Эффективность анкеровочных систем для ЖБ балок, усиленных на изгиб базальто-волоконными полимерами

Почему прочные балки важны

Внутри мостов, многоуровневых парковок и жилых домов находятся бетонные балки, которые тихо несут большие нагрузки десятилетиями. Со временем эти балки могут трескаться и ослабевать, особенно при увеличении трафика или изменении строительных норм. В этом исследовании рассматривается более современный способ дать уставшим бетонным балкам вторую жизнь с помощью тонких листов из базальтового волокна — материала, получаемого из вулканической породы — и уделяется внимание тому, как крепить эти листы, чтобы они действительно повышали безопасность конструкций.

Новые «жакеты» для старого бетона

Инженеры часто усиливают существующие балки, приклеивая волоконные листы к их нижней стороне, подобно наложению тонкой прочной повязки. Традиционно используют углеродные или стеклянные волокна; базальтовые волокно-полимерные материалы (BFRP) предлагают более дешевую и экологичную альтернативу с высокой прочностью и хорошей долговечностью. Недостаток в том, что эти листы могут внезапно оторваться от бетона до достижения своей полной прочности — хрупкий вид разрушения, который расходует материал и ограничивает запас безопасности. Авторы поставили цель проверить, как разные способы крепления, так называемые анкеровочные системы, удерживают BFRP-листы надежно приклеенными, чтобы балки не теряли несущую способность из‑за неожиданных отслоений.

Как были организованы испытания

Исследовательская группа изготовила восемь полноразмерных бетонных балок длиной чуть более трех метров с одинаковой стальной арматурой внутри. Некоторые балки оставили без усиления в качестве эталона, другие получили две или четыре плоскости BFRP-листов, приклеенных снизу на разные длины. Для закрепления листов применяли два основных типа анкеров: U-обхваты, которые охватывают BFRP по бокам балки как ремень, и шиповые анкеры, когда волокна BFRP собирают в пучки и формируют дюбеля, вставляемые в отверстия в бетоне. Все балки испытывали на изгиб в лабораторной схеме с двумя сосредоточенными нагрузками до разрушения, а датчики регистрировали прогибы и раскрытие трещин по пролёту.

Что происходило при изгибе

По мере увеличения нагрузки балки сначала вели себя упруго, затем между приложенными нагрузками возникали вертикальные изгибные трещины, и в конце концов конструкция размягчалась по мере текучести внутренней стальной арматуры. Усиленные балки были жестче контрольной после образования трещин, а их предельная изгибовая несущая способность увеличивалась до одной трети. Однако добавление большего числа слоев BFRP не всегда давало существенное прирост силы. В нескольких случаях листы отслоились от бетонной поверхности до разрушения, поэтому использовалась только часть их потенциальной прочности. Балки с правильно анкерованными листами имели более частые, но более узкие трещины, что указывает на то, что BFRP помогал распределять напряжение по пролёту.

Почему анкеровка имеет такое значение

Суть исследования заключалась в сравнении балок с одинаковыми схемами наложения BFRP, но разными деталями анкеровки. Когда длина BFRP была достаточна для выполнения правил развития сцепления по руководствам проектирования, режим разрушения смещался от отслоения листа к разрыву BFRP, и изгибовая прочность балки выросла примерно на 29% по сравнению с контрольной. U-обхваты дали схожий эффект даже при меньшей укреплённой длине: они изменяли режим разрушения с отслоения по торцу на разрыв BFRP и увеличивали прочность примерно на 25%. Шиповые анкеры были эффективны лишь при значительной глубине заделки; мелкие шипы вели себя почти как отсутствие анкеров вообще. Во всех конфигурациях усиление снижало пластичность — балки прогибались меньше до разрушения — но потеря, как правило, оставалась в пределах примерно 30% от деформируемости исходной балки.

Выводы для более надёжного ремонта

Для неспециалистов главный вывод таков: просто приклеить прочные волокна к слабой балке недостаточно. То, как эти волокна крепятся к бетону, во многом определяет, действительно ли они помогут в экстремальной ситуации. Листы из базальтового волокна могут заметно повысить грузоподъёмность балки, но только если проектировщики обеспечат достаточную длину сцепления или эффективные анкеры, такие как U-обхваты, охватывающие боковые поверхности балки. Шиповые анкеры могут работать, но только при глубокой заделке в бетон. Исследование показывает, что при тщательной разработке деталей анкеровочных систем инженеры могут использовать базальтовые композиты как практичный, более экологичный инструмент для продления срока службы многих повседневных бетонных конструкций.

Цитирование: Aziz, J., Ragab, M., Elgabbas, F. et al. Efficiency of anchorage systems for RC beams strengthened in flexure using basalt fiber reinforced polymers. Sci Rep 16, 16288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52540-5

Ключевые слова: армированный базальтовым волокном полимер, усиление бетонных балок, анкеровка FRP, U-обхваты, ремонт конструкций