В статье приведены современные методы определения водонепроницаемости бетона. Для каждого метода даны комментарии по поводу его рационального использования и представлены преимущества над другими. Также показана корреляционная зависимость между результатами, полученными при использовании данных методов.
УДК 691.32
А.А. АНТОНЯН, канд. техн. наук, ведущий специалист организации технического надзора по строительству бетонной дороги в рамках проекта «Север – Юг» в Армении
Ключевые слова: бетон, водонепроницаемость, методы, стандарты, особенности
Keywords: concrete, waterproofness, methods, standards, features
Развитие современного бетона концентрируется на повышении его долговечности. Долговечность бетона определяется степенью проницаемости агрессивных флюидов и газов. На практике оценка проницаемости бетона осуществляется в основном по мере его водонепроницаемости. Это объясняется, во-первых, простотой и удобством данного флюида. Кроме того, водонепроницаемость определяет другие гидрофизические свойства бетона, такие как морозостойкость и коррозионная стойкость.
Методы определения водонепроницаемости по принципу измерения можно разделить на 2 большие группы: базовые и косвенные. Базовые методы основаны на оценке водонепроницаемости бетона при избыточных давлениях воды, определяемых в основном на стационарных установках в лабораторных условиях. Косвенные методы используют для оценки водонепроницаемости непосредственно конструкций или при невозможности использования базового метода [1].
Базовые методы определения водонепроницаемости бетона по принципу измерения можно разделить на 8 подгрупп [2].
1. Методы, основанные на измерении максимального давления, при котором через образец не просачивается вода (не появляются капли, мокрые пятна и т.д.).
2. Базирующиеся на определении числа атмосферо-часов до начала просачивания воды при ступенчатом возрастании напора.
3. Основанные на измерении времени просачивания заданного количества воды при нормированном постоянном давлении.
4. Методы, основанные на измерении количества профильтровавшейся воды при нормированном постоянном давлении в течение заранее заданного времени.
5. Базирующиеся на определении коэффициента фильтрации при постоянном давлении по измеренному количеству фильтрата и времени фильтрации.
6. Основанные на определении скорости падения давления внутри определенного резервуара.
7. Основанные на измерении количества воды, проходящей через бетон за определенный промежуток времени при переменной разности давлений.
8. Методы, в основе которых лежит измерение глубины проникновения жидкости в бетон.
Бетон является капиллярно-пористым материалом с размерностью пор цементного камня в следующем интервале: гелевые поры – 0,001-0,01 мкм; капиллярные поры – 0,01-100 мкм.
Все вышеперечисленные методы определения водонепроницаемости основаны на использовании гидростатического давления воды за сравнительно небольшой промежуток времени. В таких испытаниях основной поток воды проходит по капиллярным порам, микротрещинам и прочим дефектам, не затрагивая гелевые поры, поэтому оценка водонепроницаемости бетона независимо от метода испытания – это оценка сообщающейся капиллярной пористости. Недостаток их связан с некоторой отдаленностью от реального взаимодействия воды с бетоном конструкций и сооружений. Эти методы дают лишь сравнительную оценку разных факторов на водонепроницаемость бетона.
Для всех методов (кроме 4 и 5) используется обычная вода из водопровода.
И лишь при измерении коэффициента фильтрации бетона используют деаэрированную воду, полученную путем вакуумирования или кипячения воды в течение не менее 15 мин. По мнению некоторых специалистов, применение обычной воды позволяет приблизить испытание на водонепроницаемость к реальным условиям. В то же время содержащиеся в обычной воде мельчайшие пузырьки газа приводят к «заиливанию» капиллярных пор и, как следствие, к завышению полученных результатов испытаний [2]. Поэтому при спорных вопросах правильно использовать деаэрированную воду. Следует также принимать во внимание тот факт, что один и тот же бетон может иметь разную водонепроницаемость, если использовать водопроводную воду из разных источников.
Современная практика определения водонепроницаемости бетона включает следующие методы.
• ГОСТ 12730.5 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости». Применяется на территории России и в странах постсоветского пространства. По принципу измерения относится к 1-й и 4-й группам.
• EN 12390-8 «Глубина проникновения воды под давлением». Применяется в европейских странах. По принципу измерения относится к 8-й группе.
• В американской практике (пакет стандартов ASTM) отсутствует прямой метод определения водонепроницаемости бетона. Взамен определяется водопоглощение бетона по ASTM С1585.
ГОСТ 12730.5 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости». Данный стандарт позволяет оценивать бетон по маркам водонепроницаемости (W2, W4…W20), числовые значения которых соответствуют избыточному давлению (кгс/см2), которое воспринимает серия образцов без признаков фильтрации воды в виде капель или так называемого мокрого пятна. Данный метод является основным для нормирования марки по водонепроницаемости.
При испытании давление повышают ступенчато по 0,2 МПа и выдерживают на каждой ступени 16 часов (для образцов-цилиндров с диаметром и высотой, равными 150 мм). Данный метод довольно трудоемок в исполнении, кроме того, создает временные неудобства для лабораторий с 8-часовым рабочим режимом, вынуждая вводить 3-ю рабочую смену при испытаниях нескольких ступеней марок по водонепроницаемости. Поэтому при работе с данным стандартом возникает два вопроса:
1. Влияет ли изменение (в основном увеличение) времени выдержки давления на конечный результат определения марки по водонепроницаемости?
2. Влияет ли неступенчатое поднятие давления (соответственно выдержка на каждой ступени 16 ч) и непосредственная подача требуемого давления на конечный результат, если нужно испытать заданную марку по водонепроницаемости, отличную от W2? То есть если нужно проверить, соответствует ли бетон марке по водонепроницаемости, скажем, W8, обязательно ли тратить 64 часа, поднимая давление с 0,2 МПа до 0,8 МПа, или можно ограничиться 16 часами подачи давления в 0,8 МПа?
Для ответа на первый вопрос нами были проведены соответствующие испытания. Из одного замеса (состав бетона: Щ=1110 кг/м3 (базальтовый 5-20 мм Ехегийского месторождения), П=740кг/м3 (речной, мытый, Мкр.=2,6), Ц=360 кг/м3 (CEM II A 42,5N), В/Ц=0,47) были отформованы 9 образцов-цилиндров 15х15 см каждый. После 28-суточного нормального твердения образцы были испытаны на водонепроницаемость по методу мокрого пятна. Давление подавалось ступенчато с 0,2 МПа до 0,8 МПа с выдерживанием на каждой ступени 16 часов. Так как при данном давлении не наблюдалось никаких признаков фильтрации, после испытания образцы были расколоты, и измерена глубина проникновения воды. Не прекращая подачу давления на остальные образцы, 3 из них были расколоты после 16 часов испытания (требование ГОСТ 12730.5), 3 образца – после 24 часов и последние 3 – после 7 суток. Результаты приведены на рис. 1.
Как видно из результатов испытания, увеличение времени выдержки давления имеет минимальное влияние на глубину проникновения. Увеличение выдержки с 16 часов до 24 часа изменило глубину лишь на 1 мм. После 7 суток глубина увеличилась всего на 5 мм, что не изменяет марку бетона по водонепроницаемости. Очевидно, что за 16 часов приложения давления вода, проходя в основном по крупным капиллярным порам, приходит в некоторое равновесие для данного давления. Впоследствии при неизменном давлении перенос воды происходит по более мелким порам вследствие молекулярной диффузии. Из сказанного следует, что при работе с данным стандартом время выдержки давления на одной ступени можно при необходимости широко варьировать, не влияя на конечный результат испытания.
Для ответа на второй вопрос 6 образцов-цилиндров из бетона одной серии были испытаны по следующему режиму: на 3 образца давление подавалось ступенчато (0,2; 0,4; 0,6; 0,8 МПа) с выдерживанием на каждой ступени по 16 часов, а на остальные 3 образца сразу подавалось давление в 0,8 МПа. Так как после 16 часов на торцевых сторонах образцов признаков фильтрации не наблюдалось, образцы раскалывались, и измерялась глубина проникновения воды. Результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты измерения проникновения воды
| Номер образца | Глубина проникновения воды, мм, для образцов, давление на которые подавалось ступенчато 0,2+0,4+0,6+0,8 МПа | Номер образца | Глубина проникновения воды, мм, для образцов, давление на которые подавалось сразу 0,8 МПа |
|
1 2 3 |
110 35 53 |
4 5 6 |
96 46 43 |
Примечание: состав бетона: Щ=1100 кг/м3, П=740 кг/м3, Ц=360 кг/м3, В/Ц=0,55 (материалы те же, что в предыдущем случае), твердение бетона проходило в нормальных условиях
Результаты табл. 1 показывают, что при испытании заданной марки по водонепроницаемости, отличной от W2, можно ограничиваться лишь подачей соответствующего давления в течение 16 часов, так как результаты испытаний со ступенчатой и одинарной подачей давления практически не отличаются.
EN 12390-8 «Глубина проникновения воды под давлением». Данный стандарт применяется в европейской практике определения водонепроницаемости. Его суть – оценка глубины проникновения воды в бетонный образец после 72±2-часового приложения давления в 0,5 МПа. В данном случае отсутствует маркировка бетона по водонепроницаемости. По условиям данного стандарта бетон считается водонепроницаемым и, соответственно, пригодным для использования в гидротехнических, напорных конструкциях, а также в конструкциях, расположенных ниже грунтовых вод, если глубина проникновения воды под давлением не превышает 50 мм.
Основные преимущества данного стандарта следующие. В качестве образцов здесь можно использовать как цилиндры, так и кубы, а также, если позволяет конструкция установки, призматические образцы. Размер ребра образцов (или диаметр цилиндра) для испытания на водонепроницаемость должен составлять не менее 150 мм.
Удобный временной режим стандарта позволяет проводить измерение испытаний после 3 суток подачи давления, что никак не отражается на рабочем графике испытательной лаборатории. Несмотря на то что результаты исследования влияния времени приложения давления были приведены выше (рис. 1), аналогичные результаты получены также в европейской практике исследований (рис. 2) [3].
Принцип измерения глубины проникновения считается более правильным и информативным, так как при испытании водонепроницаемости по мокрому пятну все равно приходится прибегать к раскалыванию образцов и измерению глубины проникновения в тех случаях, когда сквозная фильтрация воды через образец не обнаруживается. Кроме того, как показано в работе [1], одной марке по водонепроницаемости по ГОСТ 12730.5 соответствует некоторый промежуток глубины проникновения, что для исследовательской работы делает стандарт EN 12390-8 более привлекательным.
Еще одним преимуществом данного стандарта является необходимость не очень высокого избыточного давления 0,5 МПа, что делает конструкцию испытательных машин более простой.
Особенностью стандарта EN 12390-8 является водное хранение образцов [6] – в отличие от ГОСТ12730.5, где образцы твердеют в нормальных условиях. К этому положению нужно подходить очень осторожно. Как показано в работе [1], один и тот же состав бетона в зависимости от условий твердения в одном случае может быть водонепроницаем (твердение в воде), а в другом случае (твердение в нормальных условиях) – нет. В реальных условиях стройплощадки влажностные условия твердения бетона в лучшем случае приближаются к нормальным. В особенности это относится к регионам с сухим и жарким климатом. Это было экспериментально подтверждено в [4]. Поэтому, работая с данным стандартом в регионах с сухим и жарким климатом, необходимо нормальное твердение образцов для объективной оценки водонепроницаемости. Надо отметить, что базой для современного стандарта EN 12390-8 является стандарт, используемый в ФРГ. Территория Германии характеризуется влажным климатом, поэтому водное хранение бетонных образцов здесь вполне приемлемо.
Европейский и отечественный стандарт определения водонепроницаемости несколько схожи, несмотря на разный принцип измерения. Основные их различия приведены в табл. 2.
Таблица 2. Главные различия между ГОСТ 12730.5-84 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости» и EN 12390-8 «Глубина проникновения воды под давлением»
| ГОСТ 12730.5 | EN 12390-8 | ||
| 1. | Вид образцов для испытания, размер ребра, мм |
 Цилиндр |
 Цилиндр, куб или призма |
| 2. | Количество образцов в серии, штук | 6 | 3 |
| 3. | Условия твердения образцов | Нормальные условия | Водное |
| 4. | Рабочая зона подачи воды под давлением, мм |
|
|
| 5. | Режим подачи давления | По возрастающей от 0,2 МПа по 0,2 МПа каждые 16 часов до появления признаков фильтрации | 0,5 МПа 72±2 часа |
| 6. | Цель испытания | Определение марки по водонепроницаемости W2, W4…W20 | Определение глубины проникновения воды, мм |
| 7. | Наличие герметизирующего слоя на боковой стороне испытуемого бетонного образца |
Обязательно в виде парафина, битумных мастик и т.д. Обусловлено большой рабочей зоной и возможностью фильтрации воды через боковые грани |
Отсутствует |
Большинство современных публикаций [3, 5, 7] и рекомендаций, относящихся к водонепроницаемости бетона, используют стандарт EN12390-8, что создает трудности с количественным сопоставлением результатов, оцениваемых отечественным стандартом.
Для создания корреляционной зависимости между данными стандартами нами были проведены исследования, в ходе чего готовились образцы-цилиндры (D=H=150 мм), которые параллельно испытывались по двум стандартам. Для исследования использовались следующие материалы: щебень базальтовый 5-20 мм Ехегийского месторождения, песок речной, мытый, Мкр.=2,6, цемент-CEM II A 42,5N. Составы бетонов подбирались таким образом, чтобы иметь все марки по водонепроницаемости W2…W20. Из каждого состава формовались 12 цилиндров, 9 из которых твердели в нормальных условиях, а остальные 3 в воде (по требованию EN12390-8). После 28-суточного твердения 6 цилиндров испытывались по ГОСТ 12730.5, остальные 6 цилиндров испытывались по EN 12390-8. Результаты испытаний приведены на рис. 3 и в табл. 3.
Таблица 3
| Марка по водонепроницаемости по ГОСТ 12730.5 | W2 | W4 | W6 | W8 | W10 | W12 | W14 | W16 | W18 | W20 | |
| Глубина проникновения воды, мм, по EN 12390-8 для образцов, твердеющих | В нормальных условиях | 130-145 | 110-130 | 90-110 | 80-90 | 75-80 | 55-75 | 45-55 | 35-45 | 25-35 | <25 |
| В воде | 130-145 | 100-130 | 70-100 | 55-70 | 45-55 | 30-45 | 25-30 | <25 | — | — | |
Данные методы определения водонепроницаемости бетона относятся к образцам, изготовляемым в лабораторных условиях. В случае контроля водонепроницаемости бетона конструкций по тем же методам появляется необходимость выбуривания кернов. Эта процедура крайне нежелательна и дает в основном заниженные величины водонепроницаемости из-за появления микротрещин в образцах при бурении.
Для того чтобы этого избежать, существуют различные неразрушающие методы контроля водонепроницаемости [8]. Успешной в этом отношении является установка Germann (рис. 4), предназначенная для оценки скорости проникновения воды как на лабораторных образцах, так и на строительных конструкциях. Принцип работы прибора следующий.
Прибор крепится зажимами на конструкцию (или образец), заливается деаэрированной водой, и посредством передвижения поршневого механизма создается давление 0,5-1,5 бар. Так как из-за фильтрации воды давление в системе падает, через равно отмеренные промежутки времени посредством передвижения того же поршневого механизма поддерживается необходимая величина давления. Зная диаметр фильтрационного потока, по закону Д’Арси рассчитывается скорость перемещения фильтрата через бетон.
На рис. 5 приведена зависимость между скоростью проникновения воды на установке Germann GWT-4000 и глубиной проникновения воды по EN 12390-8, а в табл. 4 – между марками по водонепроницаемости. Данные были получены на тех же образцах, которые были использованы для испытаний марок по водонепроницаемости и глубин проникновения воды, приведенных выше.
Таблица 4
| Марка бетона по водонепроницаемости | Скорость проникновения воды, см/с, на установке Germann GWT-4000 |
|
До W2 W2-W4 W4-W6 W6-W10 W10-W12 W12-W16 |
>1,50х10-3 1,50х10-3- 8,08х10-4 8,08х10-4— 5,70х10-4 5,70х10-4— 4,80х10-4 4,80х10-4— 4,50х10-4 4,50х10-4— 2,99х10-4 |
Выводы: Приведены методы определения водонепроницаемости бетона, используемые как в отечественной, так и европейской практике. Показаны корреляционные зависимости в виде графиков и таблиц, которые позволяют сопоставлять результаты, полученные при использовании разных методов.
Библиографический список
1. Антонян А.А. Сравнительная оценка методов определения водонепроницаемости бетонов на примере исследования влияния содержания цемента // Бетон и железобетон. – СПб: Славутич, №2, 2015, с. 44-47.
2. Лещинский М.Ю. Испытание бетона. – М.: Стройиздат, 1980, – 360 с.
3. Sika concrete handbook. 2013, – 259 p.
4. Антонян А.А. Водонепроницаемость бетона, твердеющего в условиях сухого и жаркого климата. Особенности метода испытаний // Бетон и железобетон. – СПб: Славутич, №1, 2016, с. 44-45.
5. Антонян А.А. Водонепроницаемость бетона с суперпластификаторами // Технологии бетонов, №3-4, 2017, с. 36-39.
6. Болотских О.Н. Европейские методы физико-механических испытаний бетона. – Харьков: Колорит, 2010, – 144 с.
7. Фурманов Н.Е. Благоприятный состав бетона для изготовления водонепроницаемых конструкций по системе «Белая ванна» // Инженерно-строительный журнал, №3, 2009, с. 11-16.
8. Закоршменный А.И. Сравнение результатов водонепроницаемости бетона подземных сооружений в натурных условиях, получаемых с использованием прямых и косвенных методов испытаний // Горный информационно-аналитический бюллетень, №4, 2007, с. 282-295.
9. ГОСТ 12730.5-84. Методы определения водонепроницаемости бетона.
10. EN 12390-8. Определение глубины проникновения воды в бетон под давлением.
