Механики выяснили, что бетоны, содержащие искусственные добавки, например строительные отходы, более устойчивы к ударам, чем эти же материалы, но с природными заполнителями. Кроме того, авторы определили, что повысить прочность бетона можно за счет формы используемых волокон — при разных видах нагрузок лучшим оказался спиралевидный заполнитель. Полученные данные помогут разработать оптимальный состав для прочных и долговечных бетонных конструкций.

Результаты работы ученых, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Mechanics of Materials.

В процессе любого строительства образуется большое количество отходов, которые зачастую не только не находят дальнейшего применения, но и вредят окружающей среде и здоровью людей. В последние годы ученые предлагают использовать строительные отходы повторно в качестве заполнителя в бетонных конструкциях при возведении жилых домов и других зданий. Кроме того, такой заполнитель помогает сэкономить природные аналоги — песок, щебень и гравий.

Поскольку бетонные конструкции могут подвергаться значительным динамическим нагрузкам, таким как землетрясения или сильные удары, при использовании заполнителей из отходов важно точно определить, насколько прочным будет конечный материал.

Механики из Санкт-Петербургского государственного университета и Института проблем машиноведения РАН (Санкт-Петербург) смоделировали поведение бетонных конструкций с различными заполнителями при динамических нагрузках. За основу авторы взяли ранее опубликованные экспериментальные данные по прочности соответствующих материалов. Так, ученые сравнили бетонные конструкции с разным количеством наполнителя из отходов, а также углеродных волокон, стали и синтетики, которые используются в качестве добавок, улучшающих качество бетона.

«При расчетах прочности при ударе мы использовали подход, основанный на оценке постоянного параметра инкубационного времени. Последний позволяет понять, сколько времени пройдет между тем, как в бетоне появятся микротрещины, и полным его разрушением. Эта характеристика учитывает сложные процессы, влияние которых усиливается в материале при динамических нагрузках. К примеру, полученные нами результаты помогут определить, какой бетон нужно использовать, чтобы дом вдруг не «сложился» после землетрясения», — рассказывает первый автор статьи и исполнитель проекта, поддержанного РНФ, Нина Селютина, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры теории упругости СПбГУ.

Исследователи установили, что лучше всего выдерживал динамические нагрузки бетон, на 50–60% заполненный строительными отходами. Именно такой материал дольше всего не разрушался — даже после появления микротрещин. Одной из причин этого может быть то, что в бетоне с отходами существенно больше воды, которая, заполняя микропоры в материале при динамических нагрузках, приводила к эффекту упрочнения. Кроме того, ученые выяснили, что на свойства бетона влияет и форма волокон в наполнителе. Так, волокна в виде спиралей делают конструкции прочнее и более устойчивыми к разрушению после появления микротрещин.

«Предлагаемый подход можно легко применить в инженерной практике, он будет полезен в разработке стандартов для динамических испытаний бетона. В дальнейшем мы продолжим исследовать прочность бетона с различными наполнителями при динамических и температурных нагрузках», — заключает Нина Селютина.