Соединение рифленых и резьбовых стержней арматуры, запрессованных в бетон, с учётом длины сцепления и типа клея

Ремонт усталого бетона без сноса

Во многих странах мосты, здания и парковки стареют быстрее, чем мы успеваем их заменять. Полный демонтаж и восстановление таких сооружений дорого и сопряжено с большими неудобствами, поэтому инженеры ищут способы усилить то, что уже существует. В этом исследовании рассматривается один из таких методов: сверление отверстий в затвердевшем бетоне, забивание в них стальных стержней с мощным эпоксидным клеем и использование этих «вставленных после» стержней для продления срока службы старого бетона.

Как сталь и клей работают вместе внутри бетона

Железобетон работает потому, что стальные стержни, скрытые в массе бетона, захватывают окружающий материал и передают нагрузки. Традиционно эти стержни укладывают в опалубку, после чего заливают бетон. При ремонте, однако, бетон уже затвердевший, поэтому рабочим приходится сверлить отверстия, вводить химический клей и вставлять новые стержни в качестве анкерных элементов. Надёжность усиленной конструкции зависит от того, насколько прочно эти добавленные стержни «сцеплены» с бетоном и клеем, и какого они допускают относительного смещения при вытяжке. Исследователи поставили задачу измерить это сцепление в контролируемых условиях и выяснить, как на работу влияют форма стержня, диаметр отверстия и тип клея.

Лабораторные испытания на вырывание

Чтобы имитировать реальные условия ремонта, команда изготовила двадцать один бетонный кубик, примерно размера небольшой брусчатки. В трёх из них рифленые арматурные стержни были заложены традиционно при заливке для контрольных образцов. В остальных восемнадцати стержни добавляли позже: сверлили вертикальные отверстия, очищали их, заполняли одним из двух коммерческих эпоксидных продуктов и затем устанавливали рифленые или полностью резьбовые стержни на заданную глубину. Исследователи варьировали три ключевых параметра: длину стержня, контактирующую с клеем, диаметр отверстия относительно стержня и форму поверхности стержня — рифлёную (с прерывистыми гребнями) или резьбовую (с непрерывной спиралью). Каждый образец затем зажимали гидравлическим домкратом, и стержень медленно вытягивали, записывая силы и относительное смещение.

Что обеспечивает прочный и безопасный анкер

Испытания показали, что почти во всех случаях разрушение происходило из-за того, что стальной стержень достигал предела текучести в классической схеме вырывания, а не из-за раскалывания бетона. Это означает, что клеевой шов и окружающий бетон в целом были прочнее самого стержня — желательный результат с точки зрения проектирования. Стержни, установленные в отверстия с эпоксидным заполнением при диаметре отверстия умеренно большим, чем стержень (приблизительно на 60–80 %), демонстрировали несущую способность при вырыве, сопоставимую или немного превышающую таковую у залитых в опалубке стержней. Очень плотные отверстия, всего около 20 % превышения диаметра, снижали прочность. Большая длина сцепления позволяла стержню нести больший суммарный нагруз, но при этом распределяла нагрузку более равномерно, что уменьшало среднее напряжение сцепления вдоль стержня. Сравнение форм стержней показало, что привычные рифленые стержни стабильно развивали большую прочность сцепления, чем резьбовые, главным образом потому, что их более грубые ребра обеспечивали лучшее механическое зацепление с клеем и бетоном.

Как жёсткость и гибкость дополняют друг друга

Помимо пиковой прочности, исследование также изучало, насколько жёстким или гибким является соединение при начале перемещения стержня. Анкеры, закреплённые эпоксидом, в целом были жёстче, чем стержни, залитые в опалубке, на начальной стадии нагружения, то есть они сильнее сопротивлялись первоначальному сдвигу. Тем не менее для многих конфигураций, особенно при больших длинах сцепления, вставленные после стержни демонстрировали большую «пластичность»: они могли заметно сдвигаться после достижения текучести без резкой потери несущей способности. Два типа эпоксидных составов в целом вели себя схоже по прочности, хотя один из них склонялся к чуть более жёстким и менее гибким соединениям, а другой позволял больший сдвиг перед разрушением. Резьбовые стержни, несмотря на меньшую пикoвую прочность сцепления, часто показывали большие смещения при высоких нагрузках, указывая на более постепенный и прощающий процесс разрушения.

Как данные испытаний превращаются в практические правила проектирования

Используя полный набор измерений, авторы вывели простую формулу, предсказывающую максимальное напряжение сцепления для стержней, устанавливаемых после, на основе прочности бетона, диаметра стержня, длины сцепления, размера отверстия и геометрии рёбер стержня. Эта формула, сопоставлённая со всеми результатами испытаний, давала безопасные и достаточно точные оценки. Для инженеров это означает, что добавление стержней с современными клеями можно проектировать с уверенностью, при условии внимательного выбора диаметров отверстий, глубин засадки и типов стержней. Для широкой публики вывод таков: тщательная лабораторная работа подобного рода лежит в основе многих «невидимых» ремонтов, позволяя усилить стареющие бетонные конструкции и дольше эксплуатировать их без затрат и неудобств, связанных с полной заменой.

Цитирование: Fayed, S., Alkharisi, M.K., Bayoumi, ES.A. et al. Bond of ribbed and threaded steel reinforcement bars post-installed in concrete considering bonded length and adhesive type. Sci Rep 16, 10762 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42964-4

Ключевые слова: анкерные вставки, устанавливаемые после затвердевания бетона, арматура, закреплённая эпоксидным клеем, ремонт железобетонных конструкций, прочность сцепления, структурное усиление