Проникающая гидроизоляция

Компания КС Гидро (г. Санкт-Петербург, Россия)

www.ksgidro.ru

Проникающая гидроизоляция

Проникающие (пенетрирующие) составы на цементной основе, как и обмазочные, и напыляемые способы нанесения являются технологиями нового поколения, в отличие от рулонных гидроизоляционных материалов, несмотря на их постоянное совершенствование и развитие.

Бетонные конструкции, выполненные по стандартным технологиям, имеют в своей структуре разветвленную сеть капилляров и микротрещин. Их образование обусловлено многочисленными факторами, такими, как: испарение воды в процессе схватывания бетона, недостаточное уплотнение бетона при заливке, внутренние напряжения, возникающие в процессе гидратации бетона и др. При нанесении на влажный бетон жидкого раствора проникающего материала на поверхности возникает более высокий химический потенциал по сравнению с внутренней структурой бетона. Образовавшаяся разность потенциалов создает осмотическое давление. Благодаря ему активные химические компоненты из раствора проникают вглубь бетона широким фронтом, а на свежем влажном бетоне глубина проникания может достигать нескольких десятков сантиметров. Проникнув вглубь бетона, активные химические компоненты раствора вступают в реакцию с ионными комплексами кальция и алюминия, оксидами и солями других металлов, содержащихся в бетоне. В результате этих реакций в бетоне образуются нерастворимые кристаллогидраты, заполняющие сеть пор, капилляров и трещин до 0,4 мм.

Заполненные нерастворимыми кристаллами поры, капилляры и микротрещины не пропускают воду даже при наличии высокого гидростатического давления благодаря действию сил поверхностного натяжения жидкостей. При этом в бетоне не возникает паровой барьер — в расчетах переноса влаги из-за незначительного по величине переносимого пара им можно пренебречь. Скорость формирования кристаллов и глубина их проникновения зависят от многих факторов, в том числе от плотности и пористости бетона, влажности и температуры окружающей среды.

При исчезновении воды процесс кристаллообразования может приостановиться, но при появлении воды, например, при увеличении гидростатического давления, процесс возобновляется, обеспечивая тем самым дальнейшее увеличение водонепроницаемости — так называемый эффект «самозалечивания» бетона. «Самозалечивание» бетона обеспечивается при невысоких скоростях фильтрации воды физико-химическими процессами, которые связаны с набуханием и гидратацией цементного камня, а также механическим закупориванием неподвижных трещин микрочастицами избетона.
Проникающие материалы, наносимые на тщательно увлажненную поверхность бетонной конструкции с внутренней или с внешней стороны, вне зависимости от направления давления воды, обеспечивают гидроизоляцию всей толщи бетона. Материалы эффективны и при наличии высокого гидростатического давления. Они предотвращают проникновение воды сквозь структуру бетона с шириной раскрытия пор и трещин до 0,4 мм, увеличивают прочность бетона, повышают его водонепроницаемость и морозостойкость на несколько ступеней.

Проникающие материалы защищают бетонные конструкции от агрессивных сред: кислот, щелочей, сточных, грунтовых и морских вод. Обработанные проникающими материалами конструкции придают бетону устойчивость к воздействиям хлоридов, сульфатов, карбонатов, нитратов, бактерий, грибов, водорослей и др. Технология проникающей гидроизоляции предполагает системное использование дополнительных материалов для гидроизоляции стыков, трещин более 0,4 мм, примыканий стены к фундаменту, вводов коммуникаций, а также для ликвидации возможных напорных течей. В ряде случаев, например, при реконструкции подвальных помещений, находящихся в плотной городской застройке, или в новом строительстве применение гидроизоляционных материалов проникающего действия будет не только эффективней, но экономичней по сравнению с применением традиционных технологий и материалов.

Водонепроницаемые бетоны

Использование бетонов с высоким сопротивлением проникновению воды становится все более распространенным и значимым способом гидроизоляции нагруженных сооружений, рекомендованным и востребованным при новом подземном или гидротехническом строительстве. Благодаря свойствам высокого сопротивления проникновению воды специальные бетонные конструкции достаточно надежно защищают сооружения от воздействий влажности грунта, фильтрационной влаги, напорной внешней и внутренней воды с высотой столба до десятков метров, что очень важно при подземном и гидротехническом строительстве. На практике выявлено [2], что для гидроизоляции в подземном строительстве достаточной является толщина водонепроницаемой фундаментной плиты или водонепроницаемых вертикальных стен от 250 мм, чтобы выдержать давление столба воды высотой в несколько метров.

Технология строительства водонепроницаемых сооружений известна из глубокой истории. Так, например, 2 000 лет назад в Древнем Риме из водонепроницаемого бетона opuscaementitium были возведены такие сооружения, как бассейны, плотины, конструкции порта, водопроводы. Некоторые из них сохранились до сих пор. Сегодня этот метод получил новый виток развития с учетом применения техники и технологий более высокого уровня. В российской проектной практике первая попытка использования водонепроницаемого бетона предпринята компанией Hochtief при строительстве тоннеля в комплексе защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений.

При правильном проектировании и планировании, когда учитываются особенности строительной физики и климатологии, при квалифицированном исполнении конструкция получается водоустойчивой. Ранее предполагалось, что в результате воздействия движущих факторов (перепадов влажности, температуры и давления, способности материала к капиллярному впитыванию, диффузии) имеет место перемещение влаги через строительное изделие. Новые исследования показывают, что при толщине бетона более 200 мм с величиной водоцементного соотношения (В/Ц) не более 0,55 данный процесс не происходит. Даже в течение длительного времени фронт высыхания на внутренней стороне стены и водный фронт, проникающий снаружи, не перекрываются. По директиве WU-Richtlinie DAfStb 11/2003 можно исходить из трехмерной модели переноса влаги. Эти параметры и выводы не зависят от гидростатического давления на поверхность.

Для бетона В 30/37 с величиной соотношения В/Ц не более 0,55 имеют место следующие процессы:
1 зона — учитывается влияние находящейся рядом воды: зона делится на наружный участок напорной воды (0–25 мм) и внутренний участок капиллярного просачивания (до 70 мм); взаимодействие поровой воды с цементом приводит к существенному уменьшению капиллярной проводимости;
2 зона — зона ядра — при достаточной толщине изделия в зоне ядра отсутствует перенос (транспорт) воды: здесь не происходит просачивания воды снаружи внутрь, также замедляется продвижение водяного пара;
3 зона — внутренняя поверхность, где образуется зона высыхания (от 40 до 80 мм): излишек влаги в бетонном камне высыхает, превращаясь в часть внутреннего воздуха. В первый же год сухого использования тоннеля устанавливается влажностное равновесие. В третьей зоне бетон приспосабливается к условиям окружающей среды.

Сооружение «белой ванны» требует, кроме использования водонепроницаемого бетона, устройство рабочих и деформационных швов, которые также должны быть водонепроницаемыми. Следует контролировать степень раскрытия трещин и сводить ее до величины 0,20 мм. Это достигается путем увеличения коэффициента армирования и применения арматуры и бетона более высоких классов. Регулирование водонепроницаемости и устойчивости образования трещин производится известными технологическими приемами: введением волоконных полимерных добавок, разбухающих и создающих герметизацию в структуре бетона, использованием растворяющихся полимерных добавок, которые образуют высоковязкий раствор, не смачивающий поверхность капиллярно-пористой структуры, и др. Для этих же целей в технологии бетона применяются современные нанодобавки.

Требуется особое качество возведения конструкций и уплотнения бетона, а также квалифицированный уход за бетоном, так как расслаивание бетонной смеси не допускается. Преимущества гидроизоляции из бетона с высоким сопротивлением проникновению воды определяют:

простота конструкции (по сравнению «белой ванны» с «черной ванной»);
— совмещение уплотняющей и несущей функций;
— меньшая зависимость от погодных условий;
— сокращение сроков строительства, так как отпадает этап устройства гидроизолирующего покрытия;
— большие возможности обнаружения и устранения негерметичных мест.

К недостаткам «белой ванны» можно отнести:
— обеспечение наличия минимума трещин в водонепроницаемых железобетонных деталях;
— необходимость проектирования системы швов для снятия нагрузок и тщательного их уплотнения;
— требование высокой культуры, организованности и ответственности в устройстве опалубки, армирования, швов, организации бетонирования;
— непрерывный контроль заданного соотношения В/Ц и процесса увлажнения бетона до набора прочности;
— отсутствие свойств парового барьера.

Дополнительные вопросы обеспечения гидроизоляции водонепроницаемым бетоном

Из-за разности температур поверхности стены и воздуха внутри помещения бетонные подземные сооружения, вне зависимости от выбранной гидроизоляции, могут образовывать на поверхности конденсат, не связанный с проникающей влагой. Если помещения подземных этажей эксплуатируются, а к ним предъявляются требования по обеспечению нормального и сухого микроклимата, то рекомендуется выполнение теплоизоляции внешних стен. При наличии воздействий химической среды или агрессивных грунтовых вод разрабатываются специальные мероприятия по защите бетона и гидроизоляции. Следует отметить, что межгосударственным стандартом ГОСТ 31384-2008 (Приложение Г, табл. Г1, Г2) установлены требования к бетонам и железобетонным конструкциям по минимальным расходам цемента и классу прочности, по максимальному соотношению В/Ц в зависимости от классов сред воздействия при эксплуатации, а также требования к бетонам по морозостойкости и водонепроницаемости для работы в условиях знакопеременных температур.

Объективное экономическое сравнение технологий «белой ванны» и «черной ванны» требует от проектировщика глубоких знаний этих технологий, поиска альтернативных специальных предложений, выгодных цен и условий. Расходы на «белую ванну» не ограничены лишь стоимостью водонепроницаемого бетона, но учитывают технологию производства и доставки бетона, исполнение процесса. Определенную роль играют размер и тип строящегося сооружения. При правильной организации процесса по затратам чаще выгоднее «белая ванна». Это не единственный плюс для заказчика. С точки зрения подрядчика одним из важнейших преимуществ является меньший риск образования трещин — даже если они образуются, то дефекты проще выявить и устранить не только во время строительства, но и в процессе дальнейшей эксплуатации объекта.

Реализация проекта строительства объекта из водонепроницаемого бетона — это комплекс задач, увязывающий взаимодействие и интересы всех участников проекта на этапах организации, менеджмента и выполнения технических задач.

Планирование:
— подготовка разрешительной документации;
— тендер и распределение портфеля заказов.
Проектные работы:
— генеральный план;
— архитектурные решения;
— подготовка и организация строительства.
Конструкторские работы:
— расчеты соответствия статическим требованиям;
— расчеты фундаментов и несущих конструкций;
— снятие возможных напряжений исключением из конструкций таких элементов (ниши, углубления или выступы);
— проектирование деформационных и рабочих швов с выбором оптимальных систем;
— расчет рациональной плотности расположения арматуры;
— применение резьбовых муфт для стыковки арматуры;
— планирование отвода тепла, выделяемого при гидратации;
— проектирование мест прохода коммуникаций.
Бетонирование:
— разработка рецептуры и испытание образцов бетонных смесей;
— организация по рецептуре производства бетона с постоянным текущим контролем его качества;
— установка арматуры и монтаж секционных систем опалубки;
— укладка всех видов запланированных швов;
— транспорт и укладка бетона с контролем высоты укладки и распределения по крупности зерна;
— устройство незапланированных рабочих швов;
— организация отвода тепла гидратации и ухода за бетоном;
— устранение дефектов фильтрации с помощью запланированной инъекционной системы.

Водонепроницаемый бетон образует плотную структуру с минимальным количеством капиллярных пор при оптимизированном содержании в рецептуре цемента в качестве вяжущего. Пористость в структуре бетонного камня образуется за счет излишка воды, не участвующего в процессе гидратации, и испаряющейся воды. У бетонов с высоким сопротивлением проникновению воды при толщине конструкции ≤400 мм водо-цементное отношение В/Ц не должно превышать 0,6 (оптимальное значение — 0,55). Устойчивый процесс гидратации не допускает преждевременного высыхания, поэтому получение качественного бетона достигается правильной своевременной обработкой и уходом за ним. Допускаемое содержание капиллярных пор для водонепроницаемого бетона не должно превышать 25%. Исследования [8–10] показали, что погруженные в воду бетоны с такой характеристикой водонепроницаемости образуют капиллярную зону глубиной до 70 мм, в которой наблюдается впитывание воды. За пределами этой зоны капиллярный перенос воды не происходит.

Перенос диффузией водяного пара отличается от процесса, происходящего, например, на наружных фасадных конструкциях, в которых диффузия идет в направлении от поверхности теплой стены в сторону холодной. В водонепроницаемом бетонном элементе направление диффузии в значительной степени определяется не направлением градиента температур, а разницей в парциальном давлении водяного пара, который всегда больше снаружи, чем внутри бетонного элемента.

В бетонных конструкциях толщиной более 200 мм перенос влаги с поверхности наблюдается в начальный период, когда еще не завершилась гидратация. В дальнейшем в середине бетонного элемента перенос (транспорт) воды становится настолько незначительным, что им можно пренебречь. Образующаяся краевая зона сушки шириной приблизительно в 80 мм не пересекается с образованной капиллярной зоной шириной 70 мм. Расчетный поток диффундирующего водяного пара [5–6] в элементах из водонепроницаемого бетона в грунте и грунтовой воде на порядок меньше основного влажностного, и его тоже можно не учитывать.

В Германии в течение 100 дней изучался опыт 9-летней эксплуатации подвальных помещений, заглубленных примерно на 1,6 м, в 80-ти жилых домах [5, 11] в пойме реки Маас. Толщина внешних стен — 175 мм, фундаментной плиты — 2,05 м, они были выполнены из водонепроницаемого бетона В45. Подвалы использовались как отапливаемые помещения для занятий хобби и комнаты для гостей. Негидроизолированные внутренние бетонные поверхности помещений для занятий хобби покрыты однокомпонентным дисперсионным лаком, обшивка гостевых комнат выполнена теплоизолирующим материалом толщиной 50 мм с отступом от стены.

По результатам проведенных исследований были сделаны следующие выводы:
— все объекты без ограничений использовались с полным комфортом в течение 9 лет;
— несмотря на наличие пароизоляционных покрытий, ни в одном случае не было обнаружено воды на поверхности бетона;
— ни в одном из помещений не была зафиксирована повышенная влажность;
— вентиляционные зазоры под внутренней теплоизоляцией являются недостаточным решением и без устройства дополнительной вентиляции не гарантируют необходимый воздухообмен и отсутствие образования плесени.

Основное из требований к фундаменту и несущим конструкциям состоит в обеспечении долговечности железобетона на соразмерный срок службы. Согласно немецким нормам DIN EN 206-1, установлен предполагаемый минимальный срок службы 50 лет. Считается, что бетонное изделие соответствует требованиям по предполагаемому сроку службы и эксплуатационной пригодности в рамках предельных значений соответствующего класса воздействий.

Все виды гидроизоляции, перечисленные в аналитическом обзоре, могут применяться в инженерной практике строительства зданий и сооружений согласно уровню предъявляемых функциональных требований и технико-экономических задач. Выбор рациональной схемы внешней и внутренней гидроизоляции для конкретных условий с технических, экономических и экологических позиций должен базироваться на детальных обследованиях гидрогеологических условий и технико-экономическом обосновании сравнительных вариантов инженерных проектных решений.