Экспериментальное исследование динамических механических свойств и моделей механизмов разрушения бетона при циклах замерзания‑оттаивания

Почему зима вредна для бетона

В холодных регионах мосты, плотины и водные каналы вынуждены выдерживать годы замерзания и оттаивания воды внутри бетонной конструкции. Каждый зимний цикл постепенно расширяет скрытые поры и трещины, ставя под угрозу безопасность и срок службы крупных гидротехнических сооружений, таких как плотины и водосбросы. В этом исследовании подробно изучено, как повторяющиеся циклы замерзания‑оттаивания в сочетании с реалистичными условиями нагружения медленно ослабляют бетон и изменяют характер его разрушения, давая представление о том, как проектировать сооружения, способные лучше выдерживать суровый климат.

Наблюдая, как бетон переносит лютый мороз

Чтобы имитировать полевые условия, исследователи изготовили стандартные цилиндрические образцы бетона и подвергли их до 75 контролируемых циклов замерзания‑оттаивания. В каждом четырехчасовом цикле насыщенные водой образцы охлаждали примерно до −20 °C, а затем прогревали до 20 °C — как это происходит в зимние дни и ночи. Между этапами циклов они измеряли массу, скорость ультразвуковых волн и жесткость бетона. После замораживающей обработки те же образцы помещали в мощную испытательную машину, подвергали сотням повторных нагрузок, а затем дробили при разных скоростях нагружения, моделируя медленные нагрузки, обычную эксплуатацию и быстрые события, такие как удары или небольшие землетрясения.

Прочность падает, деформации растут

Команда обнаружила закономерность: с увеличением числа циклов замерзания‑оттаивания прочность бетона на сжатие и его жесткость (сопротивление сжатию и «упругость») неуклонно снижались. После 75 циклов прочность уменьшилась почти на пятую часть, а жесткость — примерно вдвое при наименее быстром нагружении. Одновременно остаточная деформация и пик деформации — насколько образец оставался согнутым и насколько сильно он деформировался перед разрушением — заметно увеличились. Проще говоря, материал становился мягче и более деформируемым. Быстрое нагружение частично скрывало эти повреждения: при быстром сжатии бетон сохранял большую часть видимой прочности, что показывает, что быстрое нагружение может временно маскировать внутреннее разрушение.

Скрытые поры, растущие трещины и меняющиеся формы разрушения

Изображения внутренней структуры показали, как накапливается повреждение. Изначально бетон содержал только разрозненные мелкие поры. После 25 циклов пор стало больше, но они в основном оставались изолированными. К 50 циклам поры и микротрещины расширились и начали соединяться, а к 75 циклам образовалась плотная сеть крупных связанных полостей. Эта микроскопическая эволюция соответствовала тому, что наблюдали на поверхности при разрушении образцов. Целый бетон обычно раскалывался по одному‑двум острым трещинам, дробясь на несколько клиновидных кусков. После множества циклов замерзания‑оттаивания образцы разрушались мягче, но гораздо более обширно: с выпучиванием, множеством мелких трещин и большим количеством порошкообразного обломочного материала, что указывает на потерю связности внутреннего «скелета».

Взаимодействие скорости нагружения и повреждений

Испытывая образцы при нескольких скоростях нагружения, исследователи сумели количественно оценить чувствительность повреждённого бетона к скорости деформации — скорости, с которой он деформируется. С увеличением повреждений от замерзания‑оттаивания влияние скорости нагружения усиливалось. При высоких скоростях деформации инерция воды, заключённой в порах, и малое время развития трещин замедляли распространение повреждений, поэтому прочность казалась относительно выше, а потеря жесткости была менее выраженной, чем при медленном нагружении. Однако это не было истинным восстановлением: базовая сеть пор и плотность трещин всё равно ухудшались с каждым циклом, что подтвердили ультразвуковые измерения и трёхмерные реконструкции пор. Кривые «напряжение—деформация» фиксировали этот сдвиг: вершины смещались вниз и вправо, а заштрихованная площадь под кривой — представляющая энергию, которую бетон может поглотить до разрушения — сокращалась, показывая, что материал стал хуже рассеивать нагрузки.

Что это означает для реальных сооружений

Для плотин, водосбросов и других гидротехнических объектов в холодном климате эти результаты подчёркивают, что повторяющееся замерзание и оттаивание тихо разъедает и прочность, и жесткость, даже когда сооружение внешне выглядит целым. Со временем бетон становится более гибким, но менее способным воспринимать внезапные нагрузки без растрескивания. Исследование даёт математические зависимости, связывающие число циклов замерзания‑оттаивания с изменениями прочности, жесткости и деформируемости, что предоставляет инженерам инструменты для оценки оставшегося ресурса и планирования ремонта. Проще говоря, работа показывает, что зимние повреждения — не только косметическая проблема: они перестраивают бетон изнутри, и понимание этого процесса ключево для обеспечивания безопасности важной водной инфраструктуры на десятилетия.

Цитирование: Cao, Y., Zhou, J., Shao, Y. et al. Experimental study on dynamic mechanical properties and damage mechanisms models of concrete under freeze-thaw cycles. Sci Rep 16, 7796 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39345-2

Ключевые слова: повреждение от замерзания‑оттаивания, долговечность бетона, гидротехнические сооружения, динамическая нагрузка, холодные регионы