Böjförstärkning av armerade betongbalkar med basalttextilförstärkt murbruk: experimentell och analytisk undersökning

Starkare broar och byggnader med en tunn ny mantel

Många åldrande broar, parkeringshus och byggnader förlitar sig på armerade betongbalkar som aldrig konstruerades för dagens tyngre trafik och längre livslängd. Att byta ut dessa balkar helt är störande och kostsamt, så ingenjörer söker smarta sätt att uppgradera befintliga konstruktioner från utsidan. Denna studie undersöker en sådan metod: att linda balkar med en tunn, cementbaserad mantel som innehåller basaltfibrer arrangerade som ett tyg, i syfte att öka styrka och säkerhet utan omfattande rivning.

Att klä utmattad betong i en fiberfylld hud

Forskarna fokuserade på armerade betongbalkar, arbetshästarna som bär upp golv och brobanor. Med tiden kan stålet inuti dessa balkar rosta och betongen försvagas, vilket minskar säkerhetsmarginalen. En lovande reparationsmetod är Textilförstärkt Murbruk (TRM), där ett fint fibernät inbäddas i ett tunt murbruksskikt som binds mot balkens utsida. Till skillnad från konventionella fiberförstärkta plaster som använder epoxihartser och kan förlora styrka i värme eller på fuktiga ytor, använder TRM ett cementbaserat murbruk som tål fukt och höga temperaturer bättre.

Varför basalttextilier är ett attraktivt alternativ

Denna studie zoomar in på en särskild typ av TRM tillverkad med basaltfibrer, kallad Basalt Textilförstärkt Murbruk (BTRM). Basaltfibrer utvinns från vulkanisk bergart och erbjuder hög styrka, god korrosionsbeständighet och potentiellt lägre kostnad än kolfibrer. Teamet ville veta hur olika konstruktionsval — såsom antalet textilskikt, maskans öppningsstorlek, tillsats av smala basaltstänger i manteln och användning av mekaniska ankare — påverkar hur mycket starkare och segare armerade betongbalkar blir när de lindas med BTRM.

Att testa fullstora balkar

För att svara på dessa frågor gjöt forskarna sex fullskaliga betongbalkar, vardera 2,3 meter långa och armerade inuti med stänger precis som i verkliga konstruktioner. En balk tjänade som o förstärkt referens, medan de andra fem lindades med olika BTRM-manter applicerade i en U-form runt botten och de nedre sidorna. Vissa balkar fick tre textilskikt, andra fem eller till och med åtta; vissa använde ett fint textilnät med 5 millimeters öppningar och andra ett grövre med 34 millimeter; en version inkluderade extra basaltstänger i manteln; och en annan använde stålankare infästa i betongen för att hjälpa manteln att sitta kvar. Alla balkar lastades i ett testmaskineri tills de brast medan instrument registrerade hur mycket last de bar och hur långt de böjde sig.

Modesta styrkeökningar, men en envis svag punkt

De förstärkta balkarna bar mellan 11 och 18 procent mer last än den o lindade kontrollbalken innan brott, vilket bekräftar att BTRM kan ge en omedelbar ökning i bärförmåga. Att lägga till fler textilskikt ökade dock inte styrkan obegränsat; balkar med tre och fem lager nådde nästan samma slutliga last, vilket visar att vinster planar ut när bindningen mellan mantel och betong blir den styrande svagheten. Maskans öppningsstorlek (5 kontra 34 millimeter) gjorde liten skillnad för den övergripande styrkan, och de tillsatta basaltstängerna förbättrade prestandan bara marginellt, främst genom att göra beteendet efter sprickbildning mjukare och mer energiupptagande. Mekaniska ankare hjälpte balkarna att böjas mer innan brott, men de höjde inte maximal last mycket eftersom brottet fortfarande inträffade när hela manteln skalades av betongytan. I nästan varje förstärkt balk förblev murbruks- och textillagren intakta och separerade rent från betongen, vilket visar att huvudproblemet ligger i gränsytan mellan betong och murbruk.

Bättre beräkningsverktyg för säkrare eftermonteringar

Förutom laboratorietesterna jämförde författarna hur väl befintliga beräkningsmetoder predikterar styrkan hos sådana förstärkta balkar. Vanliga konstruktionsformler tenderade att underskatta den faktiska kapaciteten när de använde mycket konservativa töjningsgränser för textilen, eller att överskatta vinsten när de antog perfekt bindning mellan mantel och betong. Genom att noggrant jämföra prediktioner med testdata föreslog forskarna en förfinad, lättanvänd ekvation som bättre speglar verkligt beteende när bindningen är ofullständig, och rekommenderade en säker ökning av den tillåtna textiltöjningen som används i dimensionering. Denna modifierade formel överensstämde väl med deras egna testresultat och publicerade data från andra laboratorier.

Vad detta innebär för verkliga konstruktioner

För icke-specialister är huvudbudskapet att linda befintliga betongbalkar med en tunn basalttextil- och murbruksmantel är ett praktiskt sätt att få ungefär 10 till 20 procent extra styrka och förbättra hur kontrollerat balkar går mot brott, vilket kan ge värdefull säkerhet och förlängd brukstid. Den fulla potentialen hos basalttextilier hålls dock för närvarande tillbaka inte av fibrerna själva utan av hur väl manteln greppar den gamla betongen. Förbättrad ytförberedelse, bindningsmaterial och detaljer för infästning blir avgörande nästa steg för att göra denna teknik till ett kraftfullare och mer förutsägbart verktyg för att förstärka världens åldrande betonginfrastruktur.

Citering: Shamseldein, A., ELgabbas, F., Kohail, M. et al. Flexural strengthening of RC beams using basalt textile reinforced mortar: experimental and analytical investigation. Sci Rep 16, 7382 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37322-3

Nyckelord: förstärkning av armerad betong, basalttextilförstärkt murbruk, textilförstärkt murbruk, balkars böjegenskaper, strukturell eftermontering