текучесть, обеспечивая умеренное улучшение прочности и вязкости разрушения. Наиболее удачным компромиссом оказался гибрид из длинного гофрированного полипропилена и коротких базальтовых волокон: он сохранил самоуплотняющие свойства и при этом дал значительный прирост пластичности и сопротивления разрушению. Это указывает на то, что тщательно подобранные комбинации волокон можно настроить для удовлетворения как строительных, так и долговечностных требований.

Что это означает для будущих конструкций

Для неспециалиста вывод ясен: рассматривая волокна в бетоне как подобранную ткань, инженеры могут проектировать смеси, которые не только сами заполняют сложные формы, но и дольше сопротивляются образованию трещин в эксплуатации. Длинные гибкие волокна помогают мостам и плитам переносить деформации без внезапного разрушения, тогда как короткие жесткие волокна удерживают трещины узкими и контролируемыми. Исследование показывает, что гибридное «мультимасштабное» армирование, сбалансированное с удобоукладываемостью, может превратить хрупкий бетон в более снисходительный к повреждениям материал — что обещает сооружения, которые становятся безопаснее, долговечнее и потенциально дешевле в обслуживании на протяжении их срока службы.

Цитирование: Smarzewski, P., Błaszczyk, K. Combined influence of polymeric and mineral fibres on fresh-state performance and fracture properties of high-performance self-compacting concrete. Sci Rep 16, 12998 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41949-7

Ключевые слова: самоуплотняющийся бетон, волокнистый бетон, гибридные волокна, устойчивость к растрескиванию, высокопрочный бетон