Анализ прочностных свойств бетона при низких отрицательных температурах

Проблема долговечности бетона в конструкциях построек, используемых в суровых климатических условиях, занимает одно из ведущих мест в научных исследованиях как в России, так и за ее пределами (США, Великобритания, Япония, Канада и др.). Низкие отрицательные температуры (до -60 °С), долгий зимний период, постоянные перепады температур, наличие вечномерзлых грунтов приводят к преждевременному разрушению бетона в различных сооружениях.

Были проведены исследования, позволяющие глубже понять деструктивные процессы, протекающие при при низких температурах в бетоне до -60 °С. Выяснено, что при увеличении температуры промерзшего до низких температур и водонасыщенного бетона на один градус, в его структуре возникают растягивающие напряжения примерно 0,1-0,2 МПа. Быстрый нагрев промерзшего бетона за счет колебания температуры воздуха на 15-20 °С приводит к образованию растягивающих напряжений, сравнимых с прочностью бетона при растяжении. Анализ изменения температуры за 24 часа окружающей среды по пяти месяцам с наиболее низкой температурой за месяц позволил вычислить около 50 колебаний температуры с перепадом 15 °С в течение 3 ч и более 15 колебаний - с перепадом 25 °С в течение 24 часов. Эффект циклических температур в интервале отрицательных значений способствует постепенному снижению упругих и механических характеристик бетона и снижению его стойкости.

Для количественной оценки этого снижения прочности были произведены исследования в лаборатории на образцах-кубах с ребром 10 см. Образцы делали из бетона разных составов, отличающихся расходом цемента, водоцементным отношением и, соответственно, прочностью бетона (см. Таблицу). При изготовлении применяли цемент марки М500 (Белгородский завод), щебень гранитный фракций 5-10 и 10-20 мм отношение 1: 1, песок кварцевый с модулем крупности, равным 2. Кубики, указанных в таблице составов, были испытаны на морозостойкость по основному методу. Морозостойкость кубиков состава 1, имеющих открытую пористость 4,1 %, составила 300 циклов, состава 2 (По = 5.6 %) - 200, состава 3 (По = 7,5 %) - 50.

Сделанные образцы находились в течение 7 дней в обычных температурно-влажностных условиях. В дальнейшем их насыщали влагой до постоянной массы и направляли в морозильную камеру, обеспечивающую изменения температуры в интервале от -50 до -20 °С, после чего образцы подвергали сжатию. Тонкий слой льда на поверхности образцов мешал испарению влаги. Результаты испытаний явно свидетельствуют о сильном снижении прочности бетона на первых циклах переменного действия отрицательных температур, в результате миграции незамерзшей жидкости в порах геля к кристаллам льда в микро-и макрокапиллярах и, как следствие этого, увеличением этих кристаллов. Снижение прочности бетона в значительной степени зависит от водоцементного отношения (В/Ц).

Весьма серьезное падение прочности (до 30 %) наблюдается у кубиковсостава 3 с наибольшим водоцементным отношением (0,7).

В результате, испытания подтвердили, что в условиях северного климата бетоны подвергаются специфическим воздействиям внешней среды, которые приводят к нарушению структуры материала, что существенно уменьшает долговечность бетонных и железобетонных конструкций, находящихся в районах вечной мерзлоты. Для анализа снижения прочности бетона в промежутке минусовых температур (без перехода через 0 °С ) представляется разумным введение термина "морозостойкость II рода".

Следующим шагом в экспериментально-теоретических исследованиях деструктивных процессов в промерзшем бетоне должна стать дифференцированный анализ влияния количества водонасыщения на свойства бетона в данных климатических условиях.

Показатели прочности бетона при сжатии при воздействии циклического изменения температуры в интервале от -20 до 50°С (цифры у кривых - номера составов бетона по таблице)