При эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций возможно попеременное замерзание и оттаивание их в водонасыщенном состоянии. Как известно, объем воды при переходе в лед увеличивается приблизительно на 10%. Естественно, что во­да в порах и капиллярах цементного камня при замерзании оказывает большое гидравлическое давление на их стенки, вызы­вая напряжения растяжения. Многократные теплосмены приво­дят к постепенному расшатыванию структуры цементного камня и бетона, объемному расширению, появлению трещин и снижению прочности.

Разрушительное действие попеременного замерзания и оттаивания усиливается в тех случаях, когда вода (например, морская) содержит значительное количество различных солей. Наконец, конструкции, находящиеся в напряженном состоянии, при прочих равных условиях подвержены более интенсивному разрушению.

Как уже отмечалось, вода, заполняющая цементный ка­мень и содержащая некоторое количество Са(ОН)₂ и щелоч­ных соединений в растворенном состоянии, начинает перехо­дить в лед в первую очередь в крупных порах и полостях при температуре 0 и -1°С. При дальнейшем понижении темпера­туры системы лед начинает образовываться в капиллярах все уменьшающегося диаметра. В наиболее тонких из них во­да замерзает при температуре около -25°С, а в гелевых порах, по некоторым данным, лишь при -70°С.

Под давлением замерзающей воды и льда на стенки пор и капилляров цементный камень значительно увеличивается в размерах. Это увеличение, особенно в области температур от -5 до -20°С, достигает примерно 1-2 мм/м в зависимости от свойств цемента и В/Ц. При охлаждении наблюдается, что объем уменьшается, не достигая, однако, первоначального.

Для повышения морозостойкости цементно­го камня и бетона применяют добавки:

а) пластифицирующие, способствующие уплотнению камня вследствие уменьшения его водопотребности при сохранении подвижности;

б) воздухововлекающие (пенообразователи);

в) гидрофобизующие.

Осенью наружная часть стены намокает от дождя. Зимой в стене устанавливается определенное распределение температур, наруж­ная часть стены промерзает. В это время происходит миграция (перемещение) пара «от тепла к холоду», т. е. пар стремится нару­жу, поскольку его давление при отрицательной температуре ниже, чем при положительной. Например, давление пара при +20°С составляет 17,5 мм рт. ст., а при -10°С оно равно только 2 мм. Стремясь выйти наружу, водяной пар попадает в зону низких тем­ператур и конденсируется в порах с наружной части стены. Таким образом, поры наружной промерзающей части стены посто­янно оводняются (рис. 1), причем вода прибывает сюда как сна­ружи (дождь с ветром), так и изнутри (миграция водяного пара). При наступлении даже небольших морозов (-5, -8°С) вода в крупных порах замерзает и при переходе в лед увеличивается в объеме на 9% (плотность льда 0,918). Если коэффициент насыще­ния хотя бы части пор приблизится к 1, то в стенках пор возникнут большие растягивающие напряжения. Разрушение начинается обычно в виде «шелушения» поверхности бетона, за­тем оно распространяется вглубь.