Механизм морозного разрушения бетона

Дано теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение роли низкомодульных включений (частиц), в том числе замкнутых пор воздуховлечения, при морозном разрушении бетона и повышении его морозостойкости. Показано, что равномерно распределенные в структуре бетона низкомодульные включения являются тормозом для роста трещин, образующихся при замерзании поровой воды, повышая тем самым морозостойкость бетона. Теоретически доказано, что предложенные гипотезы описывают возможные процессы возникновения и развития давления при замерзании внутрипоровой воды и не являются механизмом морозного разрушения. Сущностью механизма морозного разрушения является процесс образования, накопления и роста трещин после формирования в структуре бетона объемного поля напряжений, средняя величина которых превышает прочность структуры при растяжении. Признанная в настоящее время в качестве основной гипотеза Т.С. Пауэрса не может объяснить многие имеющиеся теоретические и практические факты, сопровождающие морозное разрушение бетона. Сущность механизма морозного разрушения бетона раскрыта и описана исходя из современных позиций науки – механики разрушения.

А.И. ПАНЧЕНКО, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
А.О. МУРАШОВ, аспирант

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)

1. Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., Модры С., Шиссль П. Долговечность железобетона в агрессивных средах. М.: Стройиздат, 1990. 316 с.
2. Штарк И., Вихт В. Долговечность бетона. Киев: Оранта, 2004. 293 с.
3. Фаликман В.Р., Степанова В.Ф., Чехний Г.В. Бетоны и технологии для строительства зданий и сооружений в Арктической зоне // Промышленное и гражданское строительство. 2021. № 2. С. 17–23. EDN: ­EYDKGE.
https://doi.org/10.33622/0869-7019.2021.02.17-23
4. Баженов Ю.М. Пути развития строительного материаловедения: новые бетоны // Технологии бетонов. 2012. № 3–4. С. 39–42. EDN: ­SXLIVD
5. Розенталь Н.К., Чехний Г.В. Морозостойкость бетона: Обзор. М.: АО «НИЦ «Строительство», 2023. 156 c.
6. Powers T.C. A working hypothesis for further studies of frost resistance of concrete // Journal of the American Concrete Institute. 1945. No. 16. Vol. 16 (4), pp. 245–272.
7. Чернышов Е.М. Морозная деструкция бетонов. Ч. 1. Механизм, критериальные условия управления // Строительные материалы. 2017. № 9. С. 40–46. EDN: ­ZJAMXZ
8. Пирадов К.А., Гузеев В.А. Физико-механические основы долговечности бетона и железобетона // Бетон и железобетон. 1998. № 1. С. 25–27.
9. Collins A.R. The destruction of concrete by frost // Jorn. Inst. Civ. Engieneer. 1944. Vol. 23, No. 1, pp. 29–41.
10. Taber S. Mechanics of frost heaving // Journal of Geology. 1930. Vol. 38. No. 4, pp. 303–317.
11. Красильников К.Г., Тарасов А.Ф. Фазовые переходы вода-лед в порах цементного камня и бетона // Физико-химические исследования бетонов и их составляющих. Труды НИИЖБ. 1975. Вып. 17. С. 100–110.
12. Cordon A.W. Freezing and thawing of concrete: Mechanisms and control (ACI monograph). Detroit: American Concrete Institute monograph series, 1966. 99 p.
13. Бабушкин В.М. Физико-химические процессы коррозии бетона и железобетона. М. Стройиздат, 1968. 187 с.
14. Ярмаковский В.Н., Кадиев Д.З. Физические основы и технологии создания бетонов, стойких к воздействию криогенных (до -163^оС) технологических температур // Сборник научных трудов РААСН: В 2 т. М.: Изд-во АСВ, 2021. Т. 2. С. 329–339.
15. Власов О.В., Еремеев Г.Г. Значение термоупругих напряжений в повышении долговечности строительных конструкций / Строительная физика. М.: Госстройиздат, 1961. С. 39–48.
16. Henk B. Betrachtung über Gefügespannung im Beton // Zement-Kalk-Gips. 1956, No. 3, pp. 111–116, 176.
17. Powers T., Helmuth R.A. Theory of volume changes in hardened portland cement paste during freezing // Proceedings of the Thirty-Second Annual Meeting of the Highway Research Board. Washington, D.C. 1953. Vol. 32, pp. 285–297. https://onlinepubs.trb.org/Onlinepubs/hrbproceedings/32/32-019.pdf
18. Несветаев Г.В. Бетоны. Ростов н/Д: Феникс, 2013. 381 с.
19. Брыков А.С. Морозостойкость портландцементного бетона и способы ее повышения. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2017. 38 с.
20. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: АСВ, 2011. 528 с.
21. Neville A. M., Brooks J.J. Concrete Technology. London: Pearson Education Ltd. 2010. 464 р.
22. Славчева Г.С. Структурные факторы обеспечения морозостойкости цементных пенобетонов // Строительные материалы. 2015. № 9. С. 53–56. EDN: ­UKLICX
23. Трофимов Б.Я., Крамар Л.Я. Деформации и стойкость бетона при циклическом замораживании // Строительные материалы. 2014. № 8. С. 46–51. EDN: ­SJVXNZ
24. Hasholt M.T. Air void structures and frost resistance: a challenge to Powers’ spacing factor // Materials and Structures. 2014. Vol. 47. No. 5, pp. 911–923. https://doi.org/10.1617/s11527-013-0102-9
25. Pigeon M., Lachance M. Critical air void spacing factors for concretes submitted to slow freeze-thaw cycles // American Concrete Institute Journal 1981. Vol. 78, pp. 282–291. https://doi.org/10.14359/6926
26. Подвальный А.М. О прочностном критерии долговечности бетона. В кн.: Москвин В.М., Саввина Ю.А., Алексеев С.Н. и др. Повышение стойкости бетона и железобетона при воздействии агрессивных сред. М.: Стройиздат, 1975. С. 69–81.
27. Несветаев Г.В. К оценке морозостойкости нагруженного бетона // Известия вузов. Строительство. 1996. № 11. С. 125–128.
28. Каприелов C.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С. Новые модифицированные бетоны. М.: ООО «Типография «Парадиз», 2010. 258 с.
29. Kreisel R., French C., Snyder M. Freeze-Thaw Durability of High-Strength Concrete. Report no. MnDOT 1998-10. University of Minnesota.1998.
30. Панченко А.И., Харченко И.Я., Васильев С.В. Долговечность бетонов с компенсированной химической усадкой // Строительные материалы. 2019. № 9. С. 48–53. EDN: ­BUUBDZ.
https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-773-8-48-53
31. Panchenko A.I. Bazhenov Yu. M., Kharchenko I. Ya. Durability of the concrete produced on the basis of an expanding sulphate-aluminate cement. Durability and Sustainability of Concrete Structures (DSCS-2018). 2nd International Workshop. Moscow. ACI Technical Publication. 2018. SP-326–33, pp. 1–10.
32. Шулдяков К.В., Трофимов Б.Я., Крамар Л.Я. Структурный фактор долговечности бетона // Вестник ЮУрГУ. Сер. Строительство и архитектура. 2020. Т. 20. № 1. С. 46–51. EDN: ­JADLQC. https://doi.org/10.14529/build200105
33. Lazniewska-Piekarczyk B., Miera P. Frost Resistance of Concrete from Innovative Air-Entraining Cements // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. No. 603, pp. 1–10.
https://doi.org/10.1088/1757-899X%2F603%2F4%2F042082
34. Вовк А.И. Добавки для бетонов с высокой морозостойкостью: от техногенных продуктов к специализированным синтетическим веществам // Гидротехника. 2020. Т. 60. № 3. С. 68–72. EDN: ­OBXQMR
35. Марковцова В.В., Парфенова Л.М., Закревская Л.В. Тяжелый бетон морозостойкостью F400 с комплексными химическими добавками // Вестник Полоцкого государственного университета. Сер. F, Строительство. Прикладные науки. 2024. Т. 38. № 3. С. 38–45. EDN: ­AERNGZ. https://doi.org/10.52928/2070-1683-2024-38-3-38-45
36. Добшиц Л.М. Пути повышения долговечности бетонов // Строительные материалы. 2017. № 10. С. 4–9. EDN: ­ZRPHEV
37. Добшиц Л.М., Николаева А.А. Повышение стойкости бетонов к действию окружающей среды // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер. Материалы. Конст-рукции. Технологии. 2019. Т. 11. № 3. С. 18–27. EDN: ­YKAPQQ
38. Гладких А.С., Кретов В.А. Повышение морозостойкости низкомарочных цементных бетонов, используемых для устройства оснований дорожных одежд // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. 2009. № 4. С. 166–172. EDN: ­KXMWWZ
39. Girskas G., Nagrockiene˙ D. Crushed rubber waste impact of concrete basic properties // Construction and Building Materials. 2017. No. 140, pp. 36–42. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.02.107
40. Zhu X. Influence of crumb rubber on frost resistance of concrete and effect mechanism // Procedia Engineering. 2011. No. 27, pp. 206–213.
https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.12.445
41. Zhang B., Feng Y., Xie J., Lai D., Yu T., Huang D. Rubberized geopolymer concrete: Dependence of mechanical properties and freeze-thaw resistance on replacement ratio of crumb rubber // Construction and Building Materials. 2021. No. 310, pp. 1–14. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125248
42. Richardson A., Coventry K., Edmondson V., Dias E. Crumb rubber used in concrete to provide freeze-thaw protection (optimal particle size) // Journal of Cleaner Production. 2016. No. 112, pp. 599–606.
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.08.028
43. Wawrzenczyk J., Molendowska A., Klak A. Effect of Ground Granulated Blast Furnace Slag and Polymer Microspheres on Impermeability and Freeze-Thaw Resistance of Concrete // Procedia Engineering. 2016. No. 161, pp. 79–84.
https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.501
44. Несветаев Г.В., Долгова А.В. Влияние редиспергируемых порошков и низкомодульных включений на свойства мелкозернистого бетона после многократного замораживания-оттаивания // Инженерный вестник Дона. 2019. № 6. С. 1–16. EDN: ­SEVIPX http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/N6y2019/6029 (дата обращения 13.03.2025).
45. Панченко А.И., Мурашов А.О. Влияние низкомодульных включений на морозостойкость бетона // Техника и технология силикатов. 2022. Т. 29. № 4. С. 304–310. EDN: ­QNQEJD
46. Wawrzenczyk J., Molendowska A., Klak A. Effect of Ground Granulated Blast Furnace Slag and Polymer Microspheres on Impermeability and Freeze-Thaw Resistance of Concrete // Procedia Engineering. 2016. No. 161, pp. 79–84.
https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.501
47. Шевкунов А.И., Дмитриев А.С. Повышение долговечности бетона путем применения комплексных добавок на основе холодноприготовленных битумных эмульсий // Бетон и железобетон. 1991. № 12. C. 23–24.
48. Пыжов А.С. Технология получения и применения укатываемого дорожного цементного бетона с дисперсным битумом // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2010. № 3 (28). С. 239–251. EDN: ­MUHJXD
49. Патент РФ 2351703. Способ приготовления холодной органоминеральной смеси для дорожных покрытий / Горнаев Н.А., Никишин В.Е., Евтеева С.М., Андронов С.Ю., Пыжов А.С. Заявл. 15.02.2008. Опубл. 10.04.09.
50. Панченко А.И. Критерий стойкости бетона к атмосферным воздействиям с позиций механики разрушения // Известия вузов. Строительство. 1995. № 2. С. 55–60.
51. Панченко А. И. Оценка долговечности бетонов по характеристикам трещиностойкости // Известия вузов. Строительство. 1995. № 12. С. 140–144.
52. Зайцев Ю.В., Окольникова Г.Э., Доркин В.В. Механика разрушений для строителей. М.: ИНФРА-М, 2023. 216 с.
53. Партон В.З. Механика разрушения: От теории к практике. М.: Наука, 1990. 240 с.
54. Гузеев Е.А., Леонович С.М., Пирадов К.А. Механика разрушения: вопросы теории и практики. Брест: БПИ, 1999. 217 с.
55. Гузеев Е.А., Пирадов К.А., Мамаев Т.Л., Мочалов А.Л. Оценка морозостойкости по параметрам механики разрушения // Бетон и железобетон. 2000. № 3. С. 26–27.
56. Леонович С.Н., Аль-Факих Омар А.М. Использование коэффициентов интенсивности напряжений, как критериев оценки морозостойкости напрягающего бетона // Вестник Брестского государственного технического университета. 2004. № 1. С. 91–93.
57. Сиратори М., Миеси Т., Мацусита Х. Вычислительная механика разрушения. М.: Мир, 1986. 334 с.
58. Wittmann F., Zaitsev J. Verformung und Bruchvorgang poröser Baustoffe bei kurzzeitiger Belastung und Dauerlast. DAfStb, Heft 232, Berlin: Ernst & SoHn, 1974, pp. 66–145.