Проницаемый бетон

Проницаемый бето́н - разновидность высокопористого (крупнопористого) бетона, в котором пористость создается не за счет заполнителя (как в легких бетонах на пористых заполнителях), а за счет неагрегатных компонентов бетонной смеси. Также известен как беспесчаный (no-fines), водопроницаемый бетон или бетон с повышенной пористостью (enhanced porosity concrete, EPC), дренирующий (дренажный) или фильтрующий бетон. В качестве качестве сырья обычно используется портландцемент, крупный заполнитель однородной фракции добавки и вода. Такое сочетание образует скопление частиц крупного заполнителя, окруженных тонким слоем затвердевшего цементного камня в точках их контакта. Эта структура создает сообщающиеся пустоты размером 1–5 мм между зернами крупного заполнителя в количестве 20-35% от общего объема бетона, что обеспечивает значительно более высокую водопроницаемость по сравнению с обычным бетоном.

В отечественной нормативной документации дается определение: дренажный бетон - бетон, содержащий крупный заполнитель при отсутствии или минимальном содержании мелкого заполнителя, а также недостаточное для заполнения пор и пустот количество цементного теста; фильтрующий (дренирующий) бетон - бетон крупнопористой структуры с высокой долей сквозных сообщающихся некапиллярных пор, способный к фильтрации жидких и газовых сред без приложения избыточного давления и характеризующийся коэффициентом фильтрации воды свыше 0,05 мм/с.

История

Проницаемый бетон применяется в строительстве зданий по меньшей мере с середины XIX века. Термин «проницаемый бетон» исторически мог описываться как бетон без мелких заполнителей (no-fines concrete) или бетон с прерывистой гранулометрией (gap-graded concrete).

Европейские страны использовали проницаемый бетон в различных формах: монолитные несущие стены в одно- и многоэтажных домах, а в некоторых случаях — в высотных зданиях, сборные панели и блоки заводского изготовления с автоклавной обработкой. В 1852 году проницаемый бетон впервые был применён при строительстве двух домов в Великобритании. Этот бетон состоял только из крупного гравия и цемента. В опубликованной литературе о нём снова не упоминается до 1923 года, когда в Эдинбурге (Шотландия) была построена группа из 50 двухэтажных домов с использованием шлакового щебня. В конце 1930-х годов Шотландская специальная жилищная ассоциация (Scottish Special Housing Association Limited) приняла решение об использовании проницаемого бетона для жилищного строительства. К 1942 году с применением проницаемого бетона было построено более 900 домов. Проницаемый бетон требовал меньше цемента на единицу объёма по сравнению с обычным бетоном, и материал был выгоден там, где рабочая сила была дефицитной или дорогой. На протяжении многих лет система проницаемого бетона внесла существенный вклад в производство новых домов в Великобритании, Германии, Голландии, Франции, Бельгии, Шотландии, Испании, Венгрии, Венесуэле, Западной Африке, на Ближнем Востоке, в Австралии и СССР.

Германия использовала эту систему, поскольку после войны возникла проблема утилизации больших объёмов кирпичного щебня. В других местах беспрецедентный спрос на кирпич и последующая неспособность кирпичной промышленности обеспечить адекватные поставки привели к принятию проницаемого бетона в качестве строительного материала. Так, в Шотландии в период с 1945 по 1956 год многие дома были построены из проницаемого бетона. Это было главным образом обусловлено наличием неограниченных запасов твёрдых заполнителей и отсутствием качественного облицовочного кирпича. Первое зарегистрированное применение проницаемого бетона в Австралии относится ещё к 1946 году.

До Второй мировой войны производство проницаемого бетона ограничивалось двухэтажными домами. Однако после 1946 года проницаемый бетон стал использоваться для гораздо более широкого спектра применений. Он стал применяться как материал для несущих элементов в зданиях высотой до 10 этажей.

Проницаемый бетон широко применялся для промышленных, общественных и жилых зданий в районах к северу от Северного полярного круга, поскольку традиционные строительные материалы оказались непрактичными: высокие транспортные расходы на доставку кирпича, пожароопасность древесины и плохие теплоизоляционные свойства обычного бетона.

Несмотря на то, что проницаемый бетон использовался в Европе и Австралии на протяжении последних 60 лет, его применение в качестве строительного материала в Северной Америке было крайне ограниченным. Одной из причин такого ограниченного использования является то, что после Второй мировой войны Северная Америка не испытывала такого дефицита материалов, как Европа.

В Канаде первое зарегистрированное применение проницаемого бетона относится к 1960 году. Проницаемый бетон использовался при строительстве некоторых домов в Торонто и в ненесущих конструкциях федерального здания в Оттаве.

Использование крупнопористого дренирующего бетона в покрытиях пешеходных зон, парковок и слабонагруженных дорог местного значения – обычная строительная практика в КНР. Так, при сооружении пешеходных зон вокруг объектов спортивной инфраструктуры к летним Олимпийским играм 2008 г. только в Пекине было уложено более 250 тыс. м² дренирующих цементобетонных покрытий.

Применение

Применяют крупнопористый бетон на основе легкого заполнителя в качестве теплоизоляционного материала в слоистых ограждающих конструкциях зданий (стены, кровля и др.); ограниченно используют как местный материал при изготовлении стеновых блоков и панелей. Наружные стены из крупнопористого бетона необходимо оштукатуривать или покрывать ветрозащитными материалами (для предотвращения продувания).

Благодаря высокой водопроницаемости (от 0,14 до 1,22 см/с) и достаточно высокой прочности на сжатие (в диапазоне от 2,8 до 28 МПа) несмотря на его умеренную долговечность по сравнению с обычным бетоном, проницаемый бетон достаточно эффективен во многих сферах строительства. Наибольшее распространение получили такие области использования проницаемого бетона, как:

• Проницаемые покрытия для парковок;
• Жёсткие дренажные слои под внешними зонами торговых центров;
• Полы в теплицах для предотвращения скопления стоячей воды;
• Конструктивные стеновые решения, где требуются лёгкость и/или улучшенные теплоизоляционные характеристики;
• Покрытия, стены и полы, где желательны улучшенные характеристики звукопоглощения;
• Основания для улиц, дорог, подъездных путей и аэродромов;
• Поверхностные слои для парков и теннисных кортов;
• Полы в зоопарках, животноводческих помещениях и стойлах;
• Насыпи мостов;
• Площадки у бассейнов;
• Береговые сооружения и волнорезы;
• Иловые карты очистных сооружений сточных вод;
• Системы аккумулирования солнечной энергии;
• Обсадные колонны водозаборных скважин;
• Искусственные рифы, где открытая структура проницаемого бетона имитирует структуру естественного рифа.

Обычно во всех этих применениях используется неармированный проницаемый бетон из-за высокого риска коррозии арматуры, обусловленного открытой пористой структурой материала.

Применение в бетонных покрытиях

Преимущества покрытий из проницаемого бетона по сравнению с обычными бетонными покрытиями включают:

• Контроль загрязнения ливневыми стоками в источнике;
• Увеличение площадей для парковки за счёт исключения необходимости в водоудерживающих зонах;
• Контроль поверхностного стока ливневых вод;
• Снижение эффекта аквапланирования на дорожных и автомагистральных покрытиях;
• Создание дополнительной подъёмной силы для воздушных судов при взлёте за счёт охлаждающего эффекта;
• Значительное снижение бликов на дорожных поверхностях, особенно в ночное время при влажном покрытии;
• Снижение шума взаимодействия шины с покрытием;
• Исключение или уменьшение размеров ливневой канализации;
• Обеспечение доступа воздуха и воды к корням деревьев даже при устройстве покрытия в пределах проекции кроны дерева

Потенциальные недостатки и сложности применений проницаемых бетонных покрытий включают:

• Ограниченное использование в зонах с интенсивным движением тяжёлого транспорта;
• Специализированные методы строительства;
• Увеличенное время твердения;
• Чувствительность к содержанию воды в свежеуложенном бетоне;
• Необходимость особого внимания и осторожности при проектировании на некоторых типах грунтов, таких как набухающие грунты и грунты, подверженные морозному пучению;
• Отсутствие стандартизированных методов испытаний;
• Возможная необходимость особого внимания при высоком уровне грунтовых вод.

Проницаемый бетон может быть использован в покрытиях в качестве:

• Поверхностного слоя;
• Проницаемого основания и краевых дренажей;
• Обочин дорог.

Опыт использования систем проницаемых покрытий был неоднозначным. В некоторых районах системы проницаемых бетонных покрытий применялись успешно, тогда как в других они засорялись за короткое время. Многие неудачи можно объяснить неопытностью подрядчиков, более высоким уплотнением грунта, чем предусмотрено проектом, и неправильным проектированием площадки. Для успешной работы проницаемого бетонного покрытия необходимо:

• Проверить проницаемость грунтов. Обычно рекомендуется скорость фильтрации 13 мм/ч и слой грунта толщиной 1,2 м или более.
• Строительные стоки и тяжёлая техника не должны попадать на зону проницаемого покрытия. Проницаемое бетонное покрытие не должно вводиться в эксплуатацию до тех пор, пока все нарушенные земли, с которых осуществляется сток на него, не будут стабилизированы растительностью. Строгий контроль эрозии и наносов во время любых строительных или ландшафтных работ имеет важное значение для предотвращения засорения системы и должен быть включён в план управления ливневыми стоками на строительной площадке;
• Строительный транспорт (преимущественно автомобильный) должен быть направлен в обход зоны проницаемого покрытия во время строительства, чтобы предотвратить уплотнение нижележащих слоёв грунта и потерю инфильтрационной способности.

Поверхностный слой

Проницаемый бетон может использоваться в качестве поверхностного слоя для парковок и второстепенных полос движения. Применение в США в значительной степени осуществлялось именно в поверхностных слоях. Например, многие парковки во Флориде состоят из поверхностного слоя проницаемого бетона. Его использование во Флориде обусловлено тремя факторами:

• Во Флориде часто случаются сильные ливни, вызывающие быстрое накопление больших объёмов ливневых вод; использование проницаемого бетона снижает объём стока;
• Проектировщики предпочитают удерживать ливневые воды на площадке для пополнения системы грунтовых вод;
• Экономическая эффективность использования проницаемого бетона по сравнению с обычными покрытиями значительно повышается за счёт исключения ливневой канализации.

Парковки:

Проницаемый бетон упоминался как материал для покрытия парковок в центральной Флориде ещё в 1970-х годах. Концепция развивалась как способ обработки огромных количеств воды, стекающей с парковки во время ливня; проницаемый бетон позволяет воде просачиваться в грунт под покрытием. Агентство по охране окружающей среды (EPA) приняло политику, рекомендующую использование проницаемых покрытий в качестве способа смягчения проблемы ливневого стока. Парковки из проницаемого бетона также были выбраны в качестве комплексного решения проблемы горячих покрытий в программе «Прохладные сообщества» (Cool Communities). Температура воздуха над парковками из проницаемого бетона обычно ниже, чем над асфальтом. Парковки из проницаемого бетона также уменьшают накопление снега и льда и считаются не загрязняющими окружающую среду. Практический диапазон расчётных толщин для покрытий из проницаемого бетона составляет от 125 до 300 мм для обычных парковок.

Дороги:

Проницаемый бетон для дорог обычно рассматривается для двух применений:

• Дренирующее основание;
• Дорожное покрытие или фрикционный слой.

В обеих категориях, хотя дренажные характеристики являются требуемыми свойствами, требования к прочности могут варьироваться в зависимости от расположения материала в конструкции покрытия. Практический диапазон расчётных толщин для проницаемого бетона составляет от 150 до 300 мм для обычных дорожных покрытий. Однако наплавленные покрытия могут быть толщиной всего 50 мм. Многие автомагистрали в Европе строятся с использованием наплавленного слоя проницаемого бетона, модифицированного латексом, что обеспечивает дренаж покрытия и снижение шума от шин. Модификация латексом приводит к улучшению механических свойств.

Проницаемые основания и краевые дренажи

Проницаемое бетонное основание отводит воду, которая обычно скапливалась бы под покрытием. Такой тип конструкции помогает уменьшить вынос материалов основания, который может привести к разрушению покрытия. В некоторых штатах департаменты транспорта разработали стандарты для устройства дренирующих оснований и краевых дренажей с использованием проницаемого бетона. Калифорния, Иллинойс, Оклахома и Висконсин имеют такие стандартные спецификации. Проницаемый бетон в этих применениях обычно имеет более низкую прочность (7 МПа или менее) и используется в сочетании с нетканым геотекстильным полотном. Аналогичная система может использоваться для стабилизации откосов.

Обочины

Проницаемые бетонные обочины применялись во Франции в целях уменьшения выноса материалов под бетонными покрытиями. Для повышения устойчивости к замораживанию-оттаиванию используются воздухововлекающие добавки. Было установлено, что пористость порядка 15–25% практически исключает риск, связанный с замораживанием, если только бетону не дать полностью насытиться. Прочность на сжатие часто составляет менее 14 МПа в возрасте 28 суток.

Другие применения

Дренажи

Службы водных и энергетических ресурсов использовали проницаемый бетон для устройства проницаемых дренажных труб, а также дренажей под гидротехническими сооружениями. Дренажи снижают подъёмные давления и позволяют отводить грунтовые воды из-под канализационных труб.

Теплицы

Известно использование проницаемого бетона в качестве системы аккумулирования тепла в полах теплиц, . Пол служил как зона хранения, так и теплообменник для теплицы с солнечным обогревом. Проницаемый бетон также использовался в качестве покрытия полов в теплицах для предотвращения скопления воды и устранения роста сорняков, обеспечивая при этом прочную твёрдую поверхность для перемещения оборудования.

Теннисные корты

Проницаемый бетон широко применялся для строительства теннисных кортов в Европе. Плиты из проницаемого бетона позволяют воде просачиваться и затем отводиться через гравийное основание к краям плиты. В некоторые смеси добавляется зола-унос для повышения удобоукладываемости.

Шумозащитные экраны и стены зданий

Шум от различных источников транспорта или жильцов здания может создавать проблемы. Шумозащитные экраны и внутренние стены из проницаемого бетона иногда сооружаются для снижения шума. Эта структура с открытой гранулометрией имеет тенденцию поглощать и рассеивать звук в материале, а не отражать его в другое место.

Материалы для изготовления

Заполнители

Гранулометрический состав заполнителей, используемых в проницаемом бетоне, как правило, представляет собой либо однофракционный крупный заполнитель, либо смесь фракций. Для изготовления проницаемого бетона могут использоваться как щебень, так и гравий, в том числе легкие заполнители. По ACI 522-R10 Наиболее распространенные гранулометрические составы крупного заполнителя, используемого в проницаемом бетоне, соответствуют требованиям ASTM C33/C33M для размеров заполнителя №7, №8, №67 и №89 (условно можно принять фракции 5-12,5; 2,5-10; 5-20; 2,5-10 мм соответственно).

Содержание мелкого заполнителя в смесях проницаемого бетона ограничено, поскольку он склонен нарушать сообщаемость системы пор. Добавление мелкого заполнителя может повысить прочность на сжатие и плотность, но соответственно снизить скорость фильтрации воды через массу проницаемого бетона.

Качество заполнителя в проницаемом бетоне так же важно, как и в обычном бетоне. Следует избегать пластинчатых (лещадных) или игловатых частиц. Крупный заполнитель должен быть твердым, чистым, не иметь пыли и глины на поверхности, иначе это может негативно повлиять на сцепление цементной пасты с заполнителем или на гидратацию цемента.

Влажность заполнителя в момент приготовления смеси важна. Желательно состояние насыщенной поверхностно-сухой (SSD). В противном случае сухой заполнитель может привести к тому, что смесь будет недостаточно удобоукладываемой для укладки и уплотнения. Чрезмерно влажные заполнители могут способствовать стеканию пасты, вызывая периодическое закупоривание предполагаемой структуры пустот.

Вяжущие

Портландцемент используется в качестве основного вяжущего. Дополнительно могут быть использованы зола-унос, молотый гранулированный доменный шлак и микрокремнезем.

Рекомендуется проводить испытания материалов в пробных замесах, чтобы убедиться в отсутствии проблем совместимости цемента и добавок, а также в том, что можно достичь требуемого времени схватывания, скорости набора прочности, пористости и проницаемости для обеспечения характеристик, необходимых для ожидаемых условий укладки и эксплуатации.

Вода

Качество воды для проницаемого бетона регулируется теми же требованиями, что и для обычного бетона. Проницаемые бетоны проектируются с относительно низким водо-вяжущим отношением (обычно от 0,26 до 0,40), поскольку избыточное количество воды приведет к стеканию цементной пасты и последующему закупориванию системы пор. Поэтому добавление воды на объекте должно контролироваться тщательно.

Добавки

Могут использоваться суперпластификаторы или пластификаторы используются в зависимости от проектируемого водо-вяжущего отношения. Замедлители дополнительно используются для стабилизации и контроля гидратации цемента, они особенно полезны при укладке в жаркую погоду. Ускорители могут использоваться при укладке проницаемых бетонов в холодную погоду.

В исследованиях сообщается об использовании стабилизаторов гидратации цемента для увеличения времени технологичности смеси и модификаторов вязкости (VMA) для повышения удобоукладываемости; эти преимущества также были подтверждены при фактическом производстве и укладке на проектах. При использовании нескольких добавок в любой бетонной смеси рекомендуется провести пробную укладку, чтобы выявить любые проблемы несовместимости добавок и убедиться, что требуемые свойства свежего и затвердевшего бетона стабильно достигаются.

Воздухововлекающие добавки обычно не используются в проницаемых бетонах, но могут применяться в средах, подверженных замораживанию и оттаиванию. Однако не существует надежного метода для количественного определения объема вовлеченного воздуха в этих материалах. В настоящее время ведутся исследования морозостойкости смесей проницаемого бетона, и большинство исследований включают использование воздухововлекающих добавок. До тех пор, пока не будет получен больший объем исследований, может быть разумным включать воздухововлекающую добавку там, где укладка происходит в более холодных климатических условиях. Сообщается, что это справедливо для смесей с относительно высоким содержанием цемента, где толщина пасты, покрывающей частицы заполнителя, превышает 0,2 мм. Включение фибр в смеси, подвергающиеся замораживанию и оттаиванию, в некоторых исследованиях показало успех в повышении долговечности в холодном климате.

Сообщается также, что использование специальных химикатов для строительства полезно в условиях ветреной, сухой окружающей среды, когда высокая скорость испарения сокращает временное окно, в течение которого смесь наиболее эффективно укладывается. Использование замедлителей испарения может быть полезным в этом отношении.

Проектирование состава проницаемого бетона

Водо-вяжущее отношение

Водовяжущее отношение является важным фактором для достижения желаемой прочности и структуры пустот в проницаемом бетоне. Высокое значение В/В снижает адгезию пасты к заполнителю и вызывает стекание пасты и заполнение пустот даже при легком уплотнении. Низкое значение - препятствует хорошему перемешиванию, вызывает образование комков в смесителе, препятствует равномерному распределению цементного теста и, следовательно, снижает конечную прочность и долговечность бетона. Опыт показал, что значение В/В в диапазоне от 0,26 до 0,45 обеспечивает наилучшее покрытие заполнителя и стабильность пасты. Обычная зависимость между В/В и прочностью на сжатие для обычного бетона неприменима к проницаемому бетону. Тщательный контроль влажности заполнителя и В/В важен для получения однородного проницаемого бетона.

Пустотность

Чтобы обеспечить фильтрацию воды через проницаемый бетон, пустотность должна составлять 15% или более. При пустотности менее 15% из-за недостаточной сообщаемости между пустотами значительной фильтрации воды через бетон не происходит.

На рисунке показана зависимость между содержанием пустот и 28-суточной прочностью на сжатие проницаемого бетона изготовленного на заполнителе размером №67 и №8 по ASTM С133.

Можно заметить,что чем выше пустотность, тем выше скорость фильтрации и ниже прочность на сжатие. Этот рисунок также показывает, что прочность на сжатие увеличивается по мере уменьшения номинального максимального размера заполнителя. Прочность проницаемого бетона на сжатие также является функцией прочности заполнителя, характеристик сцепления цементной пасты и прочности самого цементного камня. Следует соблюдать осторожность при применении этих количественных значений для практического проектирования, поскольку стандартизированные методы испытаний для этих свойств проницаемого бетона еще не существуют.

Типичные диапазоны материалов

Типичные диапазоны расхода материалов в проницаемом бетоне

Материалы	Расход, кг/м³
Вяжущие материалы	от 270 до 415
Заполнитель	от 1190 до 1480
Водо-вяжущее отношение (по массе)	от 0,27 до 0,34
Отношение заполнитель:цемент (по массе)	от 4:1 до 4,5:1
Отношение мелкий:крупный заполнитель (по массе)	от 0:1 до 1:1

Литература

• Орлянкин Н. М. Крупнопористый бетон как новый стеновой материал / Н. М. Орлянкин, Х. А. Минскер. – Москва : Углетехиздат, 1953.
• ACI 522-R10 Report on Pervious Concrete

Стандарты в области испытаний проницаемых бетонов

Несмотря на длительную историю использования проницаемых бетонов, существенные отличия их от рядового бетона в части физико-механических свойств и возникающие в этой связи различия в подходах к методам испытаний, нормативное регулирование в их отношении стало активно развиваться лишь с начала 2000-х гг.

В 2001 г. Американский Институт бетона сформировал комитет ACI 522 для разработки стандартов в области подбора составов, методов испытаний крупнопористых проницаемых бетонов и выработке рекомендаций по их применению в строительной практике. Комитетом подготовлены общие рекомендации по проницаемому бетону – ACI 522R-10, а также сформулированы технические требования к покрытиям на основе проницаемого бетона – ACI 522.1-13.

В структуре ASTM был сформирован подкомитет ASTM C09.49 «Pervious concrete», который совместно с комитетом ACI 522 выпустил ряд стандартов на методы испытания проницаемых бетонов.

В 2016–2018 гг. техническим комитетом ISO/TC 71/SC 1 «Методы испытания бетонов» Международной организации по стандартизации (ISO) подготовлены и введены в действие ряд нормативных документов ISO/DIS. (приведены методы испытаний, а не названия стандартов):

• ASTM C1688/C1688M-14a, ISO 17785-2:2018 Плотность и объем пор в бетонных смесях для изготовления проницаемого бетона
• ASTM C1701/C1701M-17a, ISO 17785-1:2016 Коэффициент фильтрации в конструкциях из проницаемых бетонов
• ASTM C1747/C1747M-13 Потенциальная стойкость проницаемого бетона к износу при ударе и истирании
• ASTM C1754/C1754M-12, ISO 17785-2:2018 Плотность и объем пор проницаемого бетона

Японским институтом бетона (JCI) подготовлены проекты стандартов на методы испытания проницаемого бетона, в разработке находятся технические условия и рекомендации по подбору состава, .

В нормативной документации упоминается дренажный бетон в ГОСТ Р 58875-2020 "Зеленые" стандарты. Озеленяемые и эксплуатируемые крыши зданий и сооружений. Технические и экологические требования", СП 508.1325800.2022 "Мощение с применением бетонных вибропрессованных изделий. Правила проектирования, строительства и эксплуатации".