Свойства бетонов в странах с низкими температурами

Проблема долговечности бетона в конструкциях сооружений, используемых в суровых климатических условиях, занимает одно из ведущих мест в научных разработках как в России, так и за ее пределами (США, Япония, Канада, Великобритания и др.). Низкие отрицательные температуры (до -60 °С), долгий зимний период, резкие перепады температур в течение короткого времени, наличие вечномерзлых грунтов приводят к преждевременному разрушению бетона в различного рода сооружениях.
 Были проведены исследования, позволяющие глубже понять деструктивные процессы, протекающие при охлаждении бетона до -60 °С. Определено, что при повышении температуры промерзшего до низких температур и водонасыщенного бетона на один градус, в его структуре возникают растягивающие напряжения примерно 0,1-0,2 МПа. Быстрое нагревание промерзшего бетона за счет изменения температуры воздуха на 15-20 °С приводит к образованию растягивающих напряжений, сопоставимых с прочностью бетона при растяжении. Анализ изменения суточной температуры окружающей среды по пяти месяцам с наиболее низкой среднемесячной температурой позволил вычислить более 50 изменений температуры с перепадом 15 °С за три часа и более 15 колебаний - с перепадом 25 °С в течение 24 часов. Эффект циклических температур в интервале отрицательных значений влияет на постепенное уменьшение упругих и механических характеристик бетона и уменьшению его стойкости.
Для количественной оценки этого снижения прочности были проведены лабораторные исследования на кубиках с ребром 10 см. Кубики делали из бетона различных составов, отличающихся расходом цемент, водоцементным отношением и, следовательно, прочностью бетона (см. Таблицу). При изготовлении применяли цемент марки М500 (Белгородский завод), щебень гранитный фракций 5-10 и 10-20 мм в соотношении 1: 1, кварцевый песок с модулем крупности, равным 2. Обрацемензцы бетона, указанных в таблице составов, были испытаны на морозостойкость по основному методу. Морозостойкость образцов состава 1 с открытой пористостью 4,1 %, составила 300 циклов, состава 2 (По = 5.6 %) - 200, состава 3 (По = 7,5 %) - 50.
Изготовленные образцы находились в течение 7 суток в обычных температурно-влажностных условиях. В дальнейшем их насыщали водой до постоянной массы и помещали в морозильную установку, обеспечивающую колебания температуры в интервале от -50 до -20 °С, после этого кубики подвергали сжатию. Тонкий слой льда на поверхности кубиков препятствовал испарению влаги.
Результаты испытаний точно свидетельствуют о сильном снижении прочности бетона на начальных циклах переменного воздействия минусовых температур, в результате миграции незамерзшей воды из пор геля к кристаллам льда в микро-и макрокапиллярах и, как результат этого, увеличением этих кристаллов. Уменьшение прочности бетона в значительной мере зависит от водоцементного отношения (В/Ц).
Весьма весомое падение прочности (до 30 %) происходит у кубиковсостава 3 с наибольшим водоцементным отношением (0,7).
Соответственно, испытания подтвердили, что в северных климатических условиях бетоны подвергаются специфическим воздействиям внешней среды, которые приводят к расшатыванию структуры материала, что серьезно уменьшает долговечность бетонных и железобетонных конструкций, расположенных в местах вечной мерзлоты. Для оценки уменьшения прочности бетона в промежутке отрицательных температур (без перехода чере 0 °С ) представляется целесообразным введение термина "морозостойкость II рода".
Следующим шагом в экспериментально-теоретических исследованиях деструктивных процессов в промерзшем бетоне должна стать дифференцированный анализ влияния степени водонасыщения на свойства бетона в этих климатических условиях.
Показатели прочности бетона при сжатии при воздействии циклического колебания температуры в промежутке от -20 до 50°С (цифры у кривых - номера составов бетона по таблице)