Бетоны и их зависимость прочности от циклического колебания температуры

Потребность 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 (Япония, Великобритания, США, Канада и др.). Низкие отрицательные температуры (до -60 °С), продолжительный зимний период, постоянные перепады температур, наличие вечной мерзлоты 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. Резкий нагрев промерзшего бетона за счет колебания температуры окружающей среды на 15-20 °С приводит к образованию растягивающих напряжений, сравнимых с прочностью бетона при растяжении. Анализ изменения температуры за 24 часа окружающей среды за пять месяцев с наиболее низкой среднемесячной температурой позволил зафиксировать около 50 колебаний температуры с перепадом 15 °С за три часа и более 15 колебаний - с перепадом 25 °С в течение суток. Действие циклических температур в интервале отрицательных значений способствует постепенному уменьшению упругих и механических свойств бетона и уменьшению его стойкости. Для количественной оценки этого снижения прочности были проведены лабораторные ипытания на образцах кубиков с ребром 10 см. Кубики делали из бетона разных составов, отличающихся расходом цемента, водоцементным отношением и, соответственно, прочностью бетона (см. Таблицу).

При исследованиях применяли цемент Белгородского завода М500, щебень гранитный фракций 5-10 и 10-20 мм в соотношении 1: 1, песок кварцевый с модулем крупности, равным 2.Кубики, указанных в таблице составов, были подвергнуты испытаниям 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. Произведенные кубики находились в течение 7 суток в нормальных температурно-влажностных условиях.

Далее их насыщали влагой до постоянной массы и направляли в морозильную камеру, обеспечивающую колебания температуры в промежутке от -50 до -20 °С, после чего кубики подвергали сжатию. Тонкий слой льда на поверхности кубиков мешал испарению влаги. Результаты испытаний однозначно указывают на сильное снижение прочности бетона на начальных циклах переменного воздействия минусовых температур, что объясняется миграцией незамерзшей воды в порах геля к кристаллам льда в микро-и макрокапиллярах и, как следствие этого, ростом этих кристаллов. Падение прочности бетона в значительной мере происходит от водоцементного отношения (В/Ц). Очень существенное снижение прочности (до 30 %) происходит у кубиковсостава 3 с наибольшим В/Ц (0,7).

В результате, исследования подтвердили, что в условиях северного климата бетоны подвергаются специфическим влиянием внешней среды, которые приводят к нарушению структуры материала, что значительно уменьшает долговечность бетонных и железобетонных фундаментов, находящихся в местах вечной мерзлоты. Для анализа снижения прочности бетона в промежутке минусовых температур (без перехода чере 0 °С) представляется целесообразным введение термина "морозостойкость II рода".

Следующим шагом в экспериментально-теоретических испытаниях деструктивных процессов в промерзшем бетоне должна быть дифференцированный анализ воздействия количества водонасыщения на прочность бетона в данных 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) http://cementishe.com.ua/Templates/files/grafik.jpg http://cementishe.com.ua/Templates/files/tabl.jpg
Автор статьи:  И. С КИСЛАН, кандидат технических наук