Исследователи из Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий объединили сверхвысокопрочный фибробетон с арматурой из железосодержащего сплава с памятью формы, создав усиливающий слой, способный активно создавать предварительное напряжение в существующих мостовых плитах, что предлагает новое решение для ремонта стареющих мостов по всему миру.
В США данные Федерального управления автомобильных дорог показывают, что десятки тысяч мостов классифицируются как конструктивно дефектные, и ряд европейских стран сталкивается с аналогичными проблемами стареющей инфраструктуры. Полная замена мостов обходится дорого и вызывает серьезные неудобства, поэтому отрасль обращается к стратегиям продления срока службы. Традиционные методы усиления основаны на внешнем пост-натяжении, стальных пластинах или ламинатах из полимеров, армированных волокном, и обычно требуют сложного анкерного оборудования и значительного времени на установку.
Инновация швейцарской исследовательской группы заключается в замене традиционной арматуры в слое покрытия на арматуру из сплава с памятью формы. Эти стержни устанавливаются в предварительно растянутом состоянии. При нагревании примерно до 200°C сплав пытается восстановить свою первоначальную форму, но, будучи заанкеренным в бетоне и не имея возможности свободно сжиматься, создает внутри конструкции сжимающие напряжения, вводя предварительное напряжение без использования гидравлических домкратов или натяжных систем. Железосодержащий сплав с памятью формы содержит такие элементы, как марганец, кремний и хром; нагрев запускает его возврат к исходной конфигурации, сжимающие напряжения передаются через зоны анкеровки в окружающий материал, что позволяет закрывать трещины и слегка приподнимать провисшие элементы.
Исследовательская группа провела полномасштабные эксперименты с использованием пятиметровых бетонных плит, представляющих консольные мостовые настилы. Перед усилением эти плиты были намеренно растресканы, чтобы имитировать износ реальных мостов. После установки арматуру с памятью формы активировали нагревом, и наблюдатели зафиксировали немедленное закрытие трещин и исчезновение остаточных деформаций. Исследовательская группа отслеживала поведение конструкции с помощью оптических камер для отслеживания трещин и встроенных вдоль арматуры волоконно-оптических датчиков. Исследователь Кристоф Чадерски пояснил: «Используемые нами датчики работают по принципу, аналогичному волоконно-оптическим кабелям в телекоммуникациях. Вместо отправки закодированных данных по волокну мы анализируем обратное рассеяние света, что позволяет нам точно видеть, как деформируется арматура».
По сравнению с необработанными образцами, несущая способность усиленных плит увеличилась как минимум вдвое. Плиты, усиленные арматурой с памятью формы, демонстрировали большую жесткость, меньшие остаточные деформации и лучший контроль трещинообразования при повторных циклах нагружения. Руководитель исследования Анжела Секейра Лемуш заявила: «Мы смогли доказать, что наша система не только эффективна, но и действительно может revitalizировать существующие мосты». Проект финансируется Innosuisse и разрабатывается в сотрудничестве с Университетом прикладных наук Восточной Швейцарии, дочерней компанией re fer и Швейцарской ассоциацией цементной промышленности; в настоящее время ведется поиск возможностей для демонстрации на реальном мосту.