Новости Беларуси. Последние события в мире.
Опрос посетителей
Что Вам больше нравится у нас?

Водонепроницаемость

Водонепроницаемость бетона назначают, исходя из допустимой фильтрационной характеристики бетона и стойкости его к коррозии. Правильное назначение требований по водонепроницаемости, так же как и его морозостойкости встречает много затруднений. Вместе с тем, получение достаточно водонепроницаемого бетона часто связано при прочих равных условиях с заметным увеличением расхода цемента, поэтому учет требований по водонепроницаемости бетона при проектировании его состава может быть определяющим. В практике проектирования состава бетона возможно использование двух нормативных характеристик водонепроницаемости:

1) наибольшего давления воды (МПа), которое могут выдержать стандартные образцы без появления на их открытой стороне признаков просачивания воды. 2) коэффициента фильтрации бетона, характеризующего количество воды, проникающее через единицу сечения в единицу времени, при градиенте (отношении напора в м. водяного столба к толщине конструкции в м.) равном 1.

В.В. Стольниковым показано, что марка бетона по водонепроницаемости носит весьма условный характер. Он, воспользовавшись уравнением Дарси, рассчитал коэффициент скорости движения воды в бетоне в зависимости от его марки по водонепроницаемости и показал, что при изменении марки бетона по водонепроницаемости с W2 до W4, коэффициент скорости движения воды уменьшается на один порядок. Чтобы уменьшить этот коэффициент еще на один порядок надо иметь уже марку W14. Фактические градиенты напора обеспечивают в сооружениях излишний запас, в десятки раз превышающий нормативный. Нормирование марки бетона по водонепроницаемости к настоящему времени рекомендуется по величине напорного градиента и является весьма несовершенным. Чаще всего марка по водонепроницаемости назначается с учетом опыта эксплуатации сооружений и служит косвенным показателем их плотности. Простейшим способом обеспечения требуемой марки бетона по водонепроницаемости является ограничение В/Ц в соответствии с рекомендациями СНиП по разделению бетона на три группы по плотности. Эти рекомендации не учитывают влияния на водонепроницаемость многих факторов, в том числе и таких значительных как длительность и условия твердения бетона. Н.А. Мощанским предложено деление бетона на пять групп по плотности в зависимости от величины пористости в 28 сут., которая однако не связывает показатель плотности с маркой по водонепроницаемости.

Для расчета В/Ц и других параметров состава бетона в зависимости от заданной марки по водонепроницаемости предложены полиномиальные уравнения регрессии, которые однако справедливы лишь в достаточно узкой области исходных условий. Спорным является отрицательное влияние на водонепроницаемость минеральных добавок, следующее из номограммы В.П.Сизова. Многие авторы утверждают, как известно, обратное. М.А.Шалимо предложил в зависимости от требуемой марки бетона по водонепроницаемости назначать величину Х т.е. соотношение В/Ц цементного камня в бетоне к величине Кн.г. При известном значении Х находится Rб и далее расходы заполнителей и цемента. Методика определения расходов компонентов основана на недостаточно обоснованных предпосылках и дает сомнительные результаты (например, для бетона с W4, Rб=50 МПа, ОК=1...5 см оказывается необходимы: Ц=345 кг/м3; В=152 кг/м3; П=1088 кг/м3; Щ=869 кг).

Зависимость отражает известные данные о возможности увеличения В/Ц при заданной водонепроницаемости и Vц.т=const по мере увеличения водопотребности заполнителей и доли песка в смеси заполнителей. После определения состава бетона из условия прочности с помощью зависимости можно уточнять В/Ц и корректировать состав бетонной смеси из условия водонепроницаемости. Бетоны изготавливали на среднеалюминатном портландцементе (С3А=6…8%) Кн.г=0,28) М500, гранитном щебне 5...20 мм с Вщ=0,02 и кварцевом песке с Вn=0,07 и Мк=2,1. Коэффициент фильтрации бетона имеет корреляционную связь с маркой по водонепроницаемости. По рекомендациям СНиП для водонасыщенных образцов при W4 значения Кф изменяются от 1 . 10 -10 до 5 . 10 -10, W6 – от 5 10 -11 до 1 10 -10, W8 – от 1 10 -11 до 5 10 -11, W12 – менее 5. 10-12. По данным М.Г.Элбакидзе, выполнившего обширные исследования по фильтрации воды через бетон, коэффициент фильтрации зависит от напора капиллярного всасывания и в среднем равен при: W4 - 1. 10-8; W6 - 5.10-9; W8 - 3.10-9. По данным В.В. Стольникова значения коэффициента фильтрации, соответствующие определенным маркам по водонепроницаемости, также значительно более высокие чем рекомендуемые СНиП.

Нормирование коэффициента фильтрации возможно при известном значении допустимых фильтрационных потерь. Так, в работе приведена номограмма, используемая при расчете бетонных облицовок каналов, связывающая напор, потери воды, толщину облицовки с коэффициентом фильтрации. Коэффициент фильтрации воды через бетон может быть использован и для прогнозирования проницаемости по отношению к другим флюидам.

Для определения коэффициента фильтрации в монолитных бетонных сооружениях рекомендуется использовать его корреляционную связь с удельным водопоглощением qв. Переходной коэффициент с=Кф/qв, колеблется в пределах 0,001. К настоящему времени из-за сложного механизма переноса воды в бетоне и большого числа влияющих факторов не разработана количественная теория, связывающая проницаемость бетона и его структуру. Вместе с тем, большое число выполненных исследований позволяет классифицировать механизм переноса флюидов в бетоне на 3 вида:

1) при радиусе пор более 10-4 см - вязкостный поток (обычный бетон, пористость больше или равна 8%); 2) 10-5...10-4 - капиллярный поток (плотный бетон, пористость 3...8%); 3) менее 10-5 см - молекулярная диффузия (особо плотный бетон, пористость 1...3%).

Соответственно коэффициент фильтрации в зависимости от механизма переноса может быть более 10-4 см/с, 10-4...10-7 см/с, менее 10-7 см/с. Для цементного камня, раствора или бетона характерен смешанный механизм переноса, который определяется преобладающим размером пор.

Для большинства составов бетона движение воды идет по капиллярам с радиусом 10-3 см и более. Высота поднятия жидкости в капиллярах обратно пропорциональна их радиусу. Для цементного камня предложено уравнение связи коэффициента фильтрации с величинами гидравлического радиуса пор и пористости, по существу отражающими главные особенности поровой структуры: lg Кф = 38,45 + 4,08lg(Пrп2), где rп - гидравлический радиус; П - пористость.

Практическое использование указанной зависимости однако затруднительно, прежде всего в связи со сложностью расчетного определения гидравлического радиуса, под которым понимают средний размер капилляров, на концах которых наблюдается перепад давлений. Гидравлический радиус капилляров в цементном камне обычно рассчитывают как частное от деления количества профильтровавшейся воды на площадь смачиваемой поверхности. Попытка теоретического расчета гидравлического радиуса пор сделана Пауэрсом и Коуплендом с применением уравнения Козени-Кармана. Однако, для практики этот расчет оказался неприемлемым. Для экспериментального определения величины радиуса капилляров в бетоне необходимо знание максимального капиллярного давления Р и величины поверхностного натяжения на границе жидкость-газ.

А.М.Невиллем подтвержден степенной характер зависимости между проницаемостью и капиллярной пористостью цементного камня. Аналогичный вид зависимости коэффициента газопроницаемости раствора от сквозной пористости получен в работе. Можно считать экспериментально доказанным, что водонепроницаемость также как и газопроницаемость бетона определяется не общей, а сквозной или эффективной пористостью. Под последней понимают отношение объема пор, служащих путями фильтрации, к объему образца. В отличие от общей и капиллярной пористости она изменяется в больших пределах, в зависимости от продолжительности взаимодействия образцов с водой. На величину эффективной пористости влияют многие процессы:: набухание гидратированных зерен цемента, кольматация пор отлагающимися продуктами выщелачивания и мельчайшими взвешенными в воде минеральными частицами и др. На формирование эффективной пористости, как известно, оказывают также влияние седиментационные процессы в бетонной смеси. М.Г.Элбакидзе и В.М. Насбергом получен ряд формул, позволяющих учитывать эффективную пористость Пэ (коэффициент водопоглощения) при определении коэффициента фильтрации бетона.

К настоящему времени, учитывая сложность процессов формирующих величину Пэ, не разработан расчетный метод ее определения. Поэтому формулы типа могут быть использованы для прогнозирования Кф после экспериментального определения Пэ. Методика экспериментального определения Пэ описана в работах. Ориентировочная расчетная оценка показателей водонепроницамости может быть выполнена на основе уравнений их связи с параметрами, определение которых возможно при проектировании составов бетона.

Одна из первых попыток связать коэффициент фильтрации воды в бетоне с его общей пористостью без дополнительного учета гидравлического радиуса капилляров сделана В.В. Стольниковым. Он предложил приближенную формулу: Кф = КсП28, где П28 - пористость в 28-суточном возрасте; Кс - коэффициент скорости движения воды (для W2 –Кс=2,6 .10-6; W4 – Кс=8 .10-7; W6 – Кс=4 .10-7; W8 – Кс=2. 10-7; W14 – Кс=7 .10-8 см/с). Расчет коэффициента скорости Кс в формуле выполнен для условий стандартного определения марки по водонепроницаемости бетонных цилиндров с диаметром и высотой 15 см в предположении, что скорость движения воды в бетоне подчиняется уравнению Дарси, справедливому лишь для вязкостного (Пуазейлевского) потока. Как известно, применимость этого уравнения справедлива для системы жидкость-бетон, поры которого ограничиваются радиусом rп=10-4...10-3 см. По данным, полученным с применением ртутной порометрии, в цементном камне с В/Ц=0,3 объем пор менее 10-4 см составляет 15%, а при В/Ц=0,5 - 25%. В другой работе сообщается, что содержание пор менее 10-4см в цементно-песчаном растворе при воздушно-влажном твердении достигает более 62%, а при твердении в воде почти 90%.

Вместе с тем при проектировании составов бетона и заданном значении Кф формула типа может позволить при известных значениях степени гидратации и Кс найти необходимое В/Ц. Для расчета показателя при отсутствии необходимых справочных данных могут быть использованы известные эмпирические зависимости, связывающие ее с активностью цемента или предложенная зависимость с учетом заданной прочности бетона и нормальной густоты цемента. Для определения Кс в зависимости от прочности бетона были обработаны результаты экспериментального измерения Кф бетонов с В/Ц=0,35...0,75 на цементах марок 400 и 500 в возрасте 28 сут. Для изготовления бетона применяли: нормальный среднеалюминатный портландцемент (С3А=6…8%) М400 и М500 с содержанием активной минеральной добавки (опоки) 15%; гранитный щебень фракции 5-40 мм; кварцевый песок средней крупности. Коэффициент фильтрации определяли на образцах-цилиндрах с диаметром и высотой 150 мм.

Испытанию подвергались образцы в возрасте 28 сут. Учитывая большое разнообразие факторов, влияющих на водонепроницаемость бетона, коэффициенты в формуле при решении задач прогнозирования водонепроницаемости и проектирования составов бетона необходимо уточнять экспериментально.