Интегрированные методы NSM и армирования GFRP с оболочками из ECC/UHPC для усиления дефектных ЖБ-столбов

Почему важна надежность бетонных колонн

Во многих старых бетонных зданиях прочность постепенно снижается по мере того, как скрытая в колоннах сталь коррозирует. Это медленное разрушение может уменьшить грузоподъемность конструкции и снизить ее устойчивость при землетрясениях или других экстремальных воздействиях. В настоящем исследовании рассмотрен новый способ вернуть таким ослабленным колоннам вторую жизнь с помощью тонких высокопрочных наружных оболочек и дополнительных арматурных стержней, размещенных прямо под поверхностью.

Как колонны незаметно теряют прочность

Железобетонные колонны — это вертикальные «костяки» здания, несущие перекрытия и кровлю. Со временем влага и соли вызывают коррозию стержней внутри них. При ржавлении сталь истончается, расширяется, трескает окружающий бетон и ослабляет сцепление между сталью и бетоном. В результате колонна теряет прочность, жесткость и способность деформироваться без внезапного разрушения. Существуют традиционные методы ремонта, но они могут быть громоздкими, дорогими или недостаточно эффективными для сильно поврежденных элементов.

Новые оболочки и скрытая арматура

Исследователи изучили комбинированный метод ремонта, усиливающий колонну как изнутри, так и снаружи. Сначала по поверхности колонны нарезали неглубокие пазы и встраивали дополнительные арматурные стержни — либо традиционные стальные, либо коррозионно-устойчивые из стекловолокна. Такой подход известен как ближне-поверхностное армирование (near-surface mounted, NSM). Затем колонну оборачивали тонкой наружной оболочкой из специализированных цементных материалов, значительно более прочных и долговечных, чем обычный бетон. Один тип, так называемый армированный цементный композит (engineered cementitious composite, ECC), содержит тонкие волокна, контролирующие образование трещин; другой — ультравысокопрочный бетон (ultra-high-performance concrete, UHPC) — ещё прочнее и включает стальные волокна. В эти оболочки интегрировалась легкая стеклопластиковая сетка, помогающая удерживать конструкцию вместе.

Испытания усиленных колонн

Чтобы оценить эффективность системы, команда изготовила и испытала в лаборатории одиннадцать коротких круглых колонн. Одна из них была эталонной «здоровой» колонной, другая — намеренно ослабленной для имитации коррозии за счет использования меньших стальных стержней. Остальные — ослабленные колонны, восстановленные разными способами: только наружными оболочками из материалов с волокнами или комбинированно — с ближне-поверхностными стержнями и оболочками, с применением либо стальных, либо стекловолоконных стержней и одной или двух слоев сетки. Затем все колонны сжимали сверху вниз до разрушения, а приборы регистрировали приложенную нагрузку и величину укорочения.

Поведение при больших нагрузках

Нерассмотренная поврежденная колонна разрушилась хрупко: внутренние стержни прогнулись, а прочность резко упала. Добавление только оболочки из армированного цементного композита со сеткой дало умеренный прирост несущей способности и более плавный характер разрушения. При сочетании ближне-поверхностных стальных стержней с этими оболочками колонны выдерживали на 25–32 % большую нагрузку по сравнению с поврежденной и поглощали до почти четырех раз больше энергии до коллапса. Замена наружного материала на ультравысокопрочный бетон дала еще лучшие результаты: прирост несущей способности составил 35–44 %, а поглощение энергии увеличилось до примерно 4,7 раза. Лучшая эффективность наблюдалась при использовании ближне-поверхностных стекловолоконных стержней в паре с UHPC-оболочками — прочность выросла примерно на 49 % при сохранении хорошей пластичности.

Численные модели и архитектурные выводы

Команда также создала детальные компьютерные модели колонн, чтобы смоделировать взаимодействие материалов и предсказать образование трещин, дробление и отслоение на интерфейсах. Эти модели хорошо согласовывались с измеренными значениями прочности, перемещений и наблюдаемыми повреждениями, что вселяет уверенность в применимости подхода для изучения других конструкций. Дополнительное численное исследование показало, что использование более крупных внутренних стержней повышает прочность колонны, но эффект убывает с увеличением диаметра, указывая на существование эффективного диапазона, а не простого правила «чем больше — тем лучше».

Что это значит для существующих сооружений

Для инженеров и владельцев зданий результаты указывают, что тонкие оболочки из современных цементных материалов в сочетании с ближне-поверхностным армированием могут восстановить или даже увеличить прочность и вязкость разрушившихся бетонных колонн без значительного утолщения сечения. UHPC-оболочки, особенно в сочетании со стекловолоконными стержнями, оказались особенно эффективными в ограничении ядра бетона и отсрочке внезапного разрушения. Практически это комбинированное решение предлагает перспективный путь продления безопасного срока службы стареющих зданий и инфраструктуры при использовании относительно тонких и долговечных усилений.

Цитирование: Elsamak, G., Bahrami, A., Emara, M. et al. Integrated NSM and GFRP-reinforced ECC/UHPC techniques for strengthening deficient RC columns. Sci Rep 16, 16440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52870-4

Ключевые слова: бетонные колонны, усиление конструкций, коррозионные повреждения, высокопрочный бетон, методы ремонта