О расчетах морозостойкости бетона
Морозостойкость бетона — лишь одна из комплексных характеристик его свойств, особенно необходимая для осуществления сложного и дорогого строительства в северных районах нашей страны, где климатические условия суровы, а к долговечности-зданий и сооружений предъявляются повышенные требования.
Морозостойкость бетона зависит в первую очередь от качества составляющих и может быть учтена при подборе его состава.
Это свойство может быть прогнозировано предварительным расчетом, так же как и ряд других свойств. Не морозостойким будет бетон, который по каким- либо показателям не удовлетворяет заданным условиям. Морозостойкость — это проверка правильности выбора материалов для бетона и правильного учета внешних условий. В понятие морозостойкости конструкций входит комплекс характеристик свойств бетона и арматуры. проявляющихся при действии циклически повторяющихся отрицательных температур и воды, с фазовыми переходами воды в лед и без них. Хотя следует отметить, что оттаивание, при котором вода получает возможность свободно перемещаться, обычно усиливает деструктивные процессы.
Принятые ГОСТ 10060—76 методы оценки Мрз весьма условны. Они оценивают свойства и стойкость бетона в узких пределах температур и влажности, а действительные условия службы конструкций обычно весьма отличаются от принятых в лабораторных .условиях.
Метод Белелюбского в свое время положительную роль для повышении качества бетона, но теперь к бетону предъявляются более разнообразные требования.
Морозостойкость бетона зависит от характеристик внешней среды — температуры, влажности, частоты и скорости циклической смены температур, наличия воды, от структуры, прочности и проницаемости бетона, вида и расположения конструкции по отношению к горизонту грунтовых или вообще к горизонту воды, вида и величины напряженного состояния.
Морозостойкость нельзя рассматривать как общее свойство материала в отрыве от условий службы конструкции, в се опенке каждый фактор имеет значение.
Рассмотреть стойкость бетона и долговечность конструкций, подвергающихся действию низких отрицательных температур, необходимо для возможного использования расчетных методов, определенной системы. В частности, следует выделить четыре основных фактора определения морозостойкости, которые вызывают деструктивные процессы в бетоне [1]:
различие коэффициентов температурных деформаций между элементами скелета бетона и между составными частями бетона и льдом;
замерзание воды в замкнутом пространстве («защемленной» Воды);
гидравлическое давление от перемещения фронта холода от поверхности в глубь конструкции;
образование ледяных линз в бетоне при стабильном фронте холода.
Разница коэффициентов температурных деформаций различных видов бетонов невелика, так же как и бетона со сталью. Коэффициент температурного расширения скелета бетона, т. е. бетона в сухом состоянии, колеблется (7...12)Х ХГО-6 град-1, а для льда 50-10-6 град-1. При повышении температуры мерзлого бетона на 1° в нем возникают растягивающие напряжения порядка 1 кгс/см2. Величина растягивающих напряжений при медленном нагревании бетона уменьшается вследствие явлений релаксации.
Коэффициент теплопроводности бетона как пористого материала в значительной степени зависит от его влажности и равен в среднем 1,0...1,35 ккал/(м-ч-°С), воды 0,5 и для стали 50,0 ка.д/(м-ч-С). Расчет ведется общеизвестными методами.
Несколько более сложно кроме коэффициента температурного расширения учитывать еще и теплоемкость составных частей, коэффициент температуропроводности, с которым мы сталкиваемся при учете времени прохождения волны холода. Эти расчеты относятся к расчетам сооружения на тепловую нагрузку при малом участии воды. Если количество воды превышает пороговую величину, при которой достигается значение ее, равное 0,917 общего количества лор, то этот вопрос мы рассмотрим ниже.
Разрушение бетона при замерзании воды в замкнутом пространстве будет происходить в том случае, если она заполняет не меньше 0,917 объема пор. Разрушение идет чаще всего с поверхности, со стороны действия воды.
Для фиксации воды у поверхности в порах бетона нужно, чтобы градиент температуры внешней среды был достаточно велик (по нашим данным, этого можно достичь при температуре примерно 30°С) и, следовательно, велика скорость проникающей волны холода. В крупных порах вода замерзает раньше, чем в мелких, и таким образом перекрывает движение воды из мелких пор. Здесь уместно ввести понятие «пороговой» влажности. Если вода заполняет объем поры на 0.917 (91,7%), то вода упрочняет бетон. Замерзший бетон имеет прочность, большую, чем не замерзший.
При влагосодержанин больше 0,917 бетон при замерзании будет разрушаться, при влажности ниже пороговой разрушения не будет. Расчет ведется также по общеизвестным формулам строительной механики с учетом сделанных выводов предложений.
Более сложный случай разрушения связан с гидравлическим давлением при перемещении фронта холода от поверхности внутрь конструкции, когда замерзающая вода оттесняет жидкую воду з глубь бетона. По мере продвижении волны холода и достижения температуры замерзания вода превращается в лед Если при перемещении холода в порах встретится жидкая вода, то она будет вытесняться до замерзания, при этом возникает гидравлическое давление, которое может достичь значительной величины. Предельная величина гидравлического давления определяется прочностью бетона на растяжение и скоростью замерзания, которая в свою очередь зависит от градиента температуры и степени насыщения бетона водой.
Если прочность бетона велика, то будет велико и его сопротивление разрывающим усилиям. Если же возникающие усилия будут превышать предел прочности на растяжение, то в бетоне возможно появление трещин, по которым может распределяться вода, и соответственно величина давления будет снижаться.
С другой стороны, минимальная толщина бетона до исчерпания прочное-- должна быть не меньше определенной величины. зависящей от прочности на разтяжение. Таким образом, сопротивление бетона будет лимитироваться, с одной стороны, его прочностью, а с другой — размером сооружения.