Оценка прочности усиленных бетонных балок: повышение изгибной и срезной прочности с помощью матов из рубленого и тканого стекловолокна

Более прочные мосты и здания

Многие мосты и здания, на которые мы полагаемся ежедневно, состоят из бетонных балок, которые со временем теряют прочность и испытывают нагрузки выше тех, для которых были рассчитаны. В этом исследовании рассматривается относительно простой способ продлить ресурс таких балок — обернуть их тонкими оболочками из стекловолокна, что делает конструкции безопаснее и долговечнее без демонтажа или установки громоздких опор.

Как обычно разрушаются бетонные балки

Бетон хорошо воспринимает сжимающие усилия, но плохо сопротивляется растяжению, которое проявляется как изгиб и сдвиг в балке. Со временем появляются видимые трещины, которые могут внезапно расшириться, приводя к хрупкому разрушению без явных предупреждений. Исследователи сосредоточились на двух ключевых механизмах: изгибе в середине пролета, вызывающем прогиб, и срезе у опор, приводящем к острым диагональным трещинам и резкому обрушению. Понимание и усиление этих слабых мест критично для безопасности таких повседневных сооружений, как перекрытия, мосты и паркинги.

Оборачивание балок стекловолоконными оболочками

Вместо замены ослабленных балок команда испытала тонкие стекловолоконные маты, которые можно приклеить снаружи балки как повязку. Использовались два типа матов: ворсистый, с волокнами, ориентированными случайным образом, называемый chopped strand mat (мат из рубленого волокна), и более аккуратно упорядоченный тканый мат, называемый woven roving mat. Оба матa скрепляли эпоксидным клеем и наносили U‑образно вокруг боковых поверхностей и нижней части каждой балки, оставляя верхнюю грань свободной, чтобы балка могла опираться на опоры. Было изготовлено восемь полноразмерных балок и разделено на группы для отдельного изучения изгиба и среза; в каждой группе был необернутый эталон и балки, обернутые одним слоем каждого мата по отдельности или обоими вместе.

Что показали эксперименты

Балки помещали в испытательную раму и нагружали гидравлическими домкратами до разрушения, одновременно регистрируя прогибы, изменения жесткости и развитие трещин. Обертка задерживала появление первых трещин и позволяла балкам больше прогибаться и поглощать энергию до разрушения. В испытаниях на изгиб необернутая балка выдержала 18,6 кН, тогда как балки, обернутые матом из рубленого волокна, тканым матом и гибридным сочетанием обоих, достигли 23,6, 27,2 и 31,84 кН соответственно — примерно на 42% больше по сравнению с эталоном. В испытаниях на срез та же последовательность увеличивала несущую способность с 18,6 до 24,0, 25,2 и 28,32 кН, рост примерно на 22–34%.

Почему гибридная обертка оказалась лучшей

Тщательные измерения кривизны балок, потери жесткости и сдвиговых деформаций показали, что два типа стекломатов вносят вклад по‑разному. Мат из рубленого волокна обеспечивал широкий контроль трещинообразования и повышал пластичность, тогда как тканый мат добавлял более прочные и лучше ориентированные волокна, которые воспринимали большую часть нагрузки в критических зонах. В гибридной обертке они действовали совместно: трещины появлялись позже, оставались уже, и балки выдерживали более высокие нагрузки как при изгибе, так и при срезе до разрушения. Компромиссом было смещение слабой точки от самого бетона к клеевому интерфейсу: некоторые балки разрушались от отслоения волоконного слоя, что подчеркивает важность подготовки поверхности и качества адгезива.

Что это значит для реальных конструкций

Для неспециалистов основной вывод таков: тонкие и лёгкие стекловолоконные «куртки» могут существенно повысить прочность и вязкость существующих бетонных балок, практически не увеличивая массу или габариты. Исследование показывает, что U‑образная гибридная обертка, сочетающая рубленые и тканые стекломаты, особенно эффективна, улучшая поведение балок при повседневных изгибных и срезовых нагрузках и при приближении к разрушению. Авторы отмечают, что нужны дополнительные испытания на больших наборах балок и исследования долговечности, но результаты указывают на практичный путь продления срока службы стареющих бетонных мостов и зданий с помощью относительно простого наружного усиления.

Цитирование: Govindarajan, S., Devi, V., Yong, X. et al. Performance evaluation of strengthened concrete beams: flexural and shear enhancement using chopped strand and woven roving mats. Sci Rep 16, 15415 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43304-2

Ключевые слова: бетонные балки, обертка из стекловолокна, укрепление конструкций, изгибная и срезная прочность, реновация