Самозаживляющийся бетон и его практическое применение

 В статье описываются положительные результаты «самозалечивания» трещин, образовавшихся в бетоне от внешних силовых воздействий и внутренних напряжений на основании 43 месяцев экспериментальных исследований. Образование кристаллогидратов при наличии воды в трещинах соединяет их берега и воссоздает целостную структуру бетона с водонепроницаемостью до W20. Наличие в бетоне добавки «Пенетрон Адмикс» позволяет авторам предложить для подземных железобетонных конструкций отказаться от нанесения гидроизоляции на их внешней поверхности. Статья рассчитана на инженеров-проектировщиков, строителей, научных работников и аспирантов.

Экспериментальная проверка возможности исключения внешней гидроизоляции железобетонных конструкций подземных паркингов при условии использования гидроизоляционной добавки
«Пенетрон Адмикс».

В изгибаемых железобетонных конструкциях в растянутых зонах при напряжениях, превышающих R_bt (прочность на осевое растяжение) возникают силовые трещины, величина которых зависит от действующего в поперечном сечении изгибающего момента и количества растянутой арматуры.

Наряду с силовыми на ранних стадиях твердения бетона в его структуре возникают усадочные трещины, и, при изменении температуры окружающей среды, могут возникать температурно-деформационные трещины, через которые в подземное пространство проникает из внешней среды вода, ухудшающая эксплуатационный режим помещений.

Возникающие силовые трещины существенно снижают жёсткость элемента при расчёте второго предельного состояния (деформативность) и его гидроизоляционную способность. Что очень важно для подземных сооружений.

В строительной практике для сохранения гидроизоляционной способности подземных железобетонных сооружений их внешняя (наружная) поверхность дополнительно покрывается наклеиваемыми или напыляемыми гидроизоляционными материалами, что препятствует проникновению внешней воды в подземное пространство.

Однако, производство гидроизоляционных оклеечных или напыляемых работ по наружной поверхности подземных железобетонных конструкций существенно замедляет возведение подземных сооружений и приводит к удорожанию их строительства.

Наружный оклеечный слой гидроизоляции препятствует проникновению воды через структуру бетона, имеющего трещины, но не восстанавливает прочность и жёсткость поперечных сечений, проходящих через трещины в изгибаемых железобетонных конструкциях.

В последние годы специалистами ГК «Пенетрон» разработана добавка, вносимая в бетонную смесь на стадии её приготовления, которая в случае образования в затвердевшей структуре бетона усадочных и силовых трещин, при наличии свободной воды, активно включает процесс образования новых кристаллов, заполняющих свободные объёмы между ранее затвердевшими частицами бетона, что приводит к «зарастанию» ранее образовавшихся силовых трещин, пустот и восстанавливает утраченную при образовании трещин изгибную жесткость конструкции.

Зарастание новыми кристаллами ранее возникших трещин в структуре бетона наряду с препятствием проникновению через них воды, восстанавливает ранее потерянную сплошность расчётных поперечных сечений изгибаемых железобетонных конструкций, что увеличивает их прочность и жёсткость до первоначального проектного уровня.

С целью подтверждения возможности исключить использование напыляемой или оклеечной гидроизоляции для железобетонной плиты покрытия подземного паркинга без ухудшения эксплуатационных качеств при поддержке руководства ЗАО «РСГ-Академическое» проведена сорока трёх месячное экспериментальное исследование железобетонной плиты перекрытия подземного паркинга (строительный номер 5.4.01 район «Академический», г. Екатеринбург), площадью 1540 квадратных метров   (см. рисунок 1) выполненного без внешней гидроизоляции верхней плоскости плиты за счет применения гидроизоляционной добавки «Пенетрон Адмикс» [1].

Железобетонная плита перекрытия проектной толщиной 300 мм изготовлена из бетонной смеси класса В25, в которую внесена добавка «Пенетрон Адмикс» в количестве 1% от массы цемента.

Добавка «Пенетрон Адмикс» вносилась в готовую бетонную смесь класса В25 непосредственно в бетоновозе, дополнительно перемешивалась в течение десяти минут, после чего производилась укладка готовой бетонной смеси по обычной технологии в существующую опалубку безбалочной плиты покрытия паркинга с устройством обычных рабочих швов между периодами доставки смеси бетоновозами.

Для устройства гидроизоляции рабочих швов применен саморасширяющийся гидроизоляционный жгут «Пенебар».

После укладки бетона производился стандартный режим контроля температурно-влажностных показателей. Для контроля за прочностью бетона были изготовлены на площадке кубы с размерами грани 150 мм, и, для контроля водонепроницаемости, бетонные цилиндры диаметром 150 мм с высотой 100 мм в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.5-84 метод «мокрого пятна».

Помимо залитых на площадке бетонных цилиндров, водонепроницаемость бетона в плите перекрытия определялась по бетонным цилиндрам, ежеквартально в течение сорока трёх месяцев отбираемым по шесть штук из существующей плиты перекрытия в зоне между арматурными стержнями и существующими силовыми трещинами.

Отбор и испытание этих образцов позволили собрать объективную информацию о способности бетона с добавкой «Пенетрон Адмикс» сохранять постоянной величину водонепроницаемости на протяжении всего периода эксперимента (сорок три месяца) и сделать прогноз на сохранение этого свойства на более длительный период эксплуатации подземного паркинга.

После снятия опалубки на потолочной поверхности железобетонной плиты покрытия паркинга была нанесена разметка в виде квадратов с размером стороны, равной 1000 мм. Общее количество квадратов составило 1500 штук. Каждый квадрат был пронумерован для учёта места расположения и ширины раскрытия силовых трещин, которые возникали на нижней поверхности плиты покрытия при засыпке её сверху грунтом и постоянной езды по ней тяжёлой строительной техники (бетоновозы, автокраны, грейдера, трактора и др.), обеспечивающей строительство рядом расположенных жилых домов (№№ 5.4.1; 5.4.3; 5.4.5).

Наличие разметки на потолочной поверхности позволяло контролировать, в случае появления воды, её место проникновения.

В течение сорока трёх месяцев (три года семь месяцев) вода на потолочной поверхности не появлялась, что подтвердило работоспособность гидроизоляционной добавки «Пенетрон Адмикс».

Работа тяжёлой строительной техники, проезжающей по железобетонной плите сверху на стадии строительства рядом расположенных домов, привела к появлению на потолочной поверхности силовых трещин с расстоянием между её берегами до 0,2 мм.

На рисунке 2  приведена картина расположения трещин  на потолочной поверхности плиты покрытия подземного паркинга по состоянию на 25.01.2013 г. (возраст после укладки бетона 254 суток).

Силовые трещины появились в нормальных сечениях в зонах действия максимальных изгибающих моментов.

Максимальное расстояние между берегами трещин не превысило допустимую СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции» [2] величину равную 0,3 мм.

Сравнение картины расположения силовых трещин в возрасте плиты 86 суток и в возрасте 254 суток после укладки бетона показало отсутствие существенного изменения в характере их расположений и изменении расстояния между берегами трещин.

Отсутствие изменений в картине расположения трещин в возрасте 86 и 254 суток после укладки бетона свидетельствует о том, что основной причиной появления силовых трещин в железобетонной плите покрытия подземного паркинга явились первоначально возникшие от вертикальных динамических нагрузок при работе тяжёлой строительной техники и укладки сверху плиты проектного слоя грунта с их последующей работой по возведению соседних жилых домов 5.4.1, 5.4.3 и 5.4.5 на ранней стадии набора бетоном проектной прочности.

Для контроля за процессами «самозалечивания» трещин из мест расположения нормальных силовых трещин отбирались цилиндрические образцы бетона таким образом, чтобы трещины располагалась в пределах отобранного керна по всей его высоте.

Отбор бетонного керна диаметром 150 мм и высотой 100 мм производился с помощью алмазной коронки соответствующих размеров методом мокрого бурения.

После отбора бетонных кернов обе симметричные половинки объединялись с помощью моноуглеродной ткани, обмотанной по внешнему контуру боковой поверхности цилиндра.

Партия образцов из двух объединённых половинок состояла из шести штук.

Моноуглеродная обмотка сохранялась на всех стадиях испытания бетонных цилиндров на водонепроницаемость.

Бетонные образцы из двух объединённых половинок с внешней обмоткой испытывались на водонепроницаемость дважды.

Первое испытание производилось вскоре после отбора бетонных образцов из конструкции железобетонной плиты покрытия подземного паркинга.

Второе испытание этих же образцов производилось после сорока пяти суточного выдерживания их в воде.

На рисунке 3 приведён график изменения параметра водонепроницаемости бетона с добавкой «Пенетрон Адмикс» по результатам испытания образцов цельных цилиндров, отобранных из экспериментальной железобетонной плиты покрытия подземного паркинга в возрасте от 168 до 1322 суток, в том числе после 45 суточной выдержки в воде.

Анализ графика показывает, что в течение указанного периода параметр водонепроницаемости W, в основном, остаётся постоянным, за исключением девятой партии цельных образцов (без трещин), которая после отбора из конструкции была в течение 45 суток выдержана в воде.

Водонепроницаемость цельных бетонных образцов после их выдержки в воде резко выросла и составила величину W18, что почти в два раза превысило среднюю величину параметра водонепроницаемости, полученную по результатам испытаний бетонных образцов в течение 43 месячного предыдущего периода.

Результаты испытаний бетонных цилиндров из двух половинок сразу после их отбора из плиты с нормальными силовыми трещинами по их оси показали в среднем нулевую водонепроницаемость.

Те же образцы, после их выдержки в течение 45 суток в воде, показали для четырёх образцов W20, для двух других W14 и W4(см. таблицу 1).

Увеличение от W0 до W20 параметра водонепроницаемости образцов, разделённых силовой трещиной на две половинки, после 45 суток выдерживания их в воде подтверждает факт заполнения трещины вновь образующимися кристаллами за счёт присутствия ранее внесённой добавки «Пенетрон Адмикс», которая активизировалась при воздействии воды после длительного (сорок три месяца) нахождения добавки в структуре твёрдого бетона.

После испытания на водонепроницаемость образцы с кристаллами, проросшими по контакту двух половинок, были исследованы методом растровой электронной микроскопии.

На рисунке 4 приведена фотография шлифа зоны трещины после её «самозалечивания» кристаллогидратами дендритной формы, образовавшихся по контакту двух бетонных участков в результате наличия в составе бетонной смеси добавки «Пенетрон Адмикс» [3].

Эффект «самозалечивания» трещин в бетонных образцах с добавкой «Пенетрон Адмикс», был ранее описан в работах [4] и [5].

ВЫВОДЫ

 По результатам работ, проведённых в течение 43 месяцев на экспериментальном участке железобетонной плиты покрытия подземного паркинга 5.4.01 в районе «Академический» г. Екатеринбурга можно сделать следующие выводы и рекомендации.

1. Железобетонная плита покрытия подземного паркинга, находящаяся ниже дневной поверхности на 1÷1,5 метра, выполненная без оклеечной горизонтальной гидроизоляции с применением добавки «Пенетрон Адмикс» в количестве 1% от веса цемента в течение трёх лет и семи месяцев (43 месяца) не пропустила через себя воду во внутреннее подземное пространство.

   Появление воды не обнаружено как на потолочной поверхности самой плиты, так и в её рабочих швах, образованных при укладке бетона.

   Согласно климатологического справочника суммарная величина осадков за этот период составила  × 43 ≈ 1780 мм водяного столба на каждый квадратный метр открытой дневной поверхности.

1. Отсутствие проникновения воды через железобетонную плиту покрытия подземного паркинга без гидроизоляционного оклеечного слоя в течение трёх лет и семи месяцев при условии введения в состав бетона гидроизоляционной добавки «Пенетрон Адмикс» подтверждает возможность исключить в дальнейшем традиционное решение производить оклеечную или напыляемую гидроизоляцию на внешней поверхности подземных железобетонных сооружений.
2. В течение трёх лет и семи месяцев водонепроницаемость бетона, изготовленного с применением добавки «Пенетрон Адмикс» в количестве 1% от веса цемента сохраняла этот параметр на первоначальном уровне.
3. В условиях воздействия внешней воды водонепроницаемость бетона с гидроизоляционной добавкой «Пенетрон Адмикс» в количестве 1% от веса цемента возросла с W6 до W18.
4. В нормальных силовых трещинах, возникающих в изгибаемых железобетонных плитах покрытия, выполненных из бетона с применением гидроизоляционной добавки «Пенетрон Адмикс» в количестве 1% от веса цемента при воздействии воды, происходит «самозалечивание» трещин (образование в пространстве между берегами трещины системы кристаллогидратов дендритной формы), что увеличило водонепроницаемость бетонных образцов с «самозалеченными» трещинами до величины W20.
5. Полученные положительные результаты замены внешней оклеечной или напыляемой гидроизоляции для железобетонной плиты покрытия подземного паркинга на гидроизоляционную добавку «Пенетрон Адмикс» в количестве 1% от веса цемента позволяют рекомендовать её для более эффективного получения «сухих» подземных пространств, в том числе и паркингов без устройства снаружи железобетонных конструкций оклеечной или напыляемой гидроизоляции.

БИБЛИОГРАФИЯ

 Отчет о научно-исследовательской работе№ 1495 от 14 июля 2016г. «Экспериментальное исследование изменения водонепроницаемости бетона в течение 43 месяцев, а также эффекта «самозалечивания» трещин в железобетонной плите покрытия подземного паркинга 5.4.01 (милицейский адрес ул. Краснолесья, 159) района «Академический» г. Екатеринбурга, изготовленной с применением гидроизоляционной добавки «Пенетрон Адмикс» на участке в осях Н-Ч/24-49», выполненный ООО «ИВЦ «Технология» г.Екатеринбург 2016г.

1. СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-012003» г. Москва.
2. Отчет «Исследование структуры бетона на сколе методой растровой электронной микроскопии» по договору №504 от 10.07.2014, составленный специалистами УЦКП «Современные технологии» УрФУ г.Екатеринбург в 2016г.
3. Отчет о работах по договору №6.050/437 «Исследование динамики процесса роста кристаллических образований в бетоне после обработки гидроизоляционным материалом «Пенетрон», выполненный ФГУП «Российский ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина» г.Москва в 2008г.
4. Отчет о контрольном испытании гидроизоляционных свойств добавки «Пенетрон Адмикс» при наличии трещин в бетоне (самозалечивание), выполненный фирмой BauTechnologie, Ing. Wilhelm Korb A-2380 Perchtoldsdorf, Herzogbergstrabe, 155.

Авторы:  Балакин Д.В., Ермолаев Д.А., Исаков П.Ю.,Карнет Ю.Н.