Проблема долговечности бетона в конструкциях построек, эксплуатируемых в суровых климатических условиях, занимает одно из ведущих мест в научных разработках как в России, так и за ее пределами ( Великобритания, Германия, Канада, США, Япония 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 различных сооружениях.
Были проведены исследования, позволяющие глубже понять деструктивные процессы, протекающие при охлаждении бетона до -60 °С. Выяснено, что при увеличении температуры промерзшего до низких температур и водонасыщенного бетона на один градус, в его скелете возникают растягивающие напряжения около 0,1-0,2 МПа. Быстрый нагрев промерзшего бетона за счет колебания температуры окружающей среды на 15-20 °С приводит к образованию растягивающих напряжений, сопоставимых с прочностью бетона при растяжении. Анализ изменения суточных температур окружающей среды по пяти месяцам с наиболее низкой температурой за месяц позволил обнаружить около 50 колебаний температуры с перепадом 15 °С в течение 3 ч и более 15 колебаний - с перепадом 25 °С в течение суток. Воздействие циклических температур в интервале отрицательных показаний влияет на постепенное снижение упругих и механических характеристик бетона и уменьшению его стойкости.
Для определения этого снижения прочности были произведены лабораторные исследования на образцах кубиков с ребром 10 см. Образцы изготавливали из бетона различных составов, варьировавшихся содержанием
цемента, водоцементным отношением и, соответственно, прочностью бетона (см. Таблицу). При изготовлении использовали цемент Белгородского завода М500, гранитный щебень фракций 5-10 и 10-20 мм отношение 1: 1, кварцевый
песок 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 образцы хранили в течение 7 суток в обычных температурно-влажностных условиях. В дальнейшем их насыщали влагой до постоянной массы и направляли в морозильную установку, поддерживающую колебания температуры в интервале от -50 до -20 °С, после чего образцы подвергали сжатию. Тонкий слой льда на поверхности образцов не давал ипаряться влаге.
Результаты эксперимента явно указывают на сильное снижение прочности бетона на начальных циклах переменного воздействия отрицательных температур, что характерно миграцией незамерзшей воды из пор геля к кристаллам льда в микро-и макрокапиллярах и, как результат всего этого, увеличением этих кристаллов. Снижение прочности бетона в значительной степени зависит от водоцементного отношения (В/Ц).
Очень существенное снижение прочности (до 30 %) наблюдается у образцов состава 3 с наибольшим В/Ц (0,7).
Соответственно, испытания подтвердили, что в северных климатических условиях бетоны находятся под специфическим влиянием внешней среды, которые приводят к нарушению структуры материала, что серьезно снижает долговечность бетонных и железобетонных фундаментов, расположенных в местах вечной мерзлоты. Для оценки уменьшения прочности бетона в интервале отрицательных температур (без перехода чере 0 °С ) представляется целесообразным введение понятия "морозостойкость II рода".
Дальнейшим шагом в экспериментально-теоретических исследованиях деструктивных процессов в промерзшем бетоне должна быть дифференцированная оценка влияния количества водонасыщения на прочность бетона в описанных климатических условиях
Изменение прочности бетона при сжатии при воздействии циклического колебания температуры в промежутке от -20 до 50°С (цифры у кривых - номера составов бетона по таблице)
