Потребность долговечности бетона в конструкциях построек, используемых в суровых климатических условиях, занимает одно из ведущих мест в научных исследованиях как в России, так и за ее пределами ( Франция, Япония, США и др.). Низкие отрицательные температуры (до -60 °С), долгий зимний период, постоянные перепады температур, наличие вечномерзлых грунтов приводят к преждевременному разрушению бетона в различного рода конструкциях. Даже высококачественное остекление балконов алюминием требует установку рамы балкона на хорошее бетонное покрытие. То есть крепкий бетон важен при любом строительстве.

Были проведены исследования, позволяющие глубже понять деструктивные процессы, протекающие при при низких температурах в бетоне до -60 °С. Определено, что при увеличении температуры промерзшего до низких температур и водонасыщенного бетона на один градус, в его структуре возникают растягивающие напряжения около 0,1-0,2 МПа. Быстрое нагревание промерзшего бетона за счет колебания температуры окружающей среды на 15-20 °С приводит к появлению растягивающих напряжений, сравнимых с прочностью бетона при растяжении. Анализ изменения суточной температуры наружного воздуха за пять месяцев с наиболее низкой температурой за месяц позволил зафиксировать около 50 изменений температуры с перепадом 15 °С за три часа и более 15 колебаний - с перепадом 25 °С в течение суток. Эффект циклических температур в промежутке отрицательных показаний способствует постепенному уменьшению упругих и механических характеристик бетона и уменьшению его стойкости.

Для подсчета этого уменьшения прочности были проведены исследования в лаборатории на образцах-кубах с ребром 10 см. Образцы изготавливали из бетона различных составов, отличающихся содержанием цемента, водоцементным отношением и, следовательно, прочностью бетона (см. Таблицу). При изготовлении применяли портландцемент марки М500 (Белгородский завод), гранитный щебень фракций 5-10 и 10-20 мм пропорция 1: 1, кварцевый песок с модулем крупности, равным 2. Образцы бетона, указанных в таблице составов, были испытаны на морозостойкость по основному методу. Морозостойкость образцов состава 1, имеющих открытую пористость 4,1 %, соответствовала 300 циклам, состава 2 (По = 5.6 %) - 200, состава 3 (По = 7,5 %) - 50.

Произведенные кубики находились в течение 7 суток в обычных температурно-влажностных условиях. Потом их насыщали водой до постоянной массы и направляли в морозильную установку, обеспечивающую колебания температуры в промежутке от -50 до -20 °С, после этого образцы испытывали на сжатие. Тонкий слой льда на поверхности образцов препятствовал испарению влаги.

Результаты эксперимента явно показывают на сильное снижение прочности бетона на начальных циклах переменного действия минусовых температур, что объясняется миграцией незамерзшей жидкости в порах геля к кристаллам льда в микро-и макрокапиллярах и, как следствие этого, ростом этих кристаллов. Падение прочности бетона в значительной степени происходит от водоцементного отношения (В/Ц).

Очень значительное снижение прочности (до 30 %) наблюдается у образцов состава 3 с наибольшим водоцементным отношением (0,7).

Таким образом, испытания показали, что в условиях северного климата бетоны находятся под специфическим влиянием внешней среды, которые приводят к изменению структуры материала, что существенно сокращает долговечность бетонных и железобетонных конструкций, расположенных в районах вечной мерзлоты. Для анализа потери прочности бетона в интервале минусовых температур (без перехода чере 0 °С ) представляется целесообразным введение термина "морозостойкость II рода".
Дальнейшим шагом в экспериментально-теоретических исследованиях деструктивных процессов в промерзшем бетоне должна быть дифференцированный анализ воздействия степени водонасыщения на свойства бетона в описанных климатических условиях.

Показатели прочности бетона при сжатии при воздействии циклического изменения температуры в интервале от -20 до 50°С (цифры у кривых - номера составов бетона по таблице).