Interes za ponašanje betona na visokim temperaturama obično dolazi iz mnogih slučajeva požara, visokih građevina, tunela i slično. U toku požara, temperatura može dostići do čak 1100°C u zgradama, a u tunelima do 1350°C, što dovodi do težeg slučaja oštećenja na betonskim strukturama.
Međutim, u nekim posebnim slučajevima, čak i na mnogo manjim temperaturama, može doći do eksplozivne destrukcije betona, ugrožavajući kapacitet nosivosti betonskog elementa. U svakom slučaju, beton se smatra konstrukcijskim materijalom koji čuva svoja svojstva na visokim temperaturama. Zahvaljujući poprilično niskom koeficijentu provodljivosti toplote, ona polako prolazi kroz beton, zbog čega se i armatura, koja je osjetljiva na visoke temperature, štiti relativno dug period. Kad se beton zagrijava zbog požara, povećanje temperature u dubljim slojevima materijala je progresivno, ali s obzirom da je ovaj proces spor, značajan temperaturni gradijent se stvara između betonske površine i jezgre, nanoseći štetu na elementu.
Bitni problemi u vezi s utjecajem visokih temperatura na beton uključuju identifikaciju kompleksnih promjena koje se dešavaju u betonu dok se zagrijava. To je problem i fizičkih i hemijskih promjena u cementnoj mješavini, kao i kretanja plinova i tekućina. Analiza je komplikovana zbog činjenica da se cementni beton sastoji od dva različita sastojka: cementne paste i agregata. Efekti raznih promjena koje se dešavaju u betonu koji se zagrijava su promjene fizičkih, toplotnih i mehaničkih svojstava.
Utjecaj temperature na mikrostrukturu betona
Cementna pasta
Zagrijavanje cementne paste dovodi do isušivanja. Voda postepeno isparava iz materijala. Redoslijed kojim voda isparava iz zagrijanog betona zavisi o energiji koja povezuje vodu i čvrsti materijal. Zbog toga, prva isparava slobodna voda, nakon čega isparava kapilarna voda, i onda fizički vezana voda. Proces isparavanja vode koja je hemijski povezana s hidratima cementa zadnja je zadnji. Hemijske veze i kohezivna sila između slojeva kalcij silikat hidrat (C-S-H) gela utječe na mehanička svojstva cementne paste. Vjeruje se da otprilike 50% jačine cementne paste dolazi iz kohezivnih sila; zbog čega isparavanje vode C-S-H gela uveliko utječe na mehanička svojstva cementne paste. Međutim, kad se cementna pasta zagrijava na vlažno zatvorenim uslovima, mogu se javiti hidrotermalne reakcije. Ovaj se fenomen, koji se zove autoklaviranje, može javiti u većim članovima gdje se, zbog zagrijavanja, vlaga pretvara u vodenu paru. Proces simultanog izlaganja materijala visokim pritiscima i temperaturama je odveć poznata tehnologija u procesu prefabrikacije betona. To može aktivirati promjene u mirkostrukturi hidrata i često povećava jačinu cementne paste.
Agregati
Agregati čine 70-80% zapremine betona i tako uveliko utječu na toplotno ponašanje. „Toplotna stabilnost agregata“ je pojam koji se koristi za opisivanje utjecaja agregata na ponašanje betona na visokim temperaturama. „Toplotno stabilni“ agregati karakteriziraju se hemijskom i fizičkom stabilnošću na visokim temperaturama, što se određuje dilatometrom ili termogravimetrom, ali i drugim toplotnim testovima. Uzimajući u obzir ponašanje betona na visokim temperaturama, odgovarajući agregati bi bili oni koji imaju nizak koeficijent toplinskog istezanja. Mineraloška kompozicija određuje toplinsko istezanje agregata, s obzirom da svi minerali imaju drugačija ekspanzivna svojstva. Vrsta minerala određuje hemijske i fizičke promjene koje se dešavaju u toku zagrijavanja. Naprimjer: kvarcni agregati i pijesak se mijenjaju na 574°C zbog β−α inverzije kvarca. Karbonatna kamenja poput krečnjaka i dolomita stabilni su do 600°C. Na višim temperaturama, karbonatni agregati se razlažu na CaO i CO2 (700°C). Polimineralna kamenja mogu biti podložna dezintegraciji koja je rezultat toplotne nekompatibilnosti njihovih komponenata. Zbog različitosti u toplotnom istezanju, može doći do problema. Temperatura topljenja zavisi od mineraloške kompozicije, a za mnoga je magmatska kamenja to iznad 1000°C. Tačka topljenja za granit je između 1210-1250°C, dok se bazalt topi na 1050°C.
Cementna pasta i agregatna interakcija u toku zagrijavanja
Zagrijavanje betona čini da raste volumen agregata, a u isto vrijeme uzrokuje kontrakciju cementne paste koja je oko njih. Kao rezultat toga, veza cementne paste i agregata je najslabija kad je cementni materijal zagrijan. Najveća šteta na betonu su pukotine, koje se javljaju zbog neusklađenih toplotnih istezanja grubih agregata i mješavine.