Применение гидроизоляционных добавок для защиты железобетонных фундаментов от агрессивного воздействия засоленных грунтов

Основная проблема строительства на засоленных грунтах заключается в коррозийном воздействии этих грунтов на железобетонные конструкции, что сокращает их срок службы. Для защиты фундаментов и повышения их долговечности предлагается использование гидроизоляционных добавок, таких как ARENA EcoMix и SikaControl-3760 WT, которые улучшают водонепроницаемость бетона и его стойкость к агрессивным средам. Лабораторные испытания показали, что использование этих добавок значительно повышает прочность бетона и увеличивает его водонепроницаемость, что важно для эксплуатации в условиях засоленных грунтов.

Ключевые слова: засоленные грунты, агрессия грунта, коррозионная стойкость бетонов, гидроизоляционные добавки.

Проблематика строительства на засоленных грунтах является особо актуальной для Республики Казахстан, учитывая, что примерно треть территории страны занята засоленными почвами, содержащими легкорастворимые соли, такие как нитраты, сульфаты, хлориды, фосфаты, карбонаты и другие, а также среднерастворимые соли, такие как хлорид серебра, карбонат кальция и сульфат бария. При учете территории, на которой встречаются грунты, содержащие труднорастворимые соли (например, карбонат стронция, фосфат кальция, сульфид цинка), можно утверждать, что практически вся территория Казахстана представлена засоленными грунтами [1]. Эти засоленные грунты являются результатом длительных геологических процессов и представляют собой сложные смеси минеральных и органических компонентов различной величины и формы, чьи свойства изменяются под воздействием как природных, так и техногенных факторов. Накопление соли в почвах обусловлено резко континентальным климатом, характеризующимся высокой температурой и значительным несоответствием между количеством осадков, и уровнем испарения, что приводит к снижению естественной влажности почв и повышению концентрации соли в грунтах.

Планы по реализации крупномасштабного строительства в рамках долгосрочной стратегии развития Казахстана предполагают необходимость усиления инновационных подходов в строительной отрасли как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. В связи с этим особое внимание следует уделить совершенствованию технологий фундаментостроения, поскольку от этого зависят технологический прогресс, качество строительства, а также безопасность труда и жизни населения. При эксплуатации объектов строительства на засоленных грунтах происходит активизация коррозионных процессов и если фундаменты и конструкции, контактирующие с грунтом, не обладают достаточной защитой, срок их службы существенно сокращается. Процесс возникновения и прогрессирования коррозионной активности, а также деформаций грунтов, таких как сжимаемость и просадочность, в первую очередь инициируется техногенными факторами, такими как подтопление и повышение уровня грунтовых вод. Одним из эффективных методов повышения стойкости бетона к коррозионным воздействиям в условиях повышенной влажности и солеагрессии является увеличение плотности материала через уменьшение его пористости и формирование закрытой капиллярной структуры, а также придание бетону гидрофобных свойств с использованием специализированных модификаторов.

Для защиты от коррозии и повышения несущей способности фундаментов в агрессивных засоленных грунтах необходимо разработать комплекс защитных мероприятий, который будет включать два основных направления:

1. Улучшение физико-химических свойств засоленного грунта, включая повышение водонепроницаемости и плотности, посредством механического или химического воздействия;
2. Усиление антикоррозионных характеристик бетона через использование специализированных типов цемента, таких как сульфатостойкий портландцемент или шлакопортландцемент, повышение плотности бетона, введение добавок, обеспечивающих марку бетона по водонепроницаемости не ниже W6, применение кварцевого песка в качестве мелкого заполнителя и использование фракционного щебня изверженных пород марки не ниже 800 в качестве крупного заполнителя.

Коррозионная стойкость бетона определяется двумя основными параметрами: проницаемостью материала для агрессивных сред и способностью цементного камня и заполнителей вступать в химические реакции с компонентами этих сред [2].

Были проведены исследования грунтов для строительства технологической насосной станции обогатительной фабрики на месторождении «Шалкия», расположенном в городе Кызылорда.

Согласно результатам инженерно-геологических изысканий 2022 года, были идентифицированы слои грунтов с различным типом засоления: первый слой — супесь, второй слой — глина, третий слой — песок. В отношении содержания водорастворимых сульфатов, глины обладают высокой агрессивностью, а супеси варьируются от неагрессивных до сильноагрессивных к бетону, изготовленному на портландцементе марки W4 по водонепроницаемости. По содержанию водорастворимых хлоридов, влияющих на арматуру железобетонных конструкций, глины и супеси характеризуются от слабоагрессивных до сильноагрессивных. Содержание сульфатов (SO4) в глине составляет 16992,0 мг/кг, хлоридов (Cl) — 1794,0 мг/кг, pH — 6.9, что классифицирует данный грунт как сильнозасоленный с сульфатным типом засоления. В супеси содержание сульфатов (SO4) составляет 3648,0 мг/кг, хлоридов (Cl) — 3864,0 мг/кг, pH — 7.0, что указывает на слабозасоленность грунта с хлоридно-сульфатным типом засоления.

В соответствии с требованиями СП РК 2.01–101–2013 «Защита строительных конструкций от коррозии» [3], для гидроизоляции и защиты бетонных и железобетонных конструкций от агрессивного воздействия грунта необходимо использовать бетон на сульфатостойком цементе с маркой по водонепроницаемости не ниже W16. Согласно установленным нормативам, бетон класса С30/37 обеспечивает марку по водопроницаемости не ниже W12. Для достижения водонепроницаемости марки W16 необходимо добавить в состав бетона гидроизоляционную добавку.

Был проведен анализ двух различных гидроизоляционных добавок согласно табличных данных, приведенных в технических условиях данных добавок «Аrena EcoMix» (ТУ 23.64.10–001–35155041–2017) [4] и SikaControl-3760WT (Техническое описание продукта SikaControl®-3760 WT) [5] представлено в таблице 1.

Анализ гидроизоляционных добавок в бетон

Для проведения лабораторных испытаний с бетоном и добавками в бетон было применено следующее оборудование: прибор комбинированный «Testo 622», штангенциркуль «ШЦ 1–300–0,05», устройство определения водонепроницаемости УВФ 6/104.

Для исследования свойств бетона, при которых будет возможна эксплуатация фундаментов в условиях сильнозасоленных грунтов, были проведены лабораторные испытания следующих добавок в бетон: ARENA EcoMix и SikaControl-3760 WT.

Гидроизоляционная добавка «Arena EcoMix» (ТУ 23.64.10–001–35155041–2017) — это сухая добавка для бетона, состоящая из цемента и модификаторов. Рекомендуемая дозировка — 1 % от массы цемента в смеси. Добавка вводится в виде раствора, для которого требуется 0,6–0,7 л воды на 1 кг сухого вещества. Она реагирует с компонентами бетонной массы, образуя нерастворимые кристаллогидраты, которые заполняют поры и микротрещины бетона, препятствуя проникновению воды. При увеличении гидростатического давления или образовании новых трещин поры восстанавливаются. Основное назначение добавки — улучшение водонепроницаемости, морозостойкости и защита конструкций от агрессивных сред, таких как кислоты, щелочи и сточные воды.

SikaControl-3760 WT — это порошковая гидроизоляционная добавка на основе кристаллических форм, содержащая портландцемент, обработанный кварцевый песок и активные химические компоненты. Эти вещества вступают в реакцию с водой, образуя нерастворимое кристаллическое соединение, которое заполняет поры и капилляры бетона. Материал также обладает свойством самовосстановления при контакте с водой, что позволяет ему заделывать трещины до 0,4 мм. Добавка снижает проникновение воды и других жидкостей в структуру бетона и устойчиво выдерживает как положительное, так и отрицательное гидростатическое давление. Она вводится в бетон на этапе его приготовления, улучшая его устойчивость к климатическим воздействиям.

Бетон, произведенный с добавками и без них, прошел испытания на прочность и на водонепроницаемость.

В добавке SikaControl-3760 WT, согласно инструкции по применению, вес цемента в бетонных смесях составляет 1–2 %. Согласно регламенту «ARENA FORCE» дозировка гидроизоляционной добавки ARENA EcoMix должна составлять 1 % от массы цемента в бетонной смеси.

Материалы, использованные при опытах

Количество материалов в бетоне, гранулометрия заполнителя и особенности свежего бетона приведены в таблицах 2–4.

Таблица 2

Таблица 3

Гранулометрические особенности заполнителя

Таблица 4

Особенности свежего бетона

Проверка давления на затвердевшем бетоне

В лаборатории с помощью химических добавок Arena EcoMix и SikaControl-3760 WT были произведены бетонные кубические образцы размером в 15 см. А также для более наглядного сравнения и результатов был произведен бетонный куб без каких-либо добавок. Произведенные образцы были выдержаны в лабораторной атмосфере при температуре 23°C и в воде при температуре 23°C [6]. Результаты испытаний на давление образцов с добавками и без них представлены в таблице 5, 6. При оценке полученных результатов в смесях бетона с добавками при обоих вариантах выдерживания был зафиксирован спад только после 28-дневного сопротивления и в незначительной степени.

Таблица 5

Результаты испытаний на давление образцов, выдержанных в воздухе

Таблица 6

Результаты испытаний на давление образцов, выдержанных в воде

Для того чтобы произвести испытания на водонепроницаемость были произведены бетонные кубические образцы размером в 15 см с вышеуказанными добавками. Произведенные образцы были выдержаны в лабораторной атмосфере при температуре 23 °C и в воде при температуре 23°C в течение 28 дней [7]. По окончании указанных 28 дней образцы смесей с добавками и без них были подвергнуты испытанию на водонепроницаемость под водой при давлении в 5 бар (см. рисунок 1). Результаты испытаний представлены в таблице 7, а также на рисунках 2–4.

Рис. 1. План испытания на давление под водой

Таблица 7

Результаты испытания на водонепроницаемость под давлением

Рис. 2. Выдерживание образца без добавок в атмосфере (слева) и в воде (справа)

Рис. 3. Выдерживание образца с добавкой ARENA EcoMix в атмосфере (слева) и в воде (справа)

Рис. 4. Выдерживание образца с добавкой SikaControl-3760 WT в атмосфере (слева) и в воде (справа)

Выводы

Показатели испытаний на давление образцов бетонных кубов с добавками ARENA EcoMix и SikaControl-3760 WT, выдержанных на воздухе и в воде, а также испытания на водонепроницаемость под давлением показали, что водонепроницаемость образцов, изготовленных с добавкой ARENA EcoMix по сравнению с бетоном без добавок увеличилась в 20 раз, а прочность увеличилась в 1,1 раза, с добавкой SikaControl-3760 WT водонепроницаемость увеличилась в 5,5 раз, прочность увеличилась в 1,04 раза.

Проведенный анализ различных гидроизоляционных добавок для защиты бетона от коррозии в засоленных грунтах показал, что лабораторные испытания предоставляют более полную информацию, чем характеристики производителей.

Литература:

1. Унайбаев, Б. Б. Защита свай в засоленных агрессивных грунтах / Б. Б. Унайбаев, Б. Ж. Унайбаев, Е. Б. Совет // Механика и технологии. — 2018. — № 4(62). — С. 111–117.
2. Розенталь, Н. К. Бетоны высокой коррозионной стойкости и нормирование их характеристик / Н. К. Розенталь, В. Ф. Степанова, Г. В. Чехний // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. — 2017. — № 3–4(218–219). — С. 14–19.
3. СП РК 2.01–101–2013 Защита строительных конструкций от коррозии.
4. ТУ 23.64.10–001–35155041–2017 Гидроизоляция, защита и ремонт бетона. Технический регламент, предназначенный для гидроизоляции и антикоррозийной защиты монолитных и сборных бетонных и железобетонных конструкций — 2-е изд., переработанное и дополненное ООО «Завод гидроизоляции «АРЕНА», 2018. — 55 с.
5. Техническое описание продукта SikaControl-3760 WT [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: https://a-ing.ru/assets/sika/docs/TDS_SikaControl_3760_WT(MasterLife_WP_3760)_02.24.pdf.
6. ГОСТ 10180–2012 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.
7. ГОСТ 12730.5–2018 Бетоны. Методы определения водонепроницаемости.