3. Влияние физико-механических характеристик бетона на долговечность конструкций

Первые исследования физико-механических характеристик бетона при отрицательных температурах были проведены в прошлом веке советскими учеными Б. Г. Скрамтаевым, Е. Е. Дорноуш, С. А. Мироновым, А. С. Шаевичем, Г. И. Гориным, зарубежными учеными — Шульцем, Альтнером, Монфоре, Ленцем, Маньелем. В этих работах было установлено увеличение прочности бетона на сжатие от 27%, по данным Шульца и Альтнера – до 200 %, по данным С. А. Миронова. Испытания на изгиб предварительно напряженной железобетонной балки длиной 6 м, выполненные Маньелем, показали увеличение прочности на растяжение при изгибе на 112 % при охлаждении бетона до -40°С. Охладив бетонную призму 10x10x50 см до -150°С и подвергнув ее изгибу, Шульц и Альтнер установили, что прочность бетона на растяжение при изгибе увеличилась на 190%. Монфоре и Лентц при определении прочности на осевое растяжение охлажденного бетона определяли также ультразвуковым методом величину динамического модуля упругости. Оказалось, что эти характеристики бетона увеличиваются с понижением температуры охлаждения [9].

Первые исследования не ставили своей целью детальное изучение изменения физико-механических характеристик бетона от его температуры. Прочностные и деформативные характеристики бетона при отрицательных температурах определялись как промежуточные данные при исследовании влияния степени замораживания на прочность после оттаивания. Однако уже в этих исследованиях было четко установлено, что прочностные и деформативные характеристики бетона с понижением температуры увеличиваются и степень изменения их зависит от возраста бетона, его состава, влажности.

Одной из первых работ, поставившей своей задачей изучить влияние степени понижения температуры бетона различной влажности на изменение его кубиковой и призменной прочности, статического модуля упругости, была работа Н. В. Свиридова. Исследования показали, что с понижением температуры охлаждения бетона до —50°С происходит рост кубиковой прочности на 52%, рост статического модуля упругости —на 26 %, а призменная прочность при температуре —40°С возрастает на 109 %. Результаты экспериментальных исследований выявили существенное влияние влажности бетона на изменение его физико-механических характеристик при охлаждении. Увеличение влажности бетона с 2,1 до 3,5 и 4,5 % вызывало рост кубиковой прочности при охлаждении до —40°С соответственно на 120, 127 и 155%.

Расширяя исследования влияния влажности бетона на изменение его прочностных и деформативных характеристик при охлаждении до -196°С, А.Н. Савицкий пришел к выводу, что рост прочности бетона при охлаждении зависит от его степени водонасыщения. Повышение влажности бетона вызывает при охлаждении не только рост его прочности, но может вызвать и резкое снижение прочностных характеристик. Оказалось, что бетон при степени водонасыщения более 81÷90 % и температуре охлаждения —40°С и ниже резко снижает все свои прочностные характеристики, что естественно сокращает время эксплуатации конструкций.

Развивая эти положения, В. М. Москвин, М. М. Капкин, Л. Н. Антонов ввели понятие о «критическом водонасыщении бетона» [7], как о наименьшей величине заполнения объема пор водой, при которой наблюдается незначительное относительное снижение прочности и модуля упругости бетона в охлажденном состоянии. Ими экспериментально была определена величина критического водонасыщения бетона, как функция степени понижения отрицательной температуры. При охлаждении бетона до температуры -10° ÷ -60°С она изменяется от 90 до 65% от предельного водонасыщения объема пор.

Таким образом установлено, что при понижении температуры прочность и модуль упругости бетона возрастают, т. е. с одной, стороны, понижение температуры способствует улучшению качества материала, поскольку он становится прочнее, а с другой стороны, понижение температуры вызывает появление температурных напряжений, величина которых зависит от степени охлаждения и от величины модуля упругости. Это необходимо учитывать при проектировании зданий и сооружений для районов Крайнего Севера [7].

Снизить отрицательное влияние низких температур на долговечность материала можно как путем выбора рациональной конструктивной схемы, так и выбора составляющих бетонной смеси с целью получения бетона с наименьшим модулем упругости.