Бетоны и их зависимость прочности от циклического колебания температуры
Потребность долговечности бетона в конструкциях сооружений, эксплуатируемых в суровых климатических условиях, занимает одно из ведущих мест в научных разработках как в России, так и за ее пределами ( Великобритания, Франция, Германия и др.). Низкие отрицательные температуры (до -60 °С), продолжительный 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 разобраться в деструктивных процессах, протекающие при при низких температурах в бетоне до -60 °С. Определено, что при увеличении температуры промерзшего до низких температур и водонасыщенного бетона на один градус, в его структуре возникают растягивающие напряжения около 0,1-0,2 МПа. Быстрое нагревание промерзшего бетона за счет колебания температуры воздуха на 15-20 °С приводит к появлению растягивающих напряжений, сопоставимых с прочностью бетона при растяжении. Анализ изменения температуры за 24 часа наружного воздуха за пять месяцев с наиболее низкой температурой за месяц позволил вычислить более 50 колебаний температуры с перепадом 15 °С в течение 3 ч и более 15 изменений – с перепадом 25 °С в течение 24 часов. Воздействие циклических температур в интервале отрицательных показаний способствует постепенному уменьшению упругих и механических характеристик бетона и уменьшению его стойкости.
Для определения этого уменьшения прочности были произведены лабораторные ипытания на кубиках с ребром 10 см. Кубики делали из бетона различных составов, варьировавшихся содержанием цемента, водоцементным отношением и, соответственно, прочностью бетона (см. Таблицу). При исследованиях использовали цемент Белгородского завода М500, гранитный щебень фракций 5-10 и 10-20 мм в соотношении 1: 1, песок кварцевый с модулем крупности, равным 2. Образцы бетона, указанных в таблице составов, были испытаны на морозостойкость по основному методу. Морозостойкость образцов состава 1 с открытой пористостью 4,1 %, соответствовала 300 циклам, состава 2 (По = 5.6 %) – 200, состава 3 (По = 7,5 %) – 50.
Сделанные кубики хранили в течение 7 дней в обычных температурно-влажностных условиях. Далее их насыщали влагой до постоянной массы и помещали в морозильную установку, обеспечивающую изменения температуры в промежутке от -50 до -20 °С, после чего образцы испытывали на сжатие. Тонкий слой льда на поверхности кубиков не давал ипаряться влаге.
Результаты эксперимента однозначно показывают на сильное снижение прочности бетона на первых циклах циклического действия минусовых температур, что характерно миграцией незамерзшей жидкости в порах геля к кристаллам льда в микро-и макрокапиллярах и, как результат этого, ростом этих кристаллов. Снижение прочности бетона в значительной степени происходит от водоцементного отношения (В/Ц).
Весьма существенное падение прочности (до 30 %) происходит у образцов состава 3 с наибольшим В/Ц (0,7).
В результате, испытания подтвердили, что в условиях северного климата бетоны подвергаются специфическим воздействиям внешней среды, которые приводят к расшатыванию структуры материала, что значительно сокращает долговечность бетонных и железобетонных конструкций, находящихся в районах вечной мерзлоты. Для анализа потери прочности бетона в промежутке отрицательных температур (без перехода чере 0 °С ) представляется разумным введение термина «морозостойкость II рода».
Следующим шагом в экспериментально-теоретических исследованиях деструктивных процессов в промерзшем бетоне должна быть дифференцированная оценка влияния количества водонасыщения на прочность бетона в данных 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)
