Водонепроницаемость бетона

Водонепроницаемость бетона — одно из ключевных эксплуатационных свойств бетона, характеризующее его способность не пропускать воду или водные растворы агрессивных веществ под действием гидростатического давления, а также противостоять проникновению влаги в толщу материала под влиянием капиллярных сил. Наряду с прочностью и морозостойкостью, водонепроницаемость относится к числу основных показателей, определяющих долговечность бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатирующихся во влажной среде, в условиях контакта с грунтовыми водами, атмосферными осадками или агрессивными жидкостями.

В специальной литературе наряду с термином «водонепроницаемость» встречаются синонимичные или близкие по смыслу понятия: водостойкость, водоустойчивость, водоупорность, а также противоположное по смыслу — водопроницаемость. В отечественной нормативной документации водонепроницаемость нормируется маркой по водонепроницаемости W, числовое значение которой соответствует максимальному избыточному давлению воды (в кгс/см² или МПа·10⁻¹), при котором стандартный образец-цилиндр не пропускает воду.

Определение водонепроницаемости бетона

Физическая сущность водонепроницаемости бетона определяется его капиллярно-пористой структурой. Цементный камень и бетон в целом представляют собой конгломерат твёрдых фаз с системой взаимосвязанных и изолированных пор различного размера: от гелевых (0,001–0,01 мкм) до крупных капиллярных (0,01–100 мкм) и технологических пустот. Именно по системе сообщающихся капиллярных пор и микротрещин происходит фильтрация воды под действием гидростатического давления или капиллярного подсоса.

С точки зрения физической химии поверхностных явлений, водонепроницаемость зависит не только от объёма и размера пор, но и от характера их поверхности. Обычный цементный бетон по своей природе является гидрофильным материалом: вода легко смачивает стенки капилляров и под действием капиллярных сил способна подниматься на значительную высоту. Придание твёрдой фазе бетона гидрофобных свойств с помощью специальных гидрофобизирующих добавок позволяет создать противокапиллярное давление, препятствующее проникновению воды в жидкой фазе даже при достаточно высоких гидростатических напорах, сохраняя при этом способность материала к паро- и воздухообмену.

Количественно водонепроницаемость оценивается рядом прямых и косвенных показателей. К прямым относятся марка бетона по водонепроницаемости W и коэффициент фильтрации Kf (см/с), к косвенным — водопоглощение по массе и водоцементное отношение (В/Ц). Согласно данным, приведённым в приложении Е СП 28.13330.2017, бетону нормальной проницаемости (W4) соответствует водопоглощение 4,7–5,7 % по массе при В/Ц не более 0,6; бетону пониженной проницаемости (W6) — водопоглощение 4,2–4,7 % и В/Ц ≤ 0,55; бетону особо низкой проницаемости (W10–W20) — водопоглощение менее 3,7 % и В/Ц ≤ 0,35–0,45.

Важность и области применения водонепроницаемых конструкций

Практически любая бетонная конструкция в той или иной степени контактирует с водой: атмосферной влагой, грунтовыми водами, речной или морской водой, технологическими жидкостями. Проникновение воды в толщу бетона является первопричиной большинства видов коррозии бетона и коррозии стальной арматуры, развития процессов карбонизации, выщелачивания гидроксида кальция, сульфатной и других видов химической коррозии.

Области применения водонепроницаемых бетонов чрезвычайно широки. К числу наиболее ответственных конструкций, к которым предъявляются повышенные требования по водонепроницаемости, относятся:

• гидротехнические сооружения — плотины, дамбы, каналы, шлюзы, водосбросы, эксплуатируемые при значительных напорах воды и многократных циклах замораживания-оттаивания;
• подземные конструкции — фундаменты, стены подвалов, тоннели, паркинги, насосные станции, находящиеся в зоне воздействия грунтовых вод;
• резервуарные сооружения — резервуары для хранения воды, бассейны, бункеры, очистные сооружения, отстойники;
• мостовые сооружения — опоры мостов, путепроводы, конструкции морских причалов и пирсов, подвергающиеся воздействию морской воды и противогололёдных реагентов;
• промышленные объекты — градирни, резервуары для нефтепродуктов, промышленные полы, работающие в условиях химически агрессивных сред.

Для большинства рядовых подземных сооружений из монолитного железобетона достаточной считается марка бетона по водонепроницаемости не ниже W6. Марки W10–W20 применяются для строительства ответственных гидротехнических сооружений, заглублённых подвальных помещений и резервуаров, причём такие бетоны, как правило, одновременно обладают высокими показателями морозостойкости и способны выдерживать многократные циклы замораживания-оттаивания без существенных потерь прочности.

Связь водонепроницаемости с долговечностью и коррозионной стойкостью

Водонепроницаемость является определяющим фактором долговечности бетонных и железобетонных конструкций. Как отмечается в фундаментальных исследованиях В. М. Москвина и др., именно снижение проницаемости бетона относится к основным мерам первичной защиты строительных конструкций от коррозии. Вода служит транспортным агентом, доставляющим к поверхности арматуры и в толщу бетона агрессивные ионы — хлориды, сульфаты, углекислый газ, кислород. Чем ниже проницаемость бетона, тем выше его способность защищать стальную арматуру от электрохимической коррозии и тем дольше сохраняется пассивное щелочное состояние у поверхности арматурных стержней.

Исследования М. Р. Джуракулова и А. А. Акрамова показывают, что сопротивление бетона деструктивным процессам тем активнее, чем выше его непроницаемость, на которую, в свою очередь, влияют величина открытой пористости и размер пор. При этом водонепроницаемость и морозостойкость, несмотря на существенные особенности, во многом зависят от одних и тех же структурных параметров бетона — прежде всего от характеристик капиллярной пористости.

Особую роль водонепроницаемость играет в условиях попеременного увлажнения и высыхания, а также циклического замораживания-оттаивания. Проникающая в поры вода при замерзании увеличивает свой объём примерно на 9 %, создавая гидравлическое давление, способное разрушить цементный камень. Поэтому морозостойкость бетона, эксплуатирующегося во влажной среде, напрямую зависит от его водонепроницаемости: чем меньше открытых сообщающихся капилляров, тем ниже степень водонасыщения и тем выше сопротивление многократным циклам замораживания-оттаивания.

Теоретические основы

Структура бетона и природа пористости

Бетон представляет собой многокомпонентный композиционный материал, состоящий из цементного камня, зёрен крупного и мелкого заполнителей, а также переходной (контактной) зоны между ними. Именно в цементном камне формируется основная система пор, определяющая проницаемость бетона в целом. Поскольку доля цементного камня в тяжёлом бетоне составляет примерно 30 % по объёму, количество капиллярных пор в бетоне приблизительно равно 30 % от количества капиллярных пор в цементном камне.

По происхождению поры в цементном камне подразделяются на несколько групп. Гелевые поры (0,001–0,01 мкм) образуются между частицами гидросиликатов кальция и других продуктов гидратации цемента; они настолько малы, что вода в них находится в особом, связанном состоянии и не участвует в фильтрации. Капиллярные поры (0,01–100 мкм) возникают из неиспользованной в реакции гидратации воды затворения и представляют собой основную транспортную артерию для проникновения влаги и агрессивных веществ. Крупные технологические поры и пустоты (>100 мкм) формируются вследствие неполного уплотнения бетонной смеси, наличия вовлечённого воздуха, а также усадочных и температурных деформаций.

В процессе гидратации цемента проницаемость цементного камня непрерывно снижается: продукты гидратации, объём которых примерно в 2,1 раза превышает объём прореагировавшего цемента, постепенно заполняют поровое пространство, разобщают капилляры и переводят часть открытой пористости в замкнутую. Чем выше степень гидратации α, тем больше степень разобщения порового пространства и тем выше водонепроницаемость камня. При В/Ц ≤ 0,40 водонепроницаемость цементного камня близка к нулю уже в сравнительно ранние сроки твердения; при В/Ц = 0,45 коэффициент фильтрации составляет порядка 3·10⁻¹² см/с, а при возрастании В/Ц более 0,45 водонепроницаемость резко снижается, достигая при В/Ц = 0,70 значений порядка 1,2·10⁻¹⁰ см/с.

Важную роль в формировании проницаемой структуры играет контактная зона между цементным камнем и зёрнами заполнителя. Эта зона характеризуется повышенной пористостью, наличием крупных кристаллов гидроксида кальция и ориентированной текстурой, что делает её наиболее уязвимым путём для фильтрации воды и развития микротрещин под нагрузкой.

Механизм фильтрации воды под давлением

Фильтрация воды через бетон подчиняется законам движения жидкости в пористых средах и в первом приближении описывается законом Дарси. Согласно этому закону, объём воды, прошедшей через сечение образца за единицу времени, пропорционален коэффициенту фильтрации Kf, площади сечения и перепаду давления и обратно пропорционален толщине образца и вязкости жидкости. Коэффициент фильтрации является основной физической характеристикой проницаемости бетона и служит для установления марки по водонепроницаемости.

В реальных конструкциях механизм проникновения воды существенно сложнее простой фильтрации. Н. Е. Фурманов, ссылаясь на работы Т. С. Пауэрса и Р. Спрингеншнейда, выделяет в бетонном элементе, подверженном одностороннему воздействию напорной воды, четыре характерные области: зону проникновения воды под давлением (до 25 мм от напорной грани), капиллярную область (до 70 мм), основную область, в которой движение воды отсутствует, и область высушивания с сухой стороны (до 80 мм). При толщине элемента более 200 мм основная область формируется всегда и служит надёжным барьером на пути влаги.

Проникновение воды в капиллярную область зависит от свойств бетона, в первую очередь от водоцементного отношения, и практически не зависит от направления и величины напора воды. Глубина проникновения достигает максимума (около 70 мм) примерно через 30 суток и в дальнейшем не увеличивается даже при длительной эксплуатации. При очень большом давлении воды глубина зоны проникновения капиллярной воды также существенно не возрастает, что подтверждает решающую роль микроструктуры цементного камня, а не внешнего напора.

Особый механизм действует в гидрофобизированных бетонах. Придание стенкам пор гидрофобных свойств создаёт противокапиллярное давление, величина которого определяется преимущественно радиусом пор. Гидрофобизованный материал с порами среднего диаметра около 10 мкм способен противостоять гидростатическому давлению столба воды высотой до 3 м (около 0,3 атм), что значительно превышает давление даже самого сильного ливня при ураганном ветре (0,2–0,4 м вод. ст.). Если же гидростатическое давление превышает противокапиллярное, начинается фильтрация, которая у гидрофобных материалов может идти даже легче, чем у гидрофильных, поскольку последние сорбируют воду в мельчайших дефектах пор, вызывая набухание и самоуплотнение.

Марка по водонепроницаемости (W) — определение и классификация по ГОСТ и EN

В отечественной нормативной документации водонепроницаемость бетона характеризуется маркой по водонепроницаемости, обозначаемой буквой W. Согласно ГОСТ 26633-2015, для бетонов конструкций, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости или повышенной плотности и коррозионной стойкости, установлены следующие марки: W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18, W20. Цифровая часть обозначения соответствует максимальному значению давления воды (в МПа·10⁻¹), выдерживаемому стандартным образцом-цилиндром высотой 150 мм при испытании: так, бетон марки W4 не должен пропускать воду при давлении 0,4 МПа (4 атм), бетон W12 — при 1,2 МПа и т. д..

В европейской практике применяется иной подход. Стандарт EN 12390-8 «Глубина проникновения воды под давлением» не предусматривает разбивки на марки W; вместо этого оценивается глубина проникновения воды в образец после 72-часового приложения постоянного давления 0,5 МПа. Бетон считается пригодным для использования в гидротехнических и напорных конструкциях, если глубина проникновения не превышает 50 мм. Исследования А. А. Антоняна показали, что между марками по ГОСТ 12730.5 и глубиной проникновения по EN 12390-8 существует устойчивая корреляционная зависимость: марке W6 соответствует глубина проникновения 90–110 мм (при твердении в нормальных условиях) или 70–100 мм (при твердении в воде), марке W12 — 55–75 мм и 30–45 мм соответственно.

В американской практике (стандарты ASTM) прямой метод определения водонепроницаемости отсутствует; вместо него определяется водопоглощение бетона по ASTM C1585 или используется метод ускоренного определения проницаемости для хлоридов ASTM C1202 (Coulomb method). Такое различие подходов создаёт определённые трудности при сопоставлении результатов, полученных в разных странах, и требует использования корреляционных зависимостей для пересчёта показателей.

Факторы, влияющие на водонепроницаемость

Водоцементное отношение (В/Ц)

Водоцементное отношение является одним из наиболее важных факторов, определяющих водонепроницаемость бетона. Вода, не вступившая в реакцию гидратации цемента, после высыхания образует в бетоне систему капиллярных пор, по которым впоследствии проникает влага. Теоретически для полной гидратации цемента достаточно В/Ц ≈ 0,25; однако при таком отношении бетонная смесь оказывается чрезмерно жёсткой и неудобной в укладке, поэтому на практике применяют В/Ц около 0,45–0,55, обеспечивающее необходимую удобоукладываемость.

Исследования С. А. Подмазовой, выполненные в НИИЖБ им. А. А. Гвоздева, подтвердили устойчивую зависимость водонепроницаемости от водоцементного отношения вне зависимости от заданной подвижности бетонной смеси. Согласно полученным данным, для обеспечения марки W4 достаточно В/Ц ≤ 0,60 и класса бетона В20; для W6 необходимо В/Ц ≤ 0,55 и В25; для W8 — В/Ц ≤ 0,45 и В30; для W10 — В/Ц ≤ 0,40 и В35; для W12 — В/Ц ≤ 0,38 и В40; для W14 — В/Ц ≤ 0,35 и В45.

Снижение водоцементного отношения при заданной подвижности достигается за счёт применения пластифицирующих и водоредуцирующих добавок. Уменьшение В/Ц с 0,50 до 0,40 (на 20 %) превращает бетонную смесь в литую и самоуплотняющуюся, не нуждающуюся в интенсивной вибрации, при этом количество и объём капиллярных пор резко сокращаются, а водонепроницаемость существенно возрастает. В таблице Е.1 СП 28.13330.2017 предельные значения В/Ц жёстко увязаны с категорией проницаемости бетона: для особо низкой проницаемости (W16–W20) допускается В/Ц не более 0,30.

Качество и тип цемента

Вид и минералогический состав применяемого цемента оказывают существенное влияние на водонепроницаемость бетона. Максимальная водонепроницаемость обеспечивается при использовании портландцемента нормального состава, а также специальных видов — пуццоланового, пластифицированного, гидрофобного и сульфатостойкого цементов. Пуццолановые и композиционные цементы, содержащие активные минеральные добавки (золу-унос, микрокремнёзём, молотый доменный шлак), вступают в реакцию с гидроксидом кальция, образуя дополнительные низкоосновные гидросиликаты, которые уплотняют структуру цементного камня и снижают его проницаемость.

Особую группу составляют специальные цементы, обеспечивающие высокую водонепроницаемость за счёт иного механизма. Напрягающий цемент, получаемый совместным помолом портландцементного клинкера, алюминатных компонентов и гипса, при твердении формирует преимущественно эттрингит, кристаллы которого расширяются и самоуплотняют структуру цементного камня. Бетон на таком цементе при давлении воды до 2 МПа не показывает признаков фильтрации и одновременно обладает повышенной морозостойкостью и стойкостью к агрессивным средам.

Негативное влияние на водонепроницаемость оказывает повышенное содержание трёхкальциевого алюмината (С₃А) в цементе, способствующее развитию усадочных деформаций и образованию микротрещин. Для бетонов, эксплуатирующихся в агрессивных средах, рекомендуется применять цемент с содержанием С₃А не более 8 % и удельной поверхностью до 350 м²/кг.

Минеральный и химический состав заполнителей

Крупный и мелкий заполнители занимают в бетоне около 60–80 % объёма и сами по себе, как правило, непроницаемы для воды. Однако их минералогический состав, форма зёрен, гранулометрия и качество контактной зоны с цементным камнем существенно влияют на проницаемость бетона в целом. Оптимальный состав смеси заполнителей, обеспечивающий минимальную пустотность и максимальную плотность бетонной смеси, способствует снижению расхода цемента и воды при заданной удобоукладываемости, а следовательно — уменьшению капиллярной пористости.

Применение заполнителей осадочных пород с развитой поверхностью и высокой водопотребностью, а также песков с большим содержанием пылевидных и глинистых частиц увеличивает расход воды затворения и, как следствие, пористость цементного камня. Напротив, использование щебня кубовидной формы из плотных изверженных пород и мытых песков с оптимальным модулем крупности позволяет получить более плотную и водонепроницаемую структуру бетона.

Важным фактором является реакционная способность заполнителей по отношению к щелочам цемента. Развитие щелочно-силикатной реакции приводит к образованию набухающих гелей, вызывающих внутреннее расширение и растрескивание бетона, что резко снижает его водонепроницаемость и долговечность.

Возраст бетона и степень гидратации цемента

Водонепроницаемость бетона существенно зависит от возраста и степени полноты гидратации цемента. С увеличением возраста бетона, особенно при непрерывном влажностном уходе, водонепроницаемость устойчиво возрастает. Исследования показывают, что значительное увеличение водонепроницаемости бетонов на портландцементе наблюдается вплоть до возраста 180 суток и более при условии постоянного увлажнения, отсутствия влагопотерь и положительной температуры.

Н. Е. Фурманов отмечает, что в реальных условиях эффективность реакции гидратации достигает 100 % лишь в тех бетонных элементах, которые постоянно находятся в воде. Для элементов, эксплуатирующихся на воздухе, при грамотном уходе за бетоном степень гидратации составляет около 80 %, а при отсутствии должного ухода — 60–70 %, что существенно увеличивает глубину проникновения воды. Данные, приведённые в таблице 1 его работы, показывают, что допустимой капиллярной пористости цементного камня 25 % при степени гидратации 60 % соответствует В/Ц ≤ 0,40, а при степени гидратации 100 % — В/Ц ≤ 0,58, то есть требования к водоцементному отношению ужесточаются по мере снижения качества ухода за бетоном.

Интересные данные о нарастании водонепроницаемости бетонов с различным В/Ц в условиях медленного испарения воды приведены А. Дидевичем. При В/Ц = 0,5 и расходе цемента 338 кг/м³ водонепроницаемость в возрасте 180 суток составляет 350 % от 28-дневной, а в возрасте 3 лет — 400 %; при В/Ц = 0,7 соответствующие показатели составляют 400 и 425 %. Однако при больших влагопотерях рост водонепроницаемости замедляется, прекращается и в отдельных случаях наблюдается даже её снижение.

Уплотнение бетонной смеси и качество укладки

Качество уплотнения бетонной смеси при укладке является решающим технологическим фактором, определяющим водонепроницаемость конструкции. Недоуплотнение приводит к образованию крупных пор, раковин, каверн и сквозных каналов, по которым вода фильтруется практически беспрепятственно. Необходимая уплотнённость бетона достигается правильным выбором подвижности бетонной смеси, применением эффективных методов уплотнения (вибрирование, вакуумирование, центрифугирование) и квалифицированным выполнением работ.

Особое значение имеет качество укладки бетона в монолитных конструкциях. Исследования А. И. Закоршменного, выполненные на подземных сооружениях, показали, что при монолитном возведении значительно чаще, чем при строительстве из сборных заводских конструкций, встречаются такие дефекты, как осадочные и усадочные трещины, холодные швы, пустоты вдоль арматурного каркаса, расслоение бетона по высоте захватки и образование полостей внутри конструкции из-за недостаточной вибрации. Именно эти дефекты, а не проницаемость самого бетона, становятся основными путями проникновения воды в подземные сооружения.

Даже при наличии бетона с высокой водонепроницаемостью (W8 и выше) вода проникает в сооружение по швам, сопряжениям (стена-пол, стена-потолок) и дефектным участкам. Поэтому для обеспечения надёжной защиты подземных сооружений от воздействия воды необходимо устройство специальных водонепроницаемых швов с применением шпонок, гидрошпонок и герметиков.

Влияние условий твердения (температура, влажность)

Условия твердения бетона — температура и влажность окружающей среды — оказывают решающее влияние на формирование его водонепроницаемой структуры. Образцы цементного камня, твердевшие в воде, оказываются практически воздухонепроницаемыми; те же образцы, сформированные в воздушно-влажных условиях, становятся проницаемыми, а после высушивания их проницаемость значительно возрастает.

Водонепроницаемость бетонов, твердевших в воздушной среде с низкой относительной влажностью и потерявших за время твердения существенное количество воды затворения, всегда в несколько раз ниже водонепроницаемости таких же бетонов, твердевших в условиях постоянного увлажнения. Так, водонепроницаемость образцов бетона, находившихся после распалубки в воздушной среде с относительной влажностью 50–60 % и испытанных в возрасте 180 суток, нередко оказывается ниже водонепроницаемости «марочных» образцов, твердевших в условиях постоянного увлажнения 28 суток.

А. А. Антонян экспериментально подтвердил, что один и тот же состав бетона в зависимости от условий твердения может быть водонепроницаемым (при твердении в воде) или водопроницаемым (при твердении в нормальных условиях). В реальных условиях стройплощадки влажностные условия твердения бетона в лучшем случае приближаются к нормальным, особенно в регионах с сухим и жарким климатом. Стандарт EN 12390-8 предусматривает водное хранение образцов, что оправдано для влажного климата Германии, но требует корректировки при применении в засушливых регионах.

Для бетонов с низким В/Ц сохранение от испарения воды, необходимой для процесса гидратации цемента, является одной из основных задач. Проблема решается путём увлажнения свежеуложенного бетона каждые 3–4 часа в течение первых 3 суток, укрытием влажной мешковиной или плёнкой, применением специальных плёнкообразующих составов.

Наличие микротрещин и дефектов

Микротрещины в цементном камне и контактной зоне являются наиболее опасными концентраторами проницаемости. Даже незначительные по ширине раскрытия (0,05–0,1 мм) создают сквозные каналы для фильтрации воды и значительно снижают эффективную водонепроницаемость конструкции. Усадочные, температурные и силовые микротрещины возникают вследствие усадки бетона, термических деформаций, действия внешних нагрузок, а также при недостаточном армировании.

С увеличением расхода цемента свыше 350–400 кг/м³ при постоянном В/Ц увеличивается общая пористость и снижается трещиностойкость цементного камня, особенно после термовлажностной обработки; в процессе эксплуатации в таком бетоне легче возникают усадочные трещины, повышающие интегральную пористость и снижающие водонепроницаемость и морозостойкость.

А. Д. Панфилова с соавторами отмечает, что при водонасыщении бетона протекают два взаимно противоположных процесса: адсорбционный эффект Ребиндера вызывает понижение прочности, а уменьшение неравномерного распределения внутренних напряжений, вызванных усадкой, наоборот, способствует повышению прочности. При длительном водонасыщении наблюдается интенсификация процессов роста новообразований цементного камня, что частично компенсирует снижение прочности. Главными факторами, от которых зависит негативное воздействие водонасыщения на прочность бетона, являются его пористость, интегрированность микропор в капиллярную пористость, степень и длительность насыщения, неравномерное распределение напряжений.

Методы повышения водонепроницаемости

Технологические методы

Оптимизация состава бетона (понижение В/Ц, подбор заполнителей)

Основным технологическим путём повышения водонепроницаемости бетона является оптимизация его состава, направленная на снижение капиллярной пористости и уплотнение структуры. Ключевым параметром здесь выступает водоцементное отношение: снижение В/Ц с 0,60 до 0,40 позволяет перевести бетон из категории нормальной проницаемости (W4) в категорию особо низкой проницаемости (W10 и выше).

Оптимизация гранулометрии заполнителей, обеспечивающая минимальную пустотность смеси, позволяет снизить расход цементного теста при заданной удобоукладываемости, а следовательно — уменьшить объём капиллярных пор. Применение плотных заполнителей с низкой водопотребностью, оптимальное соотношение между крупным и мелким заполнителями, использование микрокремнёзёма и золы-уноса в качестве активных минеральных добавок способствуют формированию мелкопористой и водонепроницаемой структуры цементного камня.

С. А. Подмазова отмечает, что для обеспечения проектных требований по водонепроницаемости необходимо разрабатывать состав бетона, обеспечивающий прежде всего более значимую характеристику (обычно водонепроницаемость), тогда как остальные заявленные требования (например, по прочности) будут выполняться автоматически. Такой подход, основанный на результатах исследований НИИЖБ, позволяет избежать ситуаций, когда бетон заданного класса по прочности не обеспечивает требуемую марку по водонепроницаемости.

Использование гидрофобного или напрягающего цемента

Применение специальных видов цемента является эффективным способом повышения водонепроницаемости бетона. Гидрофобный цемент, получаемый совместным помолом клинкера с гидрофобизирующими добавками (олеиновая кислота, мылонафт и др.), обладает повышенной водонепроницаемостью за счёт придания поверхности частиц цемента водоотталкивающих свойств, что препятствует проникновению влаги в капилляры цементного камня.

Напрягающий цемент обеспечивает практически полную водонепроницаемость бетона за счёт образования эттрингита — кристаллической фазы, увеличивающейся в объёме и самоуплотняющей структуру камня. Бетон на напрягающем цементе при давлении воды 2 МПа не показывает признаков фильтрации; одновременно повышаются его морозостойкость, износостойкость и стойкость к агрессивной среде. Технология изготовления такого бетона предусматривает тщательное уплотнение вибратором и обязательное поддержание влажного состояния поверхности конструкции до полного отвердевания и распалубки.

Применение добавок

Проникающего действия (пенетрирующие)

Материалы проникающего действия (системы типа «Пенетрон», «Гидротекс» и др.) представляют собой сухие смеси на основе портландцемента, отсеянного песка и специальных химических добавок. При нанесении на влажную поверхность бетона активные компоненты проникают в капилляры и микротрещины, где вступают в реакцию с продуктами гидратации цемента, образуя нерастворимые кристаллические соединения, закупоривающие поры. Использование материалов системы «Пенетрон» позволяет повысить марку водонепроницаемости бетона на 4–6 ступеней, одновременно увеличивая показатели морозостойкости и прочности, а также придавая бетону способность к самозалечиванию микротрещин.

Добавка «Пенетрон Адмикс», вводимая непосредственно в бетонную смесь при изготовлении, обеспечивает объёмную гидроизоляцию: активные компоненты распределяются по всему объёму бетона и в процессе твердения формируют кристаллическую структуру, непроницаемую для воды. Преимуществом таких материалов является возможность применения как с внешней, так и с внутренней стороны конструкции, независимо от направления давления воды, а также отсутствие необходимости предварительной сушки поверхности.

Пластифицирующие и уплотняющие

Пластифицирующие и водоредуцирующие добавки позволяют существенно снизить водоцементное отношение при сохранении заданной подвижности бетонной смеси, что напрямую ведёт к снижению капиллярной пористости и повышению водонепроницаемости. Суперпластификаторы на основе поликарбоксилатных эфиров обеспечивают снижение В/Ц до 0,30–0,35 при получении самоуплотняющегося бетона, не нуждающегося в вибрации.

Уплотняющие добавки (нитрат кальция, хлорид кальция, жидкое стекло, стеарат кальция) способствуют увеличению плотности цементного камня и снижению его пористости за счёт ускорения гидратации, образования дополнительных новообразований или гидрофобизации капилляров. Экспериментальные исследования И. А. Туркиной показали, что минимальное водопоглощение (2,70 %) и высокую водонепроницаемость (W8) обеспечивает добавка жидкого стекла; несколько худшие результаты демонстрируют раствор хлорного железа и стеарат кальция (W6–W8).

Воздухововлекающие

Воздухововлекающие добавки формируют в структуре бетона систему мелких равномерно распределённых замкнутых пор, которые выполняют роль резервных ёмкостей для воды при замерзании и тем самым существенно повышают морозостойкость. Однако их влияние на водонепроницаемость неоднозначно. Исследования М. Р. Джуракулова показали, что введение воздухововлекающих добавок в бетон с высоким В/Ц (0,70) не только не повышает морозостойкость, но и приводит к её существенному снижению, поскольку образующиеся поры при большом В/Ц не блокируются цементным гелем и увеличивают не условно-замкнутую, а открытую пористость.

Повышение морозостойкости и водонепроницаемости путём введения воздухововлекающих добавок эффективно только для бетонов с В/Ц не более 0,62, при котором поры оказываются окружёнными цементным гелем и выполняют функцию замкнутых резервных ёмкостей. При оптимальном содержании вовлечённого воздуха (3–7 %) и низком В/Ц бетон одновременно приобретает высокую водонепроницаемость и морозостойкость.

Поверхностная и объемная гидроизоляция

Обмазочные и оклеечные материалы

Поверхностная гидроизоляция бетонных конструкций осуществляется с помощью обмазочных (битумные и полимерные мастики, цементно-полимерные составы) и оклеечных (рулонные полимерные мембраны, бентонитовые маты) материалов. Традиционная «чёрная ванна» на основе битумных материалов и современная «коричневая ванна» из бентонита, разбухающего при контакте с водой, обеспечивают надёжную защиту конструкций от проникновения влаги.

Альтернативой поверхностной гидроизоляции является система «Белая ванна» (Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton, WU-Beton), разработанная в Германии в начале 1980-х годов и предусматривающая обеспечение водонепроницаемости исключительно за счёт самого бетона — правильно подобранного состава, тщательного уплотнения и устройства специальных водонепроницаемых швов. Такая технология позволяет отказаться от дренажа и наружных гидроизоляционных материалов, сокращая затраты и сроки строительства.

Пропиточные составы (пропитки)

Для повышения водонепроницаемости существующих бетонных конструкций широко применяются пропиточные составы, проникающие в поверхностный слой бетона и образующие в его порах и капиллярах труднорастворимые в воде соединения. К числу наиболее известных относятся материалы на основе фтористого силиката натрия или цинка («Сифтомакс»), кремнийорганические гидрофобизаторы, а также составы на основе силанов и силоксанов. Пропитка укрепляет структуру бетона, повышает его водонепроницаемость, морозостойкость и износоустойчивость.

Технология нанесения гидроизоляции

Эффективность любой гидроизоляционной системы определяется качеством её нанесения. Для обмазочных и оклеечных материалов необходима тщательная подготовка поверхности — очистка, обеспыливание, выравнивание, а в ряде случаев — осушение. Проникающие гидроизоляционные материалы, напротив, применяются только по влажной поверхности, что значительно снижает затраты на подготовительные работы. Материалы системы «Пенетрон» наносятся кистью или распылителем в два слоя с интервалом 6–24 часа; после нанесения поверхность необходимо защищать от быстрого высыхания в течение 3 суток.

Грамотное планирование, выполнение и последующий контроль гидроизоляционных работ должны восприниматься серьёзно на любом этапе строительства. Зачастую затраты на гидроизоляцию составляют лишь небольшой процент от общих затрат по возведению сооружения, а эффект от выполненных работ проявляется не сразу, а нередко — в худшую сторону — после окончания строительства.

Методы испытания водонепроницаемости

Прямые методы (испытание образцов под давлением по ГОСТ 12730.5-2018)

Основным нормативным документом, регламентирующим методы определения водонепроницаемости бетона в России и странах СНГ, является ГОСТ 12730.5-2018 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости». Стандарт предусматривает четыре метода испытаний, которые можно разделить на базовые (прямые) и ускоренные (косвенные).

Базовым прямым методом является метод «мокрого пятна», основанный на определении максимального давления воды, при котором через стандартный образец-цилиндр (диаметром и высотой 150 мм) не просачивается вода. Давление подаётся ступенями по 0,2 МПа с выдержкой на каждой ступени 16 часов; за результат принимается давление, при котором на верхней торцевой поверхности двух из шести образцов появляются признаки фильтрации (мокрые пятна или капли). Метод обладает высокой точностью и обеспечивает сходимость результатов, однако отличается высокими трудозатратами: испытание бетона марки W10 требует около 80 часов непрерывной работы.

Вторым базовым методом является определение коэффициента фильтрации Kf при постоянном давлении по измеренному количеству фильтрата и времени фильтрации. Хотя данный метод формально не является прямым, он обеспечивает высокую точность, сходимость и воспроизводимость результатов благодаря физической связи коэффициента фильтрации со свойством водонепроницаемости. При использовании этого метода трудозатраты существенно ниже: испытание марки W10 занимает около 10 часов.

Сравнительные испытания, проведённые Н. Р. Ваньковой и А. Е. Фоминой, показали, что 60 % результатов, полученных методами «мокрого пятна» и «по воздухопроницаемости», отличаются на 0,2 МПа (одна марка W), что является неприемлемым. Размах результатов для прямого метода составил 0,6 МПа (четыре марки W), для метода «по воздухопроницаемости» — 0,4 МПа (три марки W). Авторы связывают это с несовершенством методик, недостаточным метрологическим подтверждением оборудования и отсутствием стандартных образцов.

Г. М. Хренов и М. П. Кострикин выявили серьёзную ошибку в формуле расчёта коэффициента фильтрации, приведённой в п. 3.4.2 ГОСТ 12730.5-84: из-за некорректной подстановки единиц измерения полученный по данной методике коэффициент фильтрации превышает фактический в 100 раз, что приводит к занижению марки по водонепроницаемости. Авторы приходят к выводу о необходимости комплексного пересмотра и актуализации ГОСТ 12730.5-84. Ошибка была исправлена в ГОСТ 12730.5-2018.

Косвенные методы

По воздухопроницаемости

Ускоренный метод определения водонепроницаемости по воздухопроницаемости основан на измерении сопротивления бетона проникновению воздуха и позволяет провести испытание серии образцов за 2 часа. Принцип действия приборов типа «Агама-2РМ» и ВИП-1 заключается в измерении времени падения вакуумметрического давления в камере, герметично прижатой к поверхности образца, за счёт проникновения атмосферного воздуха через поры и дефекты бетона.

В Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений (ФИФОЕИ) зарегистрированы всего два средства измерений для определения водонепроницаемости бетона — «Агама-2РМ» и ВИП-1, и оба относятся к методам по воздухопроницаемости. При этом метрологические характеристики расчётных параметров (сопротивление бетона проникновению воздуха, водонепроницаемость в МПа) для этих приборов не определены, что создаёт определённые трудности с прослеживаемостью результатов.

По поглощению воды

Косвенным показателем водонепроницаемости служит водопоглощение по массе, определяемое по ГОСТ 12730.3. Между водопоглощением и маркой по водонепроницаемости существует устойчивая корреляционная зависимость: бетону W4 соответствует водопоглощение 4,7–5,7 %, бетону W6 — 4,2–4,7 %, бетону W8 и выше — менее 4,2 %. Для натурных испытаний применяется методика Карстена, позволяющая определить поверхностное водопоглощение бетона непосредственно на конструкции; недостаток метода — высокие требования к качеству подготовки поверхности и малая рабочая площадь прибора.

По виду структуры под микроскопом

Оценка проницаемости бетона по микроструктуре осуществляется с помощью оптической и электронной микроскопии, а также методами ртутной порометрии, компьютерной томографии и ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Эти методы позволяют определить геометрию, распределение и связность пор, что имеет принципиальное значение для прогнозирования проницаемости. Исследования с использованием промышленной компьютерной томографии показали, что пористость гидротехнического бетона увеличивается с ростом длительности выдержки, причём общая пористость низкотемпературного бетона выше, чем у среднетемпературного, но скорость роста пор ниже.

С. Я. Семененко, Д. П. Арьков и С. С. Марченко разработали экспресс-метод определения марки бетона по водонепроницаемости на основе зависимости скорости распространения ультразвуковых волн от коэффициента фильтрации. Установлено, что для марок W8, W10, W12 скорость ультразвука находится в определённых диапазонах (4063, 4727 и 5124 м/с соответственно), а корреляционная зависимость описывается степенной функцией с высокой достоверностью аппроксимации (R² = 0,9986). Метод позволяет значительно ускорить процесс диагностики и может применяться при обследовании эксплуатирующихся гидротехнических сооружений.

А. И. Закоршменный разработал прибор ВБК-1 для определения глубинной водонепроницаемости железобетонных конструкций подземных сооружений в натурных условиях. Принципиальное отличие прибора — возможность определения водонепроницаемости на глубину до 40 см, что максимально приближает измерение к внешней стороне бетона подземного сооружения. Алмазное бурение испытательного отверстия с водяным охлаждением обеспечивает качество поверхности, эквивалентное поверхности бетона после снятия гладкой металлической опалубки, без образования микротрещин.

Проектирование водонепроницаемых конструкций

Учет гидростатического давления

При проектировании водонепроницаемых бетонных и железобетонных конструкций марку по водонепроницаемости назначают в зависимости от условий эксплуатации, расчётного гидростатического давления и температуры контактирующей с сооружением воды. Для гидротехнического бетона ключевым параметром является градиент напора — отношение максимального напора (м) к толщине конструкции (или расстоянию от напорной грани до дренажа) (м). Согласно таблице 2 СП 28.13330.2017, при температуре воды до 10 °С и градиенте напора до 5 назначается марка W2, при градиенте 5–10 — W4, 10–20 — W6, 20–30 — W8; при температуре воды свыше 10 °С требования ужесточаются на одну-две марки. Для конструкций с градиентом напора свыше 30 назначается марка W14 и выше.

В нетрещиностойких напорных железобетонных конструкциях и нетрещиностойких безнапорных конструкциях морских сооружений проектная марка бетона по водонепроницаемости должна быть не ниже W4. К аэродромному и дорожному бетонам требования по водонепроницаемости не предъявляются.

Нормативные требования к марке бетона W для разных типов конструкций и условий эксплуатации

Марка бетона по водонепроницаемости устанавливается в результате сопоставления заданных условий эксплуатации конструкции и требований СП 63.13330.2012, ГОСТ 26633-2012, СП 28.13330.2017 для всех видов бетонов и СП 41.13330.2012 — для гидротехнического бетона.

Для надземных конструкций, подвергаемых атмосферным воздействиям при расчётной отрицательной температуре наружного воздуха выше минус 40 °С, а также для наружных стен отапливаемых зданий марку бетона по водонепроницаемости не нормируют. Для конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах, требования к водонепроницаемости определяются степенью агрессивного воздействия среды согласно таблицам В.1–В.5, Г.1–Г.2, Ж.3–Ж.5 СП 28.13330.2017.

К мерам первичной защиты бетонных и железобетонных конструкций от коррозии относится применение бетонов, стойких к воздействию агрессивной среды и отрицательным температур, что обеспечивается выбором цемента и заполнителей, подбором состава бетона, снижением проницаемости бетона, применением водоредуцирующих, активных минеральных, воздухововлекающих и других добавок. Постулируется основное положение о том, что защита бетона от коррозии при эксплуатации в разных средах в первую очередь зависит от выполнения требований по водонепроницаемости и морозостойкости.

Связь водонепроницаемости с другими свойствами бетона

Прочность на сжатие

Водонепроницаемость и прочность на сжатие тесно взаимосвязаны через общую структурную характеристику — капиллярную пористость цементного камня. Чем ниже В/Ц и выше степень гидратации, тем выше и прочность, и водонепроницаемость. Исследования С. А. Подмазовой подтвердили, что при обеспечении марки W4 достигается класс бетона не ниже В20, марки W6 — не ниже В25, марки W8 — не ниже В30, марки W10 — не ниже В35, марки W12 — не ниже В40, марки W14 — не ниже В45.

А. Д. Панфилова с соавторами отмечает, что связь между прочностью бетона на сжатие и влажностью в момент испытания во всём диапазоне изменения влажности может быть представлена линейной зависимостью: относительное изменение прочности на единицу влажности составляет около 5,5 %. Прочность бетона после насыщения водой снижается на 25–30 % по сравнению с прочностью сухого бетона; колебания влажности цементного камня на 1 % приводят к изменению прочности в среднем на 1 %.

Морозостойкость

Морозостойкость и водонепроницаемость, несмотря на существенные особенности, во многом зависят от одних и тех же параметров бетона — прежде всего от характеристик капиллярной пористости и степени водонасыщения. Как показали исследования М. Р. Джуракулова, коэффициент морозостойкости бетонов (отношение прочности образцов после испытаний на морозостойкость к прочности водонасыщенных образцов) уже после первого цикла замораживания-оттаивания составляет 0,8–0,9, а после трёх циклов снижается до 0,65–0,7; бетон считается не выдержавшим испытание на морозостойкость уже после трёх циклов. Особенно существенно снижение прочности у бетонов, имеющих В/Ц более 0,40.

Для получения долговечных бетонов необходимо одновременное обеспечение высоких водонепроницаемости и морозостойкости; оптимальным представляется ограничение содержания С₃А менее 7 % и удельной поверхности цемента до 350 м²/кг. Одним из путей повышения водонепроницаемости, морозостойкости и прочности бетонов является использование смешанных вяжущих с суперпластификаторами нового поколения и активными минеральными наполнителями.

Коррозионная стойкость (защита арматуры)

Водонепроницаемость является определяющим фактором коррозионной стойкости бетона и защиты стальной арматуры от коррозии. Вода служит транспортным агентом, доставляющим к арматуре агрессивные ионы (хлориды, сульфаты, углекислый газ); чем ниже проницаемость бетона, тем выше его способность защищать арматуру и тем дольше сохраняется пассивное щелочное состояние у поверхности стержней.

Европейский стандарт EN 206 рекомендует предельные величины технологических параметров (В/Ц, расход цемента, прочность), при выполнении которых обеспечивается защита бетона в той или иной среде эксплуатации. В отечественных документах (СП 28.13330.2017) приняты рекомендации по маркам морозостойкости и водонепроницаемости, которые опосредованно являются мерами по защите бетона от коррозии с учётом различных видов сред эксплуатации.

Специальные виды водонепроницаемого бетона

Гидротехнический бетон

Гидротехнический бетон представляет собой разновидность тяжёлого бетона, эксплуатируемого в особо нагруженных конструкциях при частом контакте с водой. Он подразделяется на три группы: подводный, находящийся постоянно в толще воды; пребывающий в зоне переменного уровня воды; расположенный над водой и периодически ею омываемый. Основным внешним фактором, влияющим на состояние гидробетона, выступает водная среда, поэтому водонепроницаемость является важнейшей его характеристикой.

Марка бетона по водонепроницаемости для гидротехнических сооружений назначается в зависимости от градиента напора и температуры контактирующей воды. При градиенте напора свыше 30 и температуре воды до 10 °С требуется марка не ниже W12; при более суровых условиях — W14 и выше. Для гидротехнического бетона особенно актуальны экспресс-методы неразрушающего контроля водонепроницаемости, поскольку стандартные лабораторные методы трудно применимы для массивных конструкций.

Бетон для резервуаров и очистных сооружений

Бетоны для резервуаров, бассейнов и очистных сооружений эксплуатируются в условиях постоянного контакта с водой и часто — с химически агрессивными жидкостями. К таким бетонам предъявляются повышенные требования по водонепроницаемости (не ниже W8–W12), химической стойкости и морозостойкости.

Для обеспечения заданных характеристик применяются специальные составы бетона с низким В/Ц (не более 0,40–0,45), активными минеральными добавками (микрокремнёзём, зола-унос), суперпластификаторами и воздухововлекающими добавками. Дополнительно применяются поверхностные пропитки и обмазочные гидроизоляционные материалы, а также системы проникающей гидроизоляции.

Нормативные документы

Российские стандарты:

• 12730.5-84 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости» (не действует)
• 12730.5-2018 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости» (не действует)
• ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжёлые и мелкозернистые. Технические условия»
• ГОСТ 25192-2012 «Бетоны. Классификация и общие технические требования»
• СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения»
• СП 28.13330.2017 «Защита строительных конструкций от коррозии»
• СП 41.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений»

Международные стандарты:

• EN 206 «Бетон. Технические требования, эксплуатационные характеристики, производство и контроль качества»;
• EN 12390-8 «Испытание затвердевшего бетона. Часть 8. Глубина проникновения воды под давлением»;
• ASTM C1585 «Стандартный метод испытаний для измерения скорости абсорбции воды цементными бетонами»;
• ASTM C1202 «Стандартный метод испытаний для оценки проницаемости бетона для хлоридов электрическим измерением».

См. также

• Гидроизоляция
• Долговечность строительных конструкций
• Коррозия бетона
• Капиллярный подсос
• Самовосстанавливающийся бетон
• Пористость бетона
• Водопоглощение бетона
• Морозостойкость бетона
• Гидротехнический бетон
• Коэффициент фильтрации бетона
• Гидрофобный бетон
• Система «Белая ванна»
• Проникающая гидроизоляция бетона
• Градиент напора в гидротехнических сооружениях

Литература

• Давидсон М. Г. Водонепроницаемый бетон. Лениздат, 1965. 98 с.
• Москвин В. М., Иванов Ф. М., Алексеев С. Н., Гузеев Е. А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. Стройиздат, 1980. 536 с.
• Невилль А. М. Свойства бетона. Издательство литературы по строительству, 1972. 344 с.
• Рамачандран В. С., Фельдман Р. Ф., Бодуэн Дж. Наука о бетоне. Физико-химическое бетоноведение. Стройиздат, 1986. 278 с.
• Лещинский М. Ю. Испытание бетона. Справочное пособие. Стройиздат, 1980. 360 с.
• Ратинов В. Б., Розенберг Т. И. Добавки в бетон. Стройиздат, 1989. 188 с. ISBN 5-274-00566-7
• Соловьев В. И. Бетоны с гидрофобизирующими добавками. Наука, 1990. 112 с.
• Шейкин А. Е., Чеховский Ю. В., Бруссер М. И. Структура и свойства цементных бетонов. Стройиздат, 1979. 344 с.
• Штарк И., Вихт Б. Долговечность бетона. Оранта, 2004. 294 с.
• Алексеев С. Н., Иванов Ф. М., Модры С., Шиссль П. Долговечность бетона в агрессивных средах. Стройиздат, 1990. 320 с. ISBN 5-274-00923-9
• Беляев Л. Н., Дмитриева Г. К., Искрин В. С. Гидроизоляция ограждающих конструкций промышленных и гражданских сооружений. Стройиздат, 1975. 318 с.
• Попченко С. Н. Гидроизоляция сооружений и зданий. Стройиздат, 1981. 304 с.