Прогибное поведение и развитие трещин в армированных геополимерных плитах с продольными пустотами: экспериментальное исследование

Почему важны более лёгкие и экологичные перекрытия

Современные здания опираются на большие площади бетонных плит перекрытия, которые составляют значительную долю как стоимости строительства, так и климатического воздействия. В этом исследовании рассматривают новый способ изготовления таких плит с применением геополимерного бетона на основе зольной пыли и вторичной резины, а также путём формирования вдоль плиты продольных полых труб для уменьшения массы. Авторы ставят простой вопрос с важными практическими последствиями: можно ли получить более лёгкие и с меньшим углеродным следом плиты, которые при этом надёжно воспринимают нагрузки и сопротивляются образованию трещин, как обычные бетонные полы?

Другой вид бетона

Традиционный бетон связывает песок и щебень портландцементом, производство которого сопровождается большими выбросами углекислого газа. Геополимерный бетон заменяет цемент промышленными побочными продуктами, богатыми кремнезёмом и алюминием, такими как угольная зола-унос. В этой работе авторы использовали геополимер на основе зольной пыли, активированный щёлочными растворами, и добавили небольшое количество обработанных резиновых волокон, полученных из старых шин. Зола превращает отходы в полезный компонент, а резина призвана сделать иначе хрупкий геополимер более пластичным при образовании трещин. Предыдущие испытания на образцах кубов, цилиндров и балок показали, что эта смесь обеспечивает более высокую прочность на сжатие, растяжение и изгиб по сравнению со стандартным цементным составом аналогичного класса, при лишь немного меньшей жёсткости.

Преобразование монолитных плит в пустотелые

Чтобы оценить поведение нового бетона в реальных конструктивных элементах, команда отлила семь армированных плит. Две были сплошными: одна — из обычного цементного бетона, другая — из геополимерного состава. Остальные пять были длинными пустотелыми плитами из геополимерного бетона, где вдоль плиты прокладывались пластиковые трубы, формировавшие круглые пустоты. Изменяя диаметр труб, исследователи получили три уровня заполнения пустотами, удалив примерно от 12 до 24 процентов объёма бетона. Также варьировали важный геометрический параметр — отношение пролёта к глубине плиты, что сильно влияет на изгиб и на то, где плита наиболее уязвима.

Доведение плит до предела прочности

Все плиты испытывали в лаборатории в схеме с четырьмя точками приложения нагрузки, когда две одинаковые силы действуют вниз между опорами, создавая постоянную область изгиба в середине. В ходе испытаний исследователи тщательно фиксировали момент появления первых видимых трещин, развитие их картины, величину прогиба в середине пролёта и нагрузку при разрушении. Они также сравнивали наблюдения с величинами, вычисленными по стандартным проектным правилам, применяемым в мире для железобетона. Это позволило оценить не только поведение новых материалов и форм, но и то, насколько привычные инженерные формулы остаются надёжными при замене цемента геополимерными вяжущими.

Что происходит при введении пустот

Сплошная геополимерная плита показала немного лучшие характеристики по сравнению со сплошной цементной: она воспринимала несколько большую нагрузку при первом образовании трещин и при разрушении и развивала большее количество более тонких трещин. Добавленные резиновые волокна способствовали более равномерному распределению повреждений, делая разрушение геополимерной плиты более пластичным и менее внезапным. В пустотелых плитах картина оказалась более смешанной. Выемка пустот снижала массу плит, но одновременно уменьшала их жёсткость и прочность. По мере увеличения общей площади пустот от примерно одной восьмой до почти одной четверти сечения нагрузки, вызывавшие первое растрескивание и окончательное разрушение, снижались. Увеличение эффективного пролёта давало похожий эффект: повышение отношения пролёт/глубина почти вдвое снижало предельную нагрузку и повышало прогиб. Тем не менее измеренные ширины трещин оставались в пределах обычных эксплуатационных ограничений, а пустотелые плиты сохраняли значительную долю прочности сплошной эталонной плиты.

Проектные правила, которые по‑прежнему работают

При сравнении экспериментальных данных с расчётами по американским и европейским нормам для бетона исследователи обнаружили хорошее согласие, обычно в пределах примерно десяти процентов. Для сплошных плит теория достаточно точно предсказывала и прочность, и прогиб. Для пустотелых плит упрощённые формулы имели тенденцию завышать прогиб, отчасти потому, что постоянные пластиковые трубы внутри пустот добавляют некоторое сопротивление, которое уравнения не учитывают. Прогнозы ширины трещин по правилам Eurocode также хорошо соответствовали измеренным значениям; в большинстве случаев реальные трещины были чуть меньшими, чем рассчитанная верхняя граница. Эти результаты указывают на то, что инженеры могут с разумной уверенностью адаптировать привычные проектные методы к геополимерным пустотелым плитам, учитывая при этом некоторую консервативность при оценке эксплуатационных характеристик.

Что это значит для будущих зданий

Для неспециалистов вывод состоит в том, что системы перекрытий можно сделать одновременно легче и экологичнее, не жертвуя безопасностью, сочетая геометрию пустотелых плит с геополимерным бетоном, в котором перерабатываются зольная пыль и вторичная резина. Исследование показывает, что грамотно подобранный геополимерный состав может соответствовать или даже немного превосходить прогибные характеристики стандартного бетона, а пустоты способны значительно сократить расход материала при условии разумного подбора размера пустот и пролёта. Поскольку стандартные расчётные инструменты остаются применимыми к таким плитам, путь к практическому внедрению в низкоуглеродном строительстве становится более прямым, предоставляя проектировщикам реалистичный вариант для снижения экологического следа бетонных перекрытий при сохранении надёжного конструктивного поведения.

Цитирование: Aziz, Y.H.A., Malky, A.E. & El-Sayed, T.A. Flexural behavior and crack development of reinforced geopolymer slabs with longitudinal voids: an experimental study. Sci Rep 16, 16026 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53647-5

Ключевые слова: геополимерный бетон, пустотелая плита, прогибное поведение, развитие трещин, устойчивые конструкции