Водопоглощение бетона

Водопоглощение бетона — это свойство бетона, характеризующее его способность поглощать и удерживать капиллярную воду при контакте с жидкой средой. Этот показатель, наряду с пористостью и водонепроницаемостью, является одной из ключевых характеристик, определяющих долговечность бетонных и железобетонных конструкций. Водопоглощение напрямую связано со структурой цементного камня и зависит от водоцементного отношения (В/Ц), вида и количества добавок, а также условий твердения. Проникновение влаги в капиллярно-пористую структуру бетона инициирует процессы коррозии, снижает морозостойкость и может приводить к разрушению арматуры вследствие электрохимической коррозии.

Количественно водопоглощение выражают двумя способами: по массе (как отношение массы поглощенной воды к массе сухого образца) и по объему (как отношение объема поглощенной воды к объему образца). Для традиционных тяжелых бетонов водопоглощение по массе после 48 часов водонасыщения составляет до 6–8 % (для низкокачественных бетонов и до 9,0-9,6%), тогда как для современных высокопрочных бетонов этот показатель может быть в 3–4 раза ниже .

Нормативные требования к максимальному водопоглощению устанавливаются в зависимости от класса бетона по водонепроницаемости (марки W) и условий эксплуатации конструкции

Основные факторы, влияющие на водопоглощение

Влияние структуры порового пространства

Водопоглощение бетона определяется параметрами его порового пространства, под которым понимается вся несплошность материала, не занятая твердой фазой исходных компонентов и продуктов гидратации . В затвердевшем бетоне присутствуют поры различных типов и размеров: капиллярные поры (диаметром от 0,1–1 до 20–50 мкм и более), возникающие при испарении воды; седиментационные поры (50–100 мкм), образующиеся в результате водоотделения; а также гелевые поры, характерные для гидросиликатов кальция.

Исследования показывают, что именно седиментационные поры играют решающую роль в процессах фильтрации воды и оказывают значительное влияние на долговечность . С увеличением полной пористости цементного камня на 1 % его прочность снижается на 5–7 % . (см. также Воздух в бетонной смеси) При этом ключевое значение имеет не только общий объем пор, но и их количественное соотношение, а также однородность размеров. Увеличение содержания мелких пор (уменьшение показателя среднего размера пор λ) способствует росту числа контактов между частицами цементного камня и повышению прочности, одновременно снижая водопоглощение.

Роль водоцементного отношения и добавок

Снижение водоцементного отношения закономерно уменьшает средний размер пор: с λ = 1,6 при В/Ц = 0,5 до λ = 0,5 при В/Ц = 0,35 . Однако чрезмерное снижение В/Ц без применения химических добавок может привести к нехватке цементного теста и резкому возрастанию водопоглощения из-за ухудшения удобоукладываемости и появления дефектов уплотнения.

Наиболее существенное снижение водопоглощения достигается при комплексном использовании гиперпластификаторов и минеральных дисперсных добавок (микрокремнезёма, золы-уноса, метакаолина, тонкомолотых горных пород). Введение микрокремнезёма с содержанием SiO₂ не менее 85 % позволяет уменьшить объем капиллярных пор цементного камня в 1,4–2,6 раза по сравнению с контрольным составом . При этом водопроницаемость бетона повышается с марки W8 (контрольный состав) до W14–W20, а газопроницаемость снижается в 1,8–4,8 раза .

Эффективным направлением является также применение композиционных вяжущих, получаемых совместным помолом портландцемента с активными минеральными добавками до удельной поверхности 550 м²/кг и выше . Например, замена до 45 % цемента смесью золы-уноса (40 %) и отсева дробления известняка (5 %) позволяет снизить водопоглощение по массе более чем в 2 раза — с 6,1 % до 2,5–2,8 % .

Влияние дисперсного армирования

Введение фибры (стальной, базальтовой, полимерной) в мелкозернистый бетон также положительно сказывается на снижении водопоглощения. Равномерно распределенная фибра противодействует водоотделению и седиментации, упрочняет контактную зону «заполнитель — цементный камень», препятствует образованию усадочных трещин и повышает плотность материала . Особенно это актуально для высокоподвижных и самоуплотняющихся бетонных смесей, склонных к расслоению.

Связь водопоглощения с долговечностью

Низкое водопоглощение является необходимым условием высокой морозостойкости и водонепроницаемости. Для порошково-активированных высокопрочных бетонов нового поколения с прочностью на сжатие 120–160 МПа и удельным расходом цемента 3,3 кг/МПа (вместо 8–12 кг/МПа для бетонов старого поколения) водопоглощение по объему составляет всего 6,7 %, а средний размер пор λ = 0,105–0,120 при показателе однородности α = 0,3–0,4 . Такая мелкопористая структура обеспечивает высокую устойчивость к агрессивным средам и циклическому замораживанию-оттаиванию.

Композиционные вяжущие с добавками золы-уноса и известнякового порошка способствуют синтезу игольчатых и «стеблевидных» кристаллов низкоосновных гидросиликатов кальция, которые армируют структуру на нано- и микроуровне, снижая пористость и препятствуя проникновению влаги . Это особенно важно для конструкций, эксплуатируемых в условиях переменного увлажнения и высушивания, а также для объектов транспортного и гидротехнического строительства.

Нормативные требования к водопоглощению

СП 28.13330.2017 «Защита строительных конструкций от коррозии» устанавливает возможные значения водопоглощения для категорий проницаемости бетонов (табл. Е.1):

Характеристика бетона	Категория проницаемости бетона
	Нормальная	Пониженная	Низкая	Особо низкая
Марка бетона по водонепроницаемости	W4	W6	W8	W10-W14	W16-W20
Коэффициент фильтрации, см/с	Св. 2·10⁻⁹ до 7·10⁻⁹	Св. 6·10⁻¹⁰ до 2·10⁻⁹	Св. 1·10⁻¹⁰ до 6·10⁻¹⁰	Св. 5·10⁻¹¹ до 1·10⁻¹⁰	Менее 5·10⁻¹¹
Коэффициент диффузии для хлоридов, см²/с	—	Менее 5·10⁻⁸ до 1·10⁻⁸	Менее 1·10⁻⁸ до 5·10⁻⁹	Менее 5·10⁻⁹	Менее 5·10⁻⁹
Водоцементное отношение, не более	0,6	0,55	0,45	0,35	0,3
Водопоглощение по массе, %	Св. 4,7 до 5,7	Св. 4,2 до 4,7	Св. 3,7 до 4,2	Св. 3,0 до 3,7	Менее 3,0

По ГОСТ 33148-2014 "Дороги автомобильные общего пользования. Плиты дорожные железобетонные. Технические требования" и ГОСТ Р 56600-2015 "Плиты предварительно напряженные железобетонные дорожные. Технические условия" водопоглощение бетона плит не должно превышать 5% по массе.

По ГОСТ 6665-91 "Камни бетонные и железобетонные бортовые. Технические условия" водопоглощение бетона изделий не должно превышать по массе: 6% для камней из мелкозернистого бетона, 5% для камней из тяжелого бетона.

Аналогично по ГОСТ 17608-2017 "Плиты бетонные тротуарные. Технические условия" водопоглощение бетона изделий не должно превышать по массе: 6% для плит из мелкозернистого бетона и двухслойных плит, 5% для плит из тяжелого бетона.

По ГОСТ 6482-2011 "Трубы железобетонные безнапорные. Технические условия" водопоглощение бетона труб не должно превышать 6% по массе.

Методы определения водопоглощения

В Российской Федерации основным нормативным документом является ГОСТ 12730.3-2020 "Бетоны. Метод определения водопоглощения". Стандарт распространяется на все виды бетонов (тяжелые, легкие, ячеистые, поризованные и др. - Д.К.) и устанавливает метод определения водопоглощения на образцах-кубах, призмах или цилиндрах.

Методика испытания по ГОСТ 12730.3-2020

1. Аппаратура и инструменты

Для проведения испытания применяют:

• весы лабораторные по ГОСТ 24104;
• электрошкаф сушильный, обеспечивающий температуру нагрева от 105 °С до 110 °С;
• емкость для насыщения образцов водой;
• щетку проволочную или камень абразивный.

2. Подготовка к испытанию

2.1 Водопоглощение определяют путем проведения испытания образцов. Размеры и количество образцов принимают по ГОСТ 12730.0.

2.2 Поверхность образцов очищают от пыли, грязи и следов смазки с помощью проволочной щетки или абразивного камня.

2.3 Испытание образцов проводят в состоянии естественной влажности или высушенных до постоянной массы.

2.4 Сушку образцов производят по ГОСТ 12730.2.

3. Проведение испытания

3.1 Образцы помещают в емкость, наполненную водой по ГОСТ 23732, с таким расчетом, чтобы уровень воды в емкости был выше верхнего уровня уложенных образцов примерно на 50 мм.

Образцы укладывают на прокладки таким образом, чтобы высота образца была минимальной (призмы и цилиндры укладывают на бок). Температура воды в емкости должна быть (20±2)°С.

3.2 Образцы взвешивают через каждые 24 ч водопоглощения на обычных или гидростатических весах с погрешностью не более 0,1 %.

При взвешивании на обычных весах образцы, вынутые из воды, предварительно вытирают отжатой влажной тканью. Массу воды, вытекшую из пор образца на чашку весов, следует включать в массу насыщенного образца.

3.3 Испытание проводят до тех пор, пока результаты двух последовательных взвешиваний будут отличаться не более чем на 0,1 %.

3.4 Образцы испытывают в состоянии естественной влажности или в сухом состоянии.

3.5 Водопоглощение бетона определяют также методом кипячения образцов по приложению А в том случае, когда это предусмотрено стандартами (техническими условиями) на сборные бетонные и железобетонные изделия или рабочими чертежами на монолитные бетонные и железобетонные конструкции.

4. Обработка результатов

4.1 Водопоглощение бетона каждого образца W_м, %, вычисляют с погрешностью до 0,1 % по формуле

W_M = (m_в − m_с) / m_с · 100

где m_в — масса насыщенного образца, г; m_с — масса сухого образца, г.

4.2 Водопоглощение бетона отдельного образца по объему W_о, %, вычисляют с погрешностью до 0,1 % по формуле

W₀ = (W_M · ρ₀) / ρ_в

где ρ₀ — средняя плотность сухого бетона, г/см³; ρ_в — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

4.3 Водопоглощение бетона серий образцов определяют как среднее арифметическое значение результатов испытаний отдельных образцов в серии.

Методика испытания по ГОСТ 12730.3-2020 - определение водопоглощения при кипячении

Для отдельных типов изделий (например, сборных железобетонных изделий) стандартом допускается определение водопоглощения ускоренным методом — кипячением образцов в воде (приложение А).

1. Для определения водопоглощения образцы кипятят в сосуде с водой. Объем воды должен не менее чем в два раза превышать объем установленных в нем образцов.

2. Уровень воды в сосуде должен быть выше поверхности образцов не менее чем на 50 мм.

3. После каждых 2 ч кипячения образцы охлаждают в воде до температуры (20±5) °С, обтирают влажной отжатой тканью и взвешивают.

4. Испытание проводят до тех пор, пока результаты двух последовательных взвешиваний будут отличаться не более чем на 0,1 %.

5. Водопоглощение бетона при кипячении по массе (W_м.кип, %) вычисляют с погрешностью до 0,1 % по формуле:

W_м.кип = (m_кип − m_с) / m_с · 100

где m_кип — масса образца после кипячения, г;

m_с — масса сухого образца, г.

6. Водопоглощение бетона при кипячении по объему (W_о.кип, %) вычисляют с погрешностью до 0,1 % по формуле:

W_о.кип = (W_м.кип · ρ_о) / ρ_в

где ρ_о — средняя плотность сухого бетона, г/см³;

ρ_в — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

Методика ГОСТ 32962-2014 "Дороги автомобильные общего пользования. Камни бортовые. Методы контроля"

1. Требования к средствам измерений, вспомогательным устройствам и материалам

При выполнении измерений применяют следующие средства измерений, вспомогательные устройства и материалы:

• пилу с алмазным отрезным диском или керноотборник с алмазным кольцевым сверлом;
• шкаф сушильный, обеспечивающий циркуляцию воздуха и поддержание температуры (105±5)°С;
• емкость, глубина которой не менее чем на 50 мм превышает высоту погружаемых в нее испытуемых образцов;
• весы с погрешностью взвешивания не более 0,1% определяемой массы;
• щетку жесткую для очистки поверхности образцов;
• салфетку тканевую для протирки влажных образцов перед взвешиванием;
• воду питьевую;
• прокладки деревянные треугольного сечения высотой 50 мм.

2. Метод испытания

Определение способности образца поглощать влагу выполняют методом сравнения его максимальной массы после длительного выдерживания вводе при стандартной температуре с массой в сухом состоянии.

Испытуемый образец погружают в воду до достижения постоянной массы и затем высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы. Потерю массы указывают в процентах от массы сухого испытуемого образца.

3. Подготовка к выполнению испытаний

3.1 Для испытаний отбирают керноотборником или алмазной пилой по два образца с лицевой поверхности фронтальной грани с противоположных концов бортового камня. При этом масса образцов должна находиться в пределах от 2,5 до 5,0 кг.

3.2 Если не предусмотрены другие требования, для испытаний отбирают серию образцов из трех бортовых камней - всего 6 шт.

3.3 При отборе образцы маркируют для их последующей идентификации при взвешивании.

3.4 Поверхность образцов очищают жесткой щеткой.

3.5 Испытательное оборудование и приборы проверяют и подготавливают в соответствии с инструкциями по их эксплуатации.

4. Порядок выполнения испытаний

4.1 Испытуемые образцы помещают в емкость, наполненную водой с таким расчетом, чтобы уровень воды в емкости был выше верхнего уровня уложенных образцов примерно на 20 мм. Температура воды в емкости должна быть (20±5)°С. При этом для обеспечения свободного доступа ко всей поверхности образцов их укладывают на деревянные прокладки в один слой так, чтобы высота образца была минимальной (призмы и цилиндры укладывают на бок) и расстояние между соседними образцами было не менее 15 мм.

4.2 Образцы взвешивают через каждые 24 ч на весах с погрешностью не более 0,1%.

Перед каждым взвешиванием поверхность испытуемого образца протирают смоченной и слегка отжатой салфеткой для удаления излишков воды. При этом отсутствие излишков воды на поверхности образца оценивают визуально.

Образцы выдерживают в емкости с водой до достижения ими постоянной массы, то есть до тех пор, пока результаты двух последовательных взвешиваний, проведенных через 24 ч, будут отличаться не более чем на 0,1%.

Значение постоянной массы образца, достигнутой после водопоглощения, записывают.

4.3 Испытуемые образцы помещают в сушильный шкаф и высушивают при температуре (1055)°С до достижения постоянной массы. При этом для обеспечения свободной циркуляции воздуха у поверхности образцов их укладывают на прокладки в один слой так, чтобы расстояние между ними было не менее 15 мм.

4.4 Образцы взвешивают через каждые 24 ч на весах с погрешностью не более 0,1% до достижения постоянной массы. При этом перед каждым взвешиванием образцы охлаждают до комнатной температуры.

Постоянство массы считают достигнутым, если разница между результатами двух взвешиваний образца, проведенных с интервалом 24 ч, составляет менее 0,1%.

Значение постоянной массы образца в сухом состоянии записывают.

4.5 Допускается выполнять определение водопоглощения образцов в обратной последовательности. При этом сначала определяют постоянную массу образца после его высушивания (согласно 4.3, 4.4), а затем - постоянную массу образца после водопоглощения (согласно 4.1, 4.2).

5. Обработка результатов испытаний

5.1 Водопоглощение каждого испытуемого образца рассчитывают по формуле

w_a = (m₁ − m₂) / m₂ · 100

где w_a — водопоглощение образца, % масс.;

m₁ — масса образца во влажном состоянии, г;

m₂ — масса образца в сухом состоянии, г.

5.2 Вычисляют среднеарифметическое значение результатов испытаний отдельных образцов в серии.

Международные стандарты

Американский стандарт ASTM C642-21 "Standard Test Method for Density, Absorption, and Voids in Hardened Concrete": определение водопоглощения проводится на первоначально высушенном до постоянной массы образце, образец бетона насыщается водой вначале при температуре около 21 °C, затем при кипячении, т.е. эти два вида насыщения, разделяемые в ГОСТ 12730.3 идут здесь последовательно.

В европейской системе нормативной документации аналогом является стандарт EN 12390-7:2019 «EN 12390-7 Testing hardened concrete — Part 7: Density of hardened concrete»: как таковое водопоглощение не находят как основной результат испытаний, но методика водонасыщения описана, испытания идут при (20±2)°C в течение не менее 72 ч.

Для образцов бетона из сборных железобетонных изделий стандарт EN 13369:2018 "Common rules for precast concrete products" (приложение F) предусматривается насыщение в воде при (20 ± 5) °C и последующая сушка до постоянной массы.

Нормативные документы

• ГОСТ 6482-2011 Трубы железобетонные безнапорные. Технические условия
• ГОСТ 6665-91 Камни бетонные и железобетонные бортовые. Технические условия
• ГОСТ 12730.0-2020 Бетоны. Общие требования к методам определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости
• ГОСТ 12730.3-2020 Бетоны. Метод определения водопоглощения
• ГОСТ 17608-2017 Плиты бетонные тротуарные. Технические условия
• ГОСТ 33148-2014 Дороги автомобильные общего пользования. Плиты дорожные железобетонные. Технические требования
• ГОСТ Р 56600-2015 Плиты предварительно напряженные железобетонные дорожные. Технические условия
• СП 28.13330.2017 Защита строительных конструкций от коррозии. Актуализированная редакция СНиП 2.03.11-85
• EN 12390-7:2019 Testing hardened concrete — Part 7: Density of hardened concrete
• EN 13369:2018 Common rules for precast concrete products
• ASTM C642-21 Standard Test Method for Density, Absorption, and Voids in Hardened Concrete

См. также

• Пористость бетона
• Водонепроницаемость бетона
• Капиллярное всасывание бетона
• Морозостойкость бетона
• Цементный камень
• Гидратация цемента
• Коррозия бетона
• Минеральные добавки для бетона
• Плотность бетона
• Усадка бетона

Литература

//

• Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. – М.: Стройиздат, 1979. – 344 с.
• Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Специальные бетоны. – М.: Инфра-Инженерия, 2012. – 368 с.
• Несветаев Г.В., Корянова Ю.И. Технология и качество бетонных работ. – М.: Инфра-Инженерия, 2022. – 228 с. ISBN 978-5-9729-1028-1
• Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. – М.: 1998. – 768 с.
• Калашников В.И. Что такое порошково-активированный бетон нового поколения // Строительные материалы. – 2012. – №10. – С.70–71.
• Леонович С.Н., Литвиновский Д.А., Чернякевич О.Ю., Степанова А.В. Прочность, трещиностойкость и долговечность конструкционного бетона. Ч.1. – Минск: БНТУ, 2016. – 393 с. ISBN 978-985-550-776-6
• Горчаков Г.И., Капкин М.М., Скрамтаев Б.Г. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях промышленных и гидротехнических сооружений. – М.: Стройиздат, 1965.

//