Проблема долговечности бетона в конструкциях зданий, эксплуатируемых в суровых климатических условиях, занимает одно из ведущих мест в научных исследованиях как в России, так и за ее пределами ( США, Япония, Франция и др.). Низкие отрицательные температуры (до -60 °С), долгий зимний период, постоянные перепады температур, 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 увеличении температуры промерзшего до низких температур и водонасыщенного бетона на один градус, в его скелете возникают растягивающие напряжения примерно 0,1-0,2 МПа. Быстрое нагревание промерзшего бетона за счет изменения температуры окружающей среды на 15-20 °С приводит к появлению растягивающих напряжений, сравнимых с прочностью бетона при растяжении. Анализ изменения суточной температуры наружного воздуха по пяти месяцам с наиболее низкой среднемесячной температурой позволил вычислить более 50 изменений температуры с перепадом 15 °С за три часа и более 15 изменений - с перепадом 25 °С в течение суток. Действие циклических температур в промежутке отрицательных значений способствует постепенному уменьшению упругих и механических характеристик бетона и снижению его стойкости.
Для определения этого снижения прочности были произведены лабораторные исследования на образцах кубиков с ребром 10 см. Кубики изготавливали из бетона разных составов, варьировавшихся расходом
цемента, водоцементным отношением и, соответственно, прочностью бетона (см. Таблицу). При изготовлении применяли портландцемент марки М500 (Белгородский завод), щебень гранитный фракций 5-10 и 10-20 мм пропорция 1: 1,
песок кварцевый с модулем крупности, равным 2. Кубики, указанных в таблице составов, были испытаны на морозостойкость по основному методу. Морозостойкость образцов состава 1, имеющих открытую пористость 4,1 %, составила 300 циклов, состава 2 (По = 5.6 %) - 200, состава 3 (По = 7,5 %) - 50.
Изготовленные кубики находились в течение 7 суток в нормальных температурно-влажностных условиях. В дальнейшем их насыщали водой до постоянной массы и помещали в морозильную установку, обеспечивающую изменения температуры в промежутке от -50 до -20 °С, после чего кубики испытывали на сжатие. Тонкий слой льда на поверхности кубиков препятствовал испарению влаги.
Результаты испытаний явно показывают на сильное снижение прочности бетона на начальных циклах циклического воздействия минусовых температур, что объясняется миграцией незамерзшей воды в порах геля к кристаллам льда в микро-и макрокапиллярах и, как следствие этого, увеличением этих кристаллов. Падение прочности бетона в значительной мере зависит от водоцементного отношения (В/Ц).
Весьма значительное снижение прочности (до 30 %) происходит у образцов состава 3 с наибольшим В/Ц (0,7).
В результате, исследования подтвердили, что в северных климатических условиях бетоны находятся под специфическим влиянием внешней среды, которые приводят к нарушению структуры материала, что существенно уменьшает долговечность бетонных и железобетонных конструкций, расположенных в местах вечной мерзлоты. Для анализа снижения прочности бетона в промежутке отрицательных температур (без перехода чере 0 °С ) представляется целесообразным введение понятия "морозостойкость II рода".
Следующим шагом в экспериментально-теоретических испытаниях деструктивных процессов в промерзшем бетоне должна быть дифференцированная оценка влияния степени водонасыщения на прочность бетона в описанных климатических условиях.
Показатели прочности бетона при сжатии при воздействии циклического колебания температуры в интервале от -20 до 50°С (цифры у кривых - номера составов бетона по таблице)
