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: высокофункциональный бетон, проницаемость, сухой жаркий климат, десорбция, прочность
Keywords: high-performance concrete, permeability, dry hot climate, desorption, strength

В статье приводятся результаты исследования изменения водонепроницаемости высокофункциональных бетонов, выдержанных в условиях сухого жаркого климата. Показано, что сухой жаркий климат негативно влияет на изменение гидрофизических свойств. Проницаемость бетона в данном случае увеличивается более чем в 2 раза в зависимости от состава и типа бетона.

Общепринятым считается тот факт, что сформировавшийся после 28-суточного твердения в нормальных условиях бетон продолжает улучшать свои физико-механические свойства, поскольку в проектном возрасте реагирует всего 50-60% цемента, входящего в состав бетона, тем самым в активном резерве оставляя значительный непрореагировавший клинкерный фонд. Конкретное количество таких частиц зависит от типа цемента, количества вводимых добавок, тонкости помола (пропорциональный их рост с увеличением тонкости помола) и т.д.

При условии поступления влаги (воды) в зону непрореагировавшего цемента возможно продолжение реакции гидратации с последующим заполнением новообразованиями гелевого и капиллярного межпорового пространства. Следует отметить, что активатором протекания реакции гидратации может служить не только влага, поступающая снаружи, но и собственная влага бетона.

Влага в бетоне обусловлена наличием связей воды с твердыми составляющими. Существует 2 источника влаги в бетоне: собственная влага, являющаяся следствием избыточного количества воды затворения, которая не входит в химическую реакцию с цементом при его гидратации, и адсорбированая влага из среды, окружающей бетон.

Вода в бетоне удерживается одной из следующих связей: химическая, физико-химическая или физико-механическая.

Химическая связь вызвана химическим взаимодействием воды с минералами цемента с последующим входом в состав образовавшегося кристаллогидрата. Энергия химической формы связи очень велика. Ее можно нарушить лишь посредством прокаливания или химическим взаимодействием.

Физико-химическая или адсорбционная связь предопределяется адсорбцией воды в зоне действия молекулярных силовых полей твердой фазы. Она может быть нарушена в результате испарения (десорбции) воды в течение продолжительного времени.

Физико-механическая связь воды присутст­вует в тонких капиллярах, порах и полостях. Связь эта довольно слабая и легко нарушается из-за испарения.

Влажность бетона возникает из-за воды, которая удерживается посредством физико-химической и физико-механической связи. Изменение количества физико-механически и физико-химически связанной воды влечет за собой изменение влажности бетона. Она может понижаться вследствие десорбции и незначительно повышаться, абсорбируя влагу из атмосферы.

Становление бетона как материала связано с видоизменением воды в бетонной смеси. Влажность бетонной смеси до начала схватывания цемента зависит от водосодержания и находится в пределах 6-9,5% (для смесей на плотных заполнителях). Наименьшей влажности соответствуют жесткие бетонные смеси с низким водосодержанием. Верхние границы влажности относятся к низкомарочным бетонным смесям без включения добавок, с подвижностью 5-10 см. Влажность бетонных смесей на пористых заполнителях находится в диапазоне 18-25% в зависимости от водосодержания.

Как показывает опыт, влажность же затвердевшего старого бетона (как легкого, так и тяжелого), возраст которого более 1 года, в сухих условиях эксплуатации находится в пределах 3%. Т.е. некоторая влажность в бетоне всегда присутствует благодаря физико-химической связи воды. Тем самым предоставляется возможность для дальнейшей реакции гидратации.

В технической литературе встречаются многочисленные работы, в которых исследуются вопросы изменения механических и деформативных свойств бетона во времени [1, 2, 3]. Что касается вопроса изменения водонепроницаемости, то такие данные немногочисленны. Результаты исследования изменения водонепроницаемости бетона во времени приводятся в фундаментальной работе [4], где показывается значительное увеличение водонепроницаемости бетона во времени (более чем в 4 раза) по истечении 180 суток (рис. 1).

Данное утверждение уместно при экплуатации или выдерживании бетона в нормальных условиях. Кроме того, учитывая давность публикации данной работы, предполагается, что сказанное относится к бетонам с высоким В/Ц отношением.

В условиях сухого жаркого климата картина изменения всех свойств бетона, а также водонепроницаемости кардинально меняется. Сухой жаркий климат характеризуется знойным летом продолжительностью более 100 суток в году, высокими дневными температурами (30°С и выше) и низкой относительной влажностью (50% и ниже). Также для районов с сухим жарким климатом характерны большие перепады температуры и относительной влажности воздуха. Количест­во переходов температуры воздуха через 0°С составляет 55 в году против 40 в умеренных широтах. С апреля по октябрь суточный перепад температуры воздуха превышает 12°С, а в период с июня по сентябрь доходит до 20°С.

Данный климат сильно влияет не только на микро- и поровую структуру бетона во время его становления (момент перехода из пластичного состояния бетонной смеси в пластично-вязкое), но также влияет на изменение свойств затвердевшего бетона из-за десорбции свободной воды и изменения его влажности.

Нами было экспериментально изучено изменение водонепроницаемости бетона во времени. В качестве объекта для исследования были приняты высокофункциональный тяжелый и легкий бетоны, интерес к которым резко возрос в настоящее время. В качестве материалов для тяжелого бетона использовались: щебень базальтовый 5-25 мм Киликийского месторождения (Армения), песок речной, мытый, портландцемент CEMII/A-P42.5N (Араратский завод), комплексная добавка Полипласт 3МБ, содержащая микрокремнезем. В качестве заполнителей для легкого бетона использовались литоидный щебень и песок (свойства приведены в таблице 1), цемент и добавка те же, что и в случае тяжелого бетона.

Таблица 1. Физико-механические свойства использованных заполнителей

Свойства	Литоидная пемза		Базальтовый щебень	Речной песок
	Щебень	Песок
Насыпная плотность в сух. состоянии, кг/м3	865	1173	1286	1738
Истинная плотность, г/см3	2,31	2,31	2,70	2,72
Средняя плотность, кг/м3	1405	–	2534	–
Пустотность, %	38,4	49,2	52,3	36
Количество обсидиана, %	16	7	–	–
Количество пылевидных частиц, %	1,0	22,0	1,10	1,26
Количество частиц меньше 0,16 мм,%	–	21,5	–	1,41
Модуль крупности	–	2,67	–	2,26

Исследуемые бетоны имели следующие составы.

Тяжелый бетон:
Состав 1: Щ=920 кг/м³, П=775 кг/м³, Ц=450 кг/м³, 3МБ=90 кг/м³ (20% от массы цемента), В/Ц=0,43, В/Т=0,36.
Состав 2: Щ=940 кг/м³, П=760 кг/м³, Ц=485 кг/м³, 3МБ=97 кг/м³ (20% от массы цемента), В/Ц=0,6, В/Т=0,30.

Легкий бетон:
Щ=600 кг/м³, П=530 кг/м³, Ц=480 кг/м³, 3МБ=96 кг/м³ (20% от массы цемента), В/Ц=0,47, В/Т=0,39.

Методика исследований

Изготовленные в соответствии с вышеприведенными составами бетонные образцы (цилиндры 150×150 мм – для определения водонепроницаемости и кубы 100×100×100 мм – для определения прочности) после распалубки 28 суток твердели в нормальных условиях, затем выносились на открытый воздух, где выдерживались в условиях сухого жаркого климата, защищенные от прямого воздействия атмосферных осадков. Испытания образцов проводились через 180 и 360 суток после изготовления – для тяжелых бетонов и через 90, 180 и 360 суток – для легкого высокофункционального бетона. Параллельно в камере нормального твердения находились бетонные образцы одного состава из одного замеса, которые также были подвергнуты испытаниям в те же сроки для сравнения результатов. У образцов, которые выдерживались на открытом воздухе, периодически определялась влажность бетона посредством влагомера Tramex CME 4 Concrete Encounter.

Водонепроницаемость бетонов оценивалась по методу определения глубины проникновения воды под давлением в соответствии с EN 12390-8.

Основной механизм переноса воды (либо другого флюида) в обычном бетоне капиллярный и вязкостный. Проходит он через капиллярные поры и макродефекты. В бетоне с В/Ц (В/Вяж.) отношением 0,38 и меньше при полной гидратации цемента капиллярная пористость отсутствует, и перенос воды здесь происходит по механизму молекулярной диффузии, что предопределяет высокую относительную плотность бетона и, соответственно, его низкую проницаемость.

Сказанное согласуется с результатами испытаний водонепроницаемости высокофункциональных бетонов, приведенных на рис. 2-4 и в таблице 2. Характеризуясь низким В/Т либо В/Вяж. отношением (0,30-0,39), бетоны после 28 суток твердения в нормальных условиях имеют глубину проникновения воды 12-17 мм, что позволяет относить их к классу особо плотных (данная глубина проникновения соответствует марке бетона по водонепроницаемости >W20 [5]).

Длительное выдерживание данных бетонов в нормальных условиях только повышает их относительную плотность. Так, для тяжелого бетона с В/Т=0,36 через 180 суток наблюдается уменьшение проницаемости на 20% (с 15 мм до 12 мм), а через 360 суток – на 40% (с 15 мм до 9 мм). Для бетона с В/Т=0,30 через 360 суток выдерживания в нормальных условиях проницаемость уменьшается на 17% (с 12 мм до 10 мм).

Аналогичная картина наблюдается с легким литоиднопемзовым бетоном. Проницаемость к 180 суткам уменьшается на 18% (с 17 мм до 14 мм), а к 360 суткам на 24% (с 17 мм до 13 мм).

Таблица 2.Результаты испытаний свойств высокофункциональных бетонов

Тип бетона, номер состава	Бетонная смесь				Бетон
	В/Ц	В/Т	Осадка конуса, см	Плотность, кг/м3	Плотность, кг/м3 (на 28-е сутки)	Условия выдерживания	Глубина проникновения воды, мм, через сутки выдерживания в соответствующих условиях			Прочность, МПа, через сутки выдерживания в соответствующих условиях
							28	180	360	28	90	180	360
Тяжелый, Состав 1	0,43	0,36	26	2429	2403	Нормальные	15	12	9	59,6	—	74,3	81,0
						Сухой жаркий климат		30	44		—	70.2	68.0
Тяжелый, Состав 2	0,36	0,30	21	2459	2425	Нормальные	12	—	10	73,5	—	80,4	85,7
						Сухой жаркий климат		23	29		—	72,1	80,8
Легкий	0,47	0,39	24	1932	1904	Нормальные	17	14	13	49,5	54,0	49,2	48,1
						Сухой жаркий климат		37	59		—	56,3	46,0

Примечание: каждый результат является средним значением испытания 3-х образцов

Как видно, количественное уменьшение проницаемости высокофункционального бетона во времени при выдерживании в нормальных условиях меньше, чем у обычного бетона (рис. 1), однако это связано с изначально меньшим его значением.

Выдерживание высокофункционального бетона в условиях сухого жаркого климата в корне меняет картину изменения водонепроницаемости во времени. Во всех случаях наблюдается значительное ее увеличение. Так, для тяжелого бетона с В/Т=0,36 проницаемость увеличивается в 2 раза на 180-е сутки (с 15 мм до 30 мм) и в 2,9 раза на 360-е сутки (с 15 мм до 44 мм). Для бетона с В/Т=0,30 увеличение проницаемости составляет 1,92 и 2,42 раза (соответственно для 180 и 360 суток) по сравнению с проницаемостью бетона на 28-е сутки.

Количественное увеличение проницаемости для легкого литоиднопемзового бетона, выдержанного в условиях сухого жаркого климата, имеет более высокое значение – в 2,18 раза на 180-е сутки (с 17 мм до 37 мм) и в 3,47 раза на 360-е сутки (с 17 мм до 59 мм).

Увеличение проницаемости высокофункциональных бетонов при эксплуатации или выдерживании в условиях сухого жаркого климата обусловлено десорбцией свободной воды, что приводит, во-первых, к усадке цементного геля с образованием микротрещин и каналов, а во-вторых, к осушению капилляров, которые образуются при неполной гидратации цемента в высокофункциональном бетоне. Капилляры в бетоне в момент снятия из камеры нормального твердения заполнены водой (частично либо полностью), которая удерживается капиллярными силами, препятствуя проникновению воды извне. По мере десорбции капилляры опустошаются, тем самым облегчая доступ воды вглубь. Кинетику десорбции можно наблюдать по результатам изменения влажности бетона во времени (рис. 5).

Как видно из рис. 5, влажность бетонов изменяется в соответствии с изменением погодных условий окружающей среды (таблица 3). Во всех случаях влажность бетона можно охарактеризовать ниспадающей кривой (что обусловлено абсорбцией), которая незначительно увеличивается при повышенной относительной влажности воздуха в промежуточный период с ноября по февраль.

Изменение прочности высокофункциональных бетонов во времени приведено на рис. 5-8 и в таблице 2.

В отличие от проницаемости, прочность высокофунк­циональных тяжелых бетонов растет во времени вне зависимости от условий выдерживания, однако в условиях сухого жаркого климата – в меньшем по сравнению с нормальными условиями количестве. Так, для тяжелого бетона с В/Т=0,36 прочность при условии выдерживания в нормальных условиях увеличивается на 24,7% (с 59,6 МПа до 74,3 МПа) на 180-е сутки и на 35,9% (до 81 МПа) на 360-е сутки.

Для того же бетона, выдержанного в условиях сухого жаркого климата, увеличение прочности в данные сроки составляет 17,8% и 14,1% соответственно.

Для бетона с В/Т=0,30 прирост прочности бетона во времени наблюдается в меньшем количестве. При выдерживании в нормальных условиях прочность увеличивается на 9,4% на 180-е сутки (с 73,5 МПа до 80,4 МПа) и на 16,6% на 360-е сутки (до 85,7 МПа), а при выдерживании в условиях сухого жаркого климата к 360 суткам – всего на 9,9%.

Таблица 3. Данные погодных условий во время выдерживания высокофункциональных бетонов

Месяц, год	Температура воздуха, °С			Средняя влажность воздуха, %	Скорость ветра, м/с
	Средняя	Средняя минимальная	Средняя максимальная		Средняя	Порыв
Август 2017	+29,3	+20,8	+36,9	38	3,4	21
Сентябрь 2017	+24,4	+14,6	+32,4	40	2,4	10
Октябрь 2017	+12,8	+5,6	+20,6	63	1,6	22
Ноябрь 2017	+7,1	+1,6	+13, 6	77	1,1	8
Декабрь 2017	+1,1	-3,7	+7,1	83	0,8	20
Январь 2018	+2,0	-2,4	+7,3	79	1,1	9
Февраль 2018	+5,5	-1,1	+12,8	66	1,2	6
Март 2018	+11,1	+4,6	+18,0	61	1,9	23
Апрель 2018	+13,8	+6,1	+21,4	54	2,2	9
Май 2018	+18,7	+12,5	+25,7	62	2,1	22
Июнь 2018	+23,9	+16,2	+31,2	50	2,6	19
Июль 2018	+30,0	+21,9	+38,0	40	3,3	22

Прирост прочности обеспечивается благодаря медленной десорбции свободной воды, за счет чего продолжается реакция гидратации с генерацией дополнительного количества гидросиликата кальция, что в конечном итоге упрочняет систему.

В случае легкого литоиднопемзового бетона упрочнение при выдерживании в камере нормального твердения не наблюдается. При выдерживании же данного бетона в условиях сухого жаркого климата за некоторым упрочнением на 180-е сутки (с 49,5 МПа до 56,3 МПа) следует понижение прочности до прежнего уровня. Отсутствие прироста прочности у данного бетона, предположительно, связано с достижением максимально возможного для литоиднопемзового заполнителя уровня прочности, после чего даже упрочнение цементной матрицы не приводит к упрочнению всей системы.

Выводы:

— сухой жаркий климат влияет в основном на изменение гидрофизических свойств высокофункциаонального бетона во времени;

— при выдерживании/эксплуатации высокофункционального бетона в условиях сухого жаркого климата увеличивается его проницаемость: для тяжелого бетона в зависимости от состава в 2,42-2,9 раза после 360 суток, а для легкого бетона в 3,47 раза. Такое увеличение обусловлено десорбцией свободной воды, что приводит, во-первых, к усадке цементного геля с образованием микротрещин и каналов, во-вторых, к осушению капилляров, которые образуются при неполной гидратации цемента в высокофункциональном бетоне;

— прочность высокофункционального тяжелого бетона во времени при выдерживании в условиях сухого жаркого климата увеличивается в меньшем количестве (на 6,7% – 21,8%) по сравнению с бетоном, выдержанным в нормальных условиях.

Библиографический список

1. Карапетян К.А. Вопросы прочности и реологии бетонов. – Ереван:Гитутюн, 2012, – 256 с.

2. Taylor P.C. Curing concrete. CRS Press, 2014. – 181 p.

3. Темкин Е.С. Технология бетона для сухого жаркого климата с использованием солнечной энергии. – Москва: АСВ, 2006, – 68 с.

4. Стольников В.В. Исследования по гидротехническому бетону. – Москва: ГЭИ, 1962, – 330 с.

5. Антонян А.А. О некоторых особенностях современных методов определения водонепроницаемости бетона // Технологии бетонов, №9-10, 2017, с. 29-33.