Давление воды, замерзающей в порах цементного камня

Миграция воды в бетоне способствует ее скоплению в открытых порах, расположенных вблизи охлаждаемой поверхности. Поэтому разрушение бетона начинается с поверхности. Характерно, что оно вначале носит локальный характер. Сначала появляется местное разрушение в виде пятен шелушения и поверхностных трещин. Шелушение распространяется по поверхности бетона и он разрушается. В неоднородном материале, каким является бетон, обводнение пор поверхностного слоя происходит неравномерно, поэтому отрыв поверхностного слоя бетона (в виде шелушения) или его разрыв (образование поверхностных трещин) наблюдается вначале в немногих точках.

Необходимо рассмотреть условия, создающиеся вблизи капилляра цементного камня при замерзании заполняющей его воды.

Анализ напряжений, возникающих в цементном камне при замораживании, является пока только качественным, поскольку капилляры не имеют правильной геометрической формы, материал отличается неоднородностью строения, а физико-механические свойства льда изменяются в широких пределах в зависимости от температуры и других условий. Тем не менее зависимости, полученные при анализе, представляют определенный интерес, так как помогают выявить направленность явлений и причины растрескивания бетона при замораживании.

Валента вычислил величину напряжений в стенках цилиндрического капилляра с непроницаемыми стенками, заполненного водой, допуская, что при замерзании воды возникает только растяжение стенок капилляра вдоль оси. С принятым в этом расчете допущением нельзя согласиться, поскольку оно полностью игнорирует радиальное давление замерзающей воды.

В настоящей работе для вычисления давления замерзающей воды и величины напряжений в стенках капилляра использовано классическое решение задачи о распределении напряжений в стенках цилиндрической трубы, испытывающей действие равномерно распределенного внутреннего давления (задача Ламе).

Рассмотрен участок цилиндрического капилляра, размер которого вдоль оси капилляра равен единице.

Для определения величины внутреннего давления, возникающего при замерзании воды в макрокапилляре, применен метод вычисления давления на поверхности соприкасания составных цилиндрических трубок.

Для анализа приняты следующие предпосылки. Внутренний стержень из замерзшей воды при свободном расширении имел бы радиус, однако наружный цилиндр из цементного камня обжимает внутренний стержень, уменьшая указанный радиус таким образом, увеличение внутреннего радиуса капилляра цементного камня.

Это выражение дает возможность предположить, какова должна быть предельная толщина стенок капилляров данного радиуса в цементном камне с определенными свойствами при данной скорости кристаллизации воды. Эта идея иллюстрируется графической интерпретацией условия.