Ультразвук и оптоволокно выявляют невидимые изменения в мостах

Захваченная влага и воздух могут воздействовать на предварительно напряженную сталь, а сам бетон реагирует на погоду и температуру. Эти изменения являются частью повседневной жизни в здании, но в то же время они являются важной отправной точкой для поиска внутренних повреждений.

«Однако мы рассматриваем бетон не как камень, а скорее как губку», — объясняет доктор Марк Александр Аренс из RUB.

Ультразвук обнаруживает разрывы без трещин.

В ходе испытаний, опубликованных в 2026 году, под нагрузкой исследовалась балка из предварительно напряженного бетона длиной семь метров. Исследователи разрезали одну за другой шесть предварительно напряженных стальных прядей и контролировали реакцию с помощью 28 встроенных ультразвуковых датчиков.

Датчики зафиксировали мельчайшие изменения в многократно рассеянных звуковых волнах, проходящих через бетон. Эта так называемая кода-волновая интерферометрия показала, где было потеряно предварительное напряжение, даже когда первые три разрушения не привели к появлению видимых трещин.

«Мы оборудуем мост сетью ультразвуковых передатчиков и приемников, по одному примерно через каждые пять метров», — объясняет Ной Стретер.

Указанное расстояние описывает желаемую измерительную сеть для мостов, а не лабораторную установку: изначально расстояние датчика составляло 30 сантиметров. На исследованных расстояниях 60 и 90 сантиметров точность локации снижалась, а после развития трещин в бетоне пораженный слой предварительно напряженной стали уже нельзя было четко определить.

Стекловолокно выявляет скрытые повреждения

Второй подход измеряет не звук, а скорее небольшие деформации на бетонной поверхности. Для этого Эней Пауль и его коллеги приклеили стекловолокно к предварительно напряженным бетонным опорам и намеренно вызвали трещины внутри лаборатории.

Волокна, прикрепленные к компонентам, считываются с помощью лазерного света и позволяют измерить мельчайшие изменения деформации. В исследовании, опубликованном в 2025 году, трещины в предварительно напряженной стали можно было обнаружить и локализовать на глубине до 25 сантиметров ниже поверхности бетона.

«Если пряди предварительного напряжения выходят из строя внутри моста, это становится заметным на его поверхности из-за эффектов растяжения, которые невозможно увидеть невооруженным глазом», — объясняет Эней Пауль.

Во время более позднего испытания на исследовательском мосту openLAB длиной около 45 метров в Баутцене стекловолокна были прикреплены снаружи, а сухожилия были повреждены. Это полевое испытание предоставило данные измерений в более реалистичных условиях, но еще не является доказательством надежного и комплексного мониторинга обычных транспортных мостов.

Автоматической системы раннего предупреждения пока нет

На практике оба метода имеют разные сильные стороны: ультразвук требует сравнительно небольших усилий, а стекловолокно регистрирует деформации на больших расстояниях с высоким разрешением. Однако оптические измерения генерируют большие объемы данных, склеенные волокна могут порваться, а на сигналы влияют температура, влажность или трафик.

Модернизированная система не может восстановить предыдущее новое состояние, а скорее наблюдает изменения с начала серии измерений. Чтобы отклонения от нормы стали достоверными выводами о безопасности, измеренные значения для каждого моста должны оцениваться на основе его конструкции и известных слабых мест.

В будущем датчики могут помочь лучше оценить оставшийся срок полезного использования и подготовить необходимое усиление или замену зданий. Станет ли эта система надежной системой раннего предупреждения для широкого использования, еще предстоит увидеть в ходе дальнейших испытаний в повседневных условиях эксплуатации.

Источники:

1. Ноябрь 2026 г. — Клара Лю