Экономичные решения из FRP для повышения прочности и деформативности экологичного бетона с резиновой крошкой из отходов покрышек

Превращение старых шин в более прочные сооружения

Горы изношенных автомобильных шин накапливаются по всему миру, создавая риск пожаров и длительного загрязнения. В то же время строительная отрасль потребляет огромные объемы песка и щебня для производства бетона. В этом исследовании рассматривается способ одновременно решить обе проблемы: перемолоть отходные шины в мелкие частицы, добавить их в бетон, а затем обернуть этот бетон тонкой оболочкой из стекловолокна и смолы. В результате получается более экологичный строительный материал, способный изгибаться и поглощать энергию вместо внезапного разрушения.

Зачем добавлять резину в бетон?

Когда старые шины измельчают и используют в качестве замены части песка в бетоне, материал становится легче и гораздо лучше поглощает удары и вибрации — это полезно для дорожных барьеров, железнодорожных путей и сейсмостойких конструкций. Но есть проблема: резина плохо сцепляется с цементным тестом и значительно мягче каменных заполнителей. По мере увеличения доли резины бетон обычно теряет прочность и жесткость, что ограничивает его применение в ответственных несущих элементах. В этом исследовании сосредоточились на практичном рецепте: держать содержание резины умеренным (20% объема мелкого заполнителя) и тщательно контролировать размер резиновых частиц, чтобы понять, как они влияют на прочность и насколько легко бетон можно улучшить внешним армированием.

Обертывание бетона стекловолоконной «курткой»

Чтобы восстановить механические характеристики бетона с высоким содержанием резины, авторы использовали оболочки из полимерного армированного стекловолокном (GFRP). Эти оболочки — тонкие полотна из тканого стекловолокна, пропитанные смолой, которые оборачивают вокруг бетонных цилиндров и оставляют для отверждения. Они намного легче и более коррозионно-устойчивы по сравнению с сталью, и существенно дешевле по сравнению с аналогичными системами на основе углеродного волокна. В испытаниях отлили 42 бетонных цилиндра — некоторые с обычными каменными заполнителями, другие с мелкой или крупной резиновой крошкой — и затем оставляли их необолоченными, полностью обернутыми сверху донизу или обернутыми полосами с зазорами. Нагружая эти цилиндры на сжатие до разрушения, команда увидела, как оболочки меняют характер трещинообразования, несущую способность и деформации бетона.

От внезапного разрушения к плавному отказу

Необолоченные образцы, как с резиной, так и без, вели себя как обычный бетон: они несли нагрузку до пика, после чего разрушались внезапно с длинными вертикальными трещинами и отламывающимися фрагментами. Образцы, обернутые GFRP, показали совершенно другую картину. Полная оболочка превращала хрупкое поведение в более медленный, контролируемый ответ. Трещины всё ещё появлялись внутри, но стекловолоконная оболочка удерживала конструкцию вместе и заставляла бетон постепенно выпирать наружу, а не «взрываться». Для обычного бетона полное обертывание увеличивало прочность примерно до 63% и повышало предельную сжимающую деформацию более чем в десять раз. Резиновый бетон демонстрировал ещё более впечатляющий рост деформативности: в смеси с очень мелкой резиновой крошкой предельная деформация увеличилась более чем на 1300%. Полосное обертывание, оставляющее некоторые участки открытыми, давало умеренные, но значимые улучшения при меньшем расходе материала, что иллюстрирует компромисс между производительностью и стоимостью.

Что показывают числа и модели

Помимо лабораторных испытаний, исследователи разработали математические формулы для прогнозирования поведения сжатого бетона в конфайнменте, исходя из его прочности без оболочки, доли резины и того, какое внутричастное давление может создавать GFRP-оболочка. Они подогнали эти формулы под данные испытаний и показали, что можно достаточно точно воспроизвести полные кривые напряжение‑деформация — как материал жестчает, достигает пика и смягчается под нагрузкой — для природного и резинизированного бетонов. Модели работали лучше всего для конкретной системы со стекловолокном, использованной в исследовании, и для изученных содержаний и размеров резиновых частиц. Их не следует бездумно применять к другим типам волокон или при значительно больших долях резины, но они предлагают проектировщикам полезные инструменты для уверенного задания этих более экологичных материалов.

Более экологичный бетон с практическими ограничениями

Для неспециалиста ключевой вывод прост: старые шины можно превратить из упорной проблемы отходов в часть более безопасных и долговечных конструкций, если полученному резиновому бетону придать тонкую стекловолоконную оболочку. Такое сочетание не только восстанавливает большую часть утраченной прочности, но и делает материал гораздо более «терпимым» к большим нагрузкам и ударам. Полное обертывание обеспечивает наибольший запас прочности, тогда как полосное — значительные улучшения при меньших затратах. Авторы отмечают, что их работа фокусируется на кратковременных испытаниях на сжатие и одном уровне замены заполнителя, поэтому долговечность во времени и другие типы нагружений требуют дальнейших исследований. Тем не менее, результаты указывают на будущее, в котором мосты, колонны и защитные барьеры могли бы тихо убирать автомобильные шины из обращения, одновременно работая лучше, чем традиционный бетон.

Цитирование: Saingam, P., Chatveera, B., Hussain, Q. et al. Cost-effective FRP solutions for enhancing strength and strain of sustainable concrete made with waste tyre rubber. Sci Rep 16, 13540 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42110-0

Ключевые слова: резиновый бетон, переработка отходов покрышек, конфайнмент GFRP, устойчивое строительство, ремонт конструкций