Структура, водопроницаемость, самоуплотнение и диффузионная проницаемость бетона

Важнейший фактор долговечности бетона — проницаемость — зависит от его структуры, которая формируется и изменяется на протяжении длительного периода, начиная с момента затворения бетонной смеси.

В процессе формирования структуры бетона условно можно различать три стадии: 1) образование капиллярно-пористой системы до схватывания бетонной смеси; основными факторами на этой стадии являются состав бетонной смеси, вид цемента, водоцементное отношение, консистенция и способ уплотнения бетонной смеси; большое влияние на характер будущей структуры бетона оказывают процессы седиментации; 2) начальная стадия твердения бетона; в этот период существенное влияние на характер образующейся структуры оказывают температурно-влажностные условия твердения бетона; 3) стадия эксплуатации бетонной крепи ствола шахты.

В зависимости от степени влажности среды и в особенности характера взаимодействия конструкции с водной средой в структуре бетона происходят изменения, ведущие иногда к повышению, но чаще к снижению проницаемости бетона. Основы структуры бетона формируются на первой и частично на второй стадии. Исследованиям процессов, происходящих на этих стадиях, посвящено большое число работ. Значительно меньше сведений о характере и закономерностях изменения структуры бетона на стадии эксплуатации ствола шахты.

В большинстве работ по исследованию структуры бетона анализируется зависимость между его дифференциальной пористостью и технологическими факторами — составом бетонной смеси, способами ее уплотнения, температурно-влажностными условиями твердения. В ряде работ рассматривается механизм действия добавок — ускорителей твердения бетона — на его структуру и физико-механические свойства, влияние седиментационных процессов и др. А.В. Волженский отмечает, что гелевидные частички гидросиликатов кальция в зависимости от времени их образования значительно отличаются по размерам, что и является основной причиной большого диапазона размеров пор геля.

С точки зрения рассматриваемых здесь вопросов, главной характеристикой структуры бетона является распределение пор по размерам и сообщаемость пор между собой.

В литературе предложены различные классификации пор в цементном камне и в бетоне. Принято считать, что в порах радиусом меньше 0,1 мкм возможна капиллярная конденсация. Такие поры при обычных напорах практически непроницаемы для воды.

В зависимости от относительной влажности воздуха часть микрокапилляров в бетоне воздушного хранения непроницаема и для газов. После высушивания бетона при температуре 105 °C до постоянной массы его газопроницаемость становится в 10 раз больше, чем бетона нормального воздушного хранения. Поры с поперечным сечением больше 0,1 мкм (макропоры) теоретически проницаемы для воды. Однако практически значительная их часть сообщается между собой микрокапиллярами с поперечным сечением меньше 0,1 мкм. Поэтому далеко не все макропоры служат путями фильтрации. В процессе продолжающегося гидролиза и гидратации зерен цемента увеличивается объем новообразований, которые постепенно суживают сечения макропор. Обычно считают, что в процессе твердения цементного камня объем макропор уменьшается, а микропор увеличивается. Это согласуется с результатами определения проницаемости цементного камня, которая с возрастом уменьшается. Из результатов исследований структурной пористости бетонов установлена независимость объема микропор от водоцементного отношения В/Ц. Объем микропор, увеличивающийся со временем, определяется в основном степенью гидратации цемента, но от количества воды затворения не зависит. Объем макропор, наоборот, зависит от В/Ц, поскольку он прямо пропорционален объему воды затворения, введенной в бетонную смесь сверх необходимого количества для гидратации. Так как микропоры не служат путями фильтрации, а проницаемость бетона зависит от объема (а также размеров и взаимной сообщаемости) макропор, то этим и объясняется зависимость проницаемости и коррозионной стойкости бетона от В/Ц. Ф. М. Иванов, измеряя электропроводность цементного камня, показал, что проницаемость его определяется не общей и не дифференциальной, а «сквозной», или эффективной пористостью. Под эффективной пористостью понимается отношение объема пор, служащих путями фильтрации, к объему образца. Она всегда меньше общей пористости цементного камня и, в отличие от последней, изменяется в больших пределах в зависимости от продолжительности взаимодействия образцов с водой. Эффективная пористость в некотором смысле может рассматриваться как величина, обратно пропорциональная долговечности бетона.

Водопроницаемость бетона лишь в редких случаях стабилизируется на постоянном значении. Обычно наблюдается затухающее во времени снижение коэффициента фильтрации.

Увеличение расхода воды через бетон в процессе длительной фильтрации под постоянным напором наблюдается в сооружениях весьма редко. Самоуплотнение бетона в натурных условиях отмечено многими авторами. В работе Г.П. Вербецкого, приведены экспериментально полученные «кривые самоуплотнения» цементного камня, раствора и бетона различных составов в зависимости от условий твердения и некоторых других факторов. Опыты показали, что как начальные, так и конечные значения коэффициентов фильтрации образцов сухого хранения на порядок выше коэффициентов образцов воздушно-влажного хранения. Коэффициенты самоуплотнения бетона (отношение начального значения коэффициента фильтрации к значению его в конце опыта) возрастают с уменьшением В/Ц, причем в образцах влажного хранения они более высокие, чем в образцах сухого хранения.

Интенсивность самоуплотнения бетона так же, как и Кф коэффициент фильтрации, весьма значительно зависит от В/Ц и от гидрокарбонатной щелочности воды: с повышением последней самоуплотнение бетона усиливается. Влияние градиента напора, слабое при мягкой воде, возрастает с повышением гидрокарбонатной щелочности.

Самоуплотнение бетона происходит в результате постепенного сужения перешейков водопроводящих каналов в пористой структуре бетона и перехода части капилляров из системы сообщающихся в систему замкнутых пор. Основными причинами сужения капилляров являются: рост объема новообразований вследствие продолжающихся процессов гидролиза и гидратации цемента и набухания гелеобразной составляющей цементного камня; отложения в порах бетона нерастворимых карбонатов, образующихся в результате реакции между свободным гидратом окиси кальция и углекислотой, содержащейся в фильтрующейся воде; отложения в порах бетона пылевидных частиц, взвешенных в воде (механический кольматаж); закупорка пор пузырьками воздуха, выделяющегося из воды (воздушный кольматаж). Самоуплотнение частично обратимо. При высушивании бетона его проницаемость увеличивается, не достигая, однако, первоначальной величины, поскольку некоторые факторы самоуплотнения — карбонизация и механический кольматаж — необратимы.

Опытами ряда ученых установлено, что фактор самоуплотнения цементного камня, обусловленный процессами гидратации и набухания, не зависит от скорости фильтрации воды и проявляется с одинаковой интенсивностью как при фильтрации, так и при безнапорном насыщении бетона. Вторым, практически всегда имеющим место, фактором самоуплотнения является отложение карбонатов в порах бетона. Однако процесс отложения карбонатов охватывает только сравнительно тонкий слой бетона — у напорной грани сооружения, где протекает реакция карбонизации гидрата окиси кальция.

В мягких водах процесс карбонизации не играет большой роли, а в жестких, по-видимому, он определяет скорость самоуплотнения.

При исследовании структуры многолетнего гидротехнического бетона было установлено, что поры в цементном камне и неплотности под зернами заполнителя в кернах бетона, отобранных из крепи с напорной ее поверхности, почти целиком заполнены карбонатом кальция с небольшой примесью минералов цементного камня — эттрингита и брусита.

Из-за карбонизации поверхностного слоя возрастает неоднородность водопроницаемости бетона по сечению. Неоднородность еще больше усиливается при фильтрации воды, содержащей даже небольшое количество взвешенных механических частиц глины, пыли, ржавчины, которые обычно откладываются в порах бетона вблизи напорной грани. При постоянном направлении фильтрации воды механический кольматаж и отложения карбонатов уплотняют главным образом слои, близкие к напорной поверхности крепи. В остальном объеме самоуплотнение происходит только вследствие набухания бетона и продолжения процессов гидратации цемента.



В настоящее время единственным расчетным параметром трещин является ширина их раскрытия. Кроме раскрытия, важное значение имеют форма трещины, ее положение в сооружении, изменяемость размеров во времени и др. Назрела необходимость классифицировать трещины по некоторым общим признакам, увязанным с методикой установления допустимости трещин в сооружении. Было предложено много классификаций трещин. Предлагаемые универсальные классификации трещин отличаются либо чрезмерной схематизацией, лишенной практического значения, либо излишне подробны и громоздки. Для проектирования бетонных и железобетонных крепей стволов шахт с допущением трещинообразования, а также для характеристики трещин при натуральных обследованиях крепи стволов шахт, работающих в суровых условиях окружающей среды, рекомендуется приведенная ниже классификация. Пользуясь этой классификацией, любая трещина при осмотрах крепи стволов шахт может быть исчерпывающе охарактеризована по основным признакам, например, в следующих формулировках: «трещина в монолитной бетонной, сборной железобетонной или монолитной железобетонной крепи ствола шахты, силовая вертикальная, горизонтальная или наклонная, шириной, например, 0,8 мм, длиной 2 м, глубиной 0,3—0,4 м, стабильная, сквозная или несквозная».

Фильтрация в напорных бетонных или железобетонных сооружениях происходит, как правило, в основном по трещинам и швам. Применительно к фильтрации воды наиболее удобной характеристикой проницаемости трещин является коэффициент водопроницаемости трещины.

При значительном отклонении от ламинарного режима для характеристики водопроницаемости трещин может быть использовано значение единичного расхода воды q с указанием конкретного градиента напора.

Исследования зависимости начальной водопроницаемости трещин в бетоне от градиента напора показали, что с увеличением ширины трещины ат и повышением градиента напора возрастает отклонение зависимости между расходом и напором от линейной.

В тонких трещинах раскрытием меньше 0,01 см практически линейная зависимость наблюдается во всем диапазоне создаваемых градиентов напора.

Зависимость начального расхода воды от градиента напора в трещинах бетона при линейном законе фильтрации

в которой ат — ширина раскрытия трещин, см. Коэффициент дисперсии а = 696/(с*см).