Влияние сейсмического деформативного напряжения на закономерности развития микротрещин в испытаниях на трехточечный изгиб бетона с применением технологий АЭ

Почему мелкие трещины в бетоне во время землетрясений важны

Когда землетрясение сотрясает город, безопасность мостов, туннелей и зданий зависит от того, как внутри них разрушается бетон. В этом исследовании подробно рассматриваются микротрещины, которые образуются и растут в бетоне при изгибе с скоростями, сопоставимыми с сейсмическими колебаниями. Прослушивая звуковые сигналы образования трещин, исследователи показали, что при более быстром нагружении бетон может выглядеть более прочным, но его разрушение становится более внезапным и хрупким — с важными последствиями для структурной безопасности.

Как команда имитировала сейсмическую нагрузку

Исследователи изготовили бетонные балки с начальным надрезом и испытывали их на трехточечный изгиб: балка опиралась на два упора, а нагрузка подавалась в средней точке. Они тщательно контролировали скорость приложения нагрузки — от очень медленной, почти статической, до скоростей, сопоставимых с сейсмическими. Одновременно использовались датчики акустической эмиссии, выступающие как миниатюрные микрофоны, улавливающие упругие волны, выделяющиеся при возникновении или росте микротрещины в бетоне. Это позволило фиксировать как наблюдаемое поведение балки, так и невидимую активность трещин внутри материала.

Бетон становится прочнее, но более хрупким при увеличении скорости нагружения

Испытания на изгиб показали, что поведение бетона при медленном и быстром нагружении различается. По мере роста скорости деформации от почти статической до сейсмической, пик нагрузки, который могли выдержать балки, увеличивался примерно на треть, а энергия, необходимая для прохождения трещины через балку, увеличивалась в сопоставимой степени. Это кажущееся усиление объясняется тем, что вода в порах и мелких зазорах не успевает оттекать при высоких скоростях нагружения, создавая дополнительное сопротивление, замедляющее рост трещины. Однако хотя балки выдерживали большие нагрузки, характер их разрушения становился более внезапным, с меньшими видимыми предупреждениями и резким падением нагрузки после развития основной трещины.

От обходных путей к сквозным разрушениям

Анализ разрушенных поверхностей показал, что траектории трещин изменяются с изменением скорости нагружения. При медленном нагружении трещины огибали крупные зерна заполнителя, следуя по более слабым границам между заполнителем и раствором. Поверхности разрушения были шероховатыми, и на них было много целых крупных наполнителей — признак более постепенного, вязкого разрушения. При более быстром нагружении основные трещины шли более прямолинейно и прокалывали множество зерен заполнителя. Такой «пробивной» характер разрушения указывает на то, что материал не имел времени «искать» более лёгкий путь и ломал более прочные элементы внутреннего каркаса, концентрируя повреждение в узкой зоне.

Прослушивание трещин для картирования скрытых повреждений

Измерения акустической эмиссии дали детальную картину развития микротрещин. С ростом скорости нагружения увеличивалось и число зарегистрированных событий трещинообразования, и суммарная акустическая энергия, что указывает на более интенсивное внутреннее повреждение. При низких скоростях события были распределены вдоль длины балки, соответствуя широкой зоне повреждений и извилистой главной трещине. При более высоких скоростях сигналы концентрировались около предварительного надреза, показывая, что микротрещины объединяются в единую, сфокусированную линию разлома. Анализ форм записанных волновых форм также показал, что доминирующий тип трещин смещается от раскрывающихся трещин, раздвигающих поверхности, к сдвиговым трещинам, которые сдвигают их относительно друг друга, по мере увеличения скорости нагружения.

Что это означает для сейсмостойкого проектирования

Исследование делает вывод, что при сейсмическом типе нагружения бетон способен нести более высокие напряжения, но склонен к более внезапному разрушению с прямолинейными, сдвигово-ориентированными трещинами, которые дают мало предварительных признаков. Этот компромисс между прочностью и пластичностью означает, что правила проектирования, основанные только на медленных статических испытаниях, могут недооценивать риск хрупкого разрушения в реальных землетрясениях. Результаты указывают, что инженерам следует учитывать изменение паттернов трещинообразования и внутреннего повреждения в зависимости от скорости нагружения, упрочнять участки конструкций, где вероятны сдвиговые трещины, и применять системы мониторинга, способные выявлять сдвиги в поведении трещин до наступления внезапного обрушения.

Цитирование: Xiao, D., Wen, L., Cao, Y. et al. Influence of seismic strain stress on evolution law of microcracks in concrete TPB tests using AE technology. Sci Rep 16, 15483 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49968-0

Ключевые слова: разрушение бетона, сейсмическая нагрузка, скорость деформации, микротрещины, акустическая эмиссия