Работа и разрушение бетона в условиях высоких и низких температур

Бетонные и железобетонные конструкции порой работают в сложных условиях связанных с высокой или низкой температурой, в условиях агрессивных сред, динамических воздействий и т.д. Наиболее часто возникающими неблагоприятными условиями работы бетона в процессе эксплуатации железобетонных конструкций являются высокие температуры технологического процесса или при пожаре и низкие температуры, в т.ч. циклическое замораживание-оттаивание бетона, в холодный период года.

Наиболее частая причина разрушения бетона - воздействие низких температур, а именно попеременное замораживание-оттаивание влажного бетона незащищенных от атмосферных воздействий бетонных и железобетонных конструкций. Отрицательное воздействие низких температур на бетон в первую очередь связано с процессом замерзания химически несвязанной воды, находящейся в теле бетона (в порах и капиллярах цементного каркаса). При этом разрушение бетона при действии отрицательных температур может происходить под действие одного или нескольких факторов одновременно:

гидростатическое давление жидкости на стенки пор и капилляров цементного камня в процессе льдообразования;
гидравлическое давление незамерзшей жидкости при ее отжатии от фронта промерзания растущими кристаллами льда в резервные (незаполненные водой) поры и капилляры;
непосредственное давление растущих кристаллов льда на стенки пор и капилляров, а также макро- и микроскопическая сегрегация льда;
осмотическое давление, возникающее в капиллярах и порах цементного камня в процессе массо- теплопереноса при замораживании и оттаивании бетона;
температурные напряжения, возникающие в бетоне из-за различных коэффициентов температурных деформаций жесткого скелета и льда.

Кроме того дополнительные напряжения в бетоне под воздействие низких температур создаются благодаря различию деформаций по температуре различных составляющих железобетонных конструкций.

Под действие отрицательных температур, т.е. попеременного замораживания-оттаивания, можно наблюдать четыре основных типа разрушения бетона:

возникновение трещин в бетоне по всем направлениям по поверхности изделия;
отслаивание защитного слоя бетона конструкций;
коррозия арматуры;
поверхностные сколы бетона конструкций.

Защита бетона от разрушения на улице и способность сопротивляться воздействию низких температур характеризуется маркой по морозостойкости F, количественно выраженной в циклах попеременного замораживания-оттаивания до появления видимых признаков разрушения и до определенной потери бетоном ряда нормируемых показателей – плотность, прочность, динамическая упругость. Марка по морозостойкости определяется по результатам лабораторных испытаний образцов бетона, замораживанием и оттаиванием, с визуальным контролем их состояния, контролем веса образцов, скорости прохождения ультразвука через образцы, определением динамического модуля упругости бетона образцов и сравнения их с начальными значениями [1].

Другим полюсом температурных воздействий на бетон являются высокие температуры, обусловленные технологическими процессами или огневым воздействием в условиях пожара. Поскольку бетонные и железобетонные конструкции, подвергающиеся воздействиям высоких температур вследствие технологических процессов, обычно, имеют какую либо защиту от таковых воздействий, их рассмотрение имеет некоторую специфику. Для упрощения ограничимся рассмотрением температурного воздействия в условиях пожара на бетон незащищенных конструкций, что хоть и является аварийным воздействие, однако имеет большее распространение, чем высокотемпературные воздействия от технологических процессов.

В процессе пожара температура в помещении может подниматься до 1000-1200˚С при продолжительности пожара 1-2 часа [4]. В условиях пожара в железобетонных конструкциях происходит снижение прочности бетона и арматуры и при достижении определенной температуры это снижение становиться необратимым. Так при до нагреве 400˚С бетон начинает резко терять прочность и при достижении температуры 800˚С и выше (температура разрушения бетона) бетон теряет 90% и более своей прочности. При этом, если температура бетона не достигла 500˚С, то его прочность может восстановиться до 90% начального значения в течении года[4, 5]. При больших температурах прочность бетона снижается необратимо, а при остывании и выдерживании в нормальных условиях продолжает снижаться. Данное снижение прочности происходит вследствие нарушения структуры затвердевшего портландцемента из-за усиливающейся разнозначности деформации гелеобразной части цементного камня неразложившихся зерен клинкера, а также из-за дегидратации Са(ОН)₂ [4]. Также бетон получает дополнительное снижение прочности при тушении пожара, т.е. при охлаждении бетона водой после нагрева в условиях пожара.

Кроме изменения прочности при нагревании бетона происходит изменение его упругопластических свойств, модуль упругости снижается и при этом происходит рост пластических деформаций бетона под нагрузкой [4]. Так при нагреве до 500˚С происходит снижение модуля упругости до 43% а при 700˚С до 18% от начального значения [4]. При этом при достижении бетоном температуры 400˚С начинается резкий рост пластических деформаций, что также обуславливается нарушением и изменением структуры бетона.

Кроме того, при нагреве бетона до высоких температур происходит его необратимая усадка [4, 5]. Также при нагреве бетона в условиях пожара может наблюдаться его взрывообразное разрушение в виде отколов бетона на глубину 5-10см [4] вследствие возникновения высокого давления пара в замкнутых порах.

Однако следует отметить, что бетонные и железобетонные конструкции обладают значительными размерами сечений, а сам бетон обладает некоторым сопротивлением теплопередаче, в силу чего для его прогрева до высоких температур на всю толщину требуется значительное время и при быстрой ликвидации пожара часто необратимые повреждения получают только поверхностные слои бетона конструкций. Поэтому, поврежденные в результате пожара железобетонные и бетонные конструкции не всегда оказываются непригодными к дальнейшей эксплуатации или последующему восстановлению.

Возможность дальнейшей эксплуатации или последующего восстановления бетонных и железобетонных конструкций, получивших повреждения от воздействия низких или высоких температур определяют по результатам инженерно-технического обследования, в ходе которого определяется глубина и степень поражения бетона, его прочность, оценивается состояние арматуры и, при необходимости, производится отбор и испытания ее образцов на предмет прочности. По итогам выполненного обследования разрабатываются рекомендации по дальнейшей надежной и безопасной эксплуатации, выбираются методы и средства восстановления конструкций, их усиления.

Научная работа в области изучения работы бетона в сложных и экстремальных условиях продолжается, в т.ч. активно ведутся работы в области температуро-стойких бетонов, разрабатываются методы повышения сопротивляемости бетонов воздействиям как низких, так и высоких температур, совершенствуются методы расчета конструкций, подвергающихся температурным воздействиям, разрабатываются методы защиты, покрытие бетона от разрушения. Таким образом, работа бетона в сложных условиях представляет собой обширное поле деятельности для ученых и значительное количество научных проблематик для дальнейшего разрешения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ГОСТ 10060-2012 “Бетоны. Методы определения морозостойкости”.
GOST 10060-2012 “Concretes. Methods for determination of frost-resistance”.
Москвин В. М., Капкин М. М., Мазур Б. М., Подвальный А. М. Стойкость бетона и железобетона при отрицательной температуре. Госстройиздат,1967. 132c.
Moskvin V. M., Kapkin M. M., Mazur B. M., Podval'nyi A. M. Stoikost' betona i zhelezobetona pri otritsatel'noi temperature [Resistance of concrete and reinforced concrete at negative temperature]. Gosstroiizdat. 1967. 132p.
А. Ф. Милованов. Железобетонные температуростойкие конструкции. М.: Издательство НИИЖБ, 2005. 234с.
A. F. Milovanov. Zhelezobetonnye temperaturostoikie konstruktsii [Reinforced concrete heat-resistant constructions]. Moscow: Izdatel'stvo NIIZhB. 2005. 234p.
А. Ф. Милованов. Стойкость железобетонных конструкций при пожаре. М.:, Стройиздат, 1998. 304с.
A. F. Milovanov. Stoikost' zhelezobetonnykh konstruktsii pri pozhare [Resistance of reinforced concrete structures in case of fire]. Moscow: Stroiizdat. 1998. 304p.
В.С. Федоров, В.Е. Левитский, И.С. Молчадский, А.В. Александров. Огнестойкость и пожарная опасность строительных конструкций. М.: АСВ, 2009. 410с.
V.S. Fedorov, V.E. Levitskii, I.S. Molchadskii, A.V. Aleksandrov. Ognestoikost' i pozharnaya opasnost' stroitel'nykh konstruktsii [Fire resistance and fire hazard of building constructions]. Moscow: ASV. 2009. 410p.
Ильин Н.А. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. М.: Стройиздат. 1979. 128с.
Il'in N.A. Posledstviya ognevogo vozdeistviya na zhelezobetonnye konstruktsii [The effects of fire exposure for concrete constructions]. Moscow: Stroiizdat. 1979. 128p.
Бабушкин В.И. Физико-химические процессы коррозии бетона и железобетона. М.: Стройиздат. 1968. 187с.
Babushkin V.I. Fiziko-khimicheskie protsessy korrozii betona i zhelezobetona [Physical and chemical corrosion processes of concrete and reinforced concrete]. Moscow: Stroiizdat. 1968. 187p.
Горчаков Г.И. Капкин М.М. Скрамтаев Б.Г. Повышение морозостойкости бетона промышленных и гражданских сооружений. М.: Стройиздат. 1965. 195с.
Gorchakov G.I. Kapkin M.M. Skramtaev B.G. Povyshenie morozostoikosti betona promyshlennykh i grazhdanskikh sooruzhenii [Increase of frost resistance of concrete of industrial and civil constructions]. Moscow: Stroiizdat. 1965. 195p.
Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М.: Стройиздат, 1980. 536 с.
Moskvin V.M., Ivanov F.M., Alekseev S.N., Guzeev E.A. Korroziya betona i zhelezobetona, metody ikh zashchity [Corrosion of concrete and reinforced concrete, methods of their protection]. Moscow: Stroiizdat. 1980. 536p.
Кунцевич О.В. Бетоны высокой морозостойкости для сооружений Крайнего Севера. Л.: Стройиздат, 1983. 130 с.
Kuntsevich O.V. Betony vysokoi morozostoikosti dlya sooruzhenii Krainego Severa [High frost resistance concretes for buildings of the Far North]. Leningrad: Stroiizdat. 1983. 130p.