Пористость бетона: что это, на что влияет и как её определяют в лаборатории

Что такое пористость бетона и почему она важна для объекта

Бетонная конструкция на первый взгляд выглядит монолитно и непроницаемо. На деле любой затвердевший бетон пронизан микроскопическими и видимыми глазом пустотами – порами. Они образуются неизбежно: часть воды затворения испаряется, цемент даёт усадку, смесь захватывает воздух. Пористость бетона – это доля объёма пор в общем объёме материала, выраженная в процентах. От неё напрямую зависят водонепроницаемость, морозостойкость и итоговая несущая способность. А в Санкт-Петербурге и Ленинградской области, где за зиму набегает до 100 циклов промерзания, пористость приходится держать под особым контролем.

Физический смысл показателя

Пористость – отношение суммарного объёма всех пор к объёму образца бетона, измеряется в процентах. В плотном тяжёлом бетоне класса В25–В30 общая пористость лежит в диапазоне 6–15 %, в зависимости от водоцементного отношения (В/Ц), вида заполнителей и степени уплотнения смеси. Существуют открытые поры, сообщающиеся с поверхностью и между собой, – именно они пропускают влагу. И закрытые, изолированные полости, которые на водопоглощение почти не влияют, но могут работать резервуаром для расширяющегося льда, повышая морозостойкость при правильном распределении.

По своей природе поры делятся на капиллярные – остатки испарившейся воды затворения, контракционные – следствие объёмной усадки цементного геля при гидратации, вовлечённый воздух из добавок, и дефектные раковины от недоуплотнения. Сумма этих пустот определяет, насколько плотна структура цементного камня и насколько интенсивно через неё движется влага.

Чем грозит избыточная пористость на эксплуатируемой конструкции

Каждый дополнительный процент воздушных пор снижает предел прочности при сжатии на 5–8 %. Для фундамента жилого дома в Санкт-Петербурге это может означать разницу между классом В25 и В20 при одном и том же расходе цемента. Избыточная открытая пористость – прямой канал для воды: она проникает в толщу бетона, замерзает, расширяется, и при 50–100 циклах замораживания–оттаивания на поверхности появляются шелушение, отслоения, затем сколы. В гидротехнических сооружениях (набережные Невы, дамбы) вода под давлением заполняет капилляры быстрее, марка по водонепроницаемости W падает.

Пористость также открывает путь агрессивным средам: хлориды дорожных реагентов, сульфаты грунтовых вод, углекислый газ из атмосферы. В результате карбонизация защитного слоя идёт глубже, коррозия арматуры начинается раньше проектного срока. Поэтому пористость измеряют не ради галочки в протоколе. От неё зависит, отстоит конструкция проектные 50 лет или начнёт разрушаться через 15.

Виды пор в структуре бетона

От чего зависит пористость бетона

Водоцементное отношение как главный фактор

Основная масса капиллярных пор появляется, когда вода затворения не связывается цементом. Для полной гидратации портландцемента достаточно В/Ц ≈ 0,2, но такая смесь неукладываема. Практический диапазон В/Ц 0,35–0,65: при 0,4 капиллярная пористость цементного камня составляет 10–12 %, при 0,6 доходит до 25–30 %. Каждая лишняя десятая доля В/Ц оставляет после испарения сеть капилляров шириной порядка 0,01–10 мкм, которые становятся транспортными магистралями для влаги. Формула Фере-ля-Шателье связывает прочность и пористость обратно пропорционально: снижение пористости на 5 % повышает прочность примерно на 15–20 %.

Состав смеси влияет не только через В/Ц. Дефицит мелкой фракции песка (модуль крупности выше 2,5) заставляет добавлять больше воды для удобоукладываемости. В Ленинградской области часто встречается песок с Мкр 2,0–2,2 и повышенным содержанием глинистых частиц, который тоже требует «лишних» литров затворителя. Расход цемента ниже 300 кг/м³ оставляет между зёрнами заполнителя пустоты, которые цементное тесто заполняет не полностью.

Уплотнение, состав смеси и добавки

Виброуплотнение вытесняет воздушные пузыри размером 1–5 мм – те самые, что при недостатке вибрации остаются раковинами на поверхности. Каждые 10 секунд виброобработки снижают воздухосодержание смеси на 0,5–1,0 %, но переуплотнение вызывает расслоение. Гранулометрия заполнителей тоже работает: непрерывная кривая просеивания (фракции 0–5, 5–10, 10–20 мм) даёт плотную упаковку с минимумом межзерновых пустот.

Пластификаторы и суперпластификаторы (например, на основе поликарбоксилатных эфиров) позволяют снизить В/Ц с 0,55 до 0,40 при той же подвижности, что прямо сокращает капиллярную пористость на 8–10 %. Воздухововлекающие добавки намеренно создают закрытые поры диаметром 10–300 мкм, равномерно распределённые в объёме: 4–6 % вовлечённого воздуха снижают прочность на 10–12 %, но повышают марку морозостойкости с F50 до F100 и выше, что для климата Санкт-Петербурга – выгодный обмен. Микрокремнезём (10 % от массы цемента) заполняет мелкие капилляры продуктами пуццолановой реакции, уплотняя переходную зону между цементным камнем и заполнителем.

На что влияет пористость: прочность, морозостойкость, водонепроницаемость

Связь с классом прочности

Прочность бетона при сжатии обратно пропорциональна общей пористости. Лабораторные данные показывают: бетон с пористостью 10 % достигает класса В30–В35, с 15 % – В22,5–В25, с 20 % – В15–В20 при равном расходе цемента М500. Открытые поры работают как концентраторы напряжений: трещина под нагрузкой распространяется по границам пор, путь разрушения короче. Закрытые поры менее опасны, но при объёме свыше 6 % и они снижают несущую способность.

Важный нюанс: прочность определяют на стандартных кубах 150×150×150 мм, формуемых на лабораторном вибростоле 60–90 с. В реальной колонне на стройплощадке режим вибрации иной, пористость может оказаться на 2–3 % выше, а класс бетона – на ступень ниже паспортного. Проектировщики вводят коэффициент условий работы, но фактическую пористость конструкции знает только керновое испытание или лабораторный анализ проб.

Морозостойкость, водопоглощение и долговечность

Морозостойкость – число циклов замораживания при –18 °C и оттаивания в воде до падения прочности на 5 %. Для Санкт-Петербурга нормативное значение для наружных стен F50–F75, для фундаментов и цоколей F100–F150. Открытые капиллярные поры заполняются водой; при замерзании объём льда увеличивается на 9 %, создаётся давление до 200 МПа, стенки пор трескаются. Закрытые поры служат буферными резервуарами, куда вытесняется лишний лёд, снимая напряжения. Поэтому бетон с 4 % вовлечённого воздуха и общей пористостью 14 % может иметь F200, тогда как плотный бетон с 10 % открытой пористости разрушится уже при F50.

Водопоглощение по массе – процент впитанной воды к массе сухого образца – прямо коррелирует с открытой пористостью. Типичное значение 4–5 % соответствует открытой пористости 8–10 %. Марка по водонепроницаемости W (давление воды в атмосферах, при котором образец не пропускает влагу) обратно пропорциональна капиллярной пористости: W4 достижима при открытой пористости до 12 %, W8 требует снижения до 8 %, W12 – до 5 %. В гидротехнических сооружениях Ленинградской области (ГЭС, очистные) проектируют W10–W14, что диктует В/Ц не выше 0,45 и обязательное применение пластификаторов.

Долговечность – способность сохранять эксплуатационные свойства 50–100 лет – зависит от скорости карбонизации и диффузии хлоридов. Карбонизация развивается по закону квадратного корня от времени (коэффициент около 2 мм за корень из года): при открытой пористости 10 % за 25 лет она проникает на 10 мм, при 15 % – на 15 мм. Если защитный слой арматуры 20 мм, коррозия начнётся через 40 лет в первом случае и через 18 лет во втором. Поэтому СП 28.13330 нормирует не только класс бетона, но и максимальное В/Ц (0,55 для умеренно агрессивной среды) и минимальную марку морозостойкости.

Как определяют пористость бетона: методы и ГОСТ 12730.5

Отбор и подготовка образцов

Определение пористости бетона регламентирует ГОСТ 12730.5-2018 «Бетоны. Методы определения показателей пористости». Для лабораторного контроля изготавливают серию из трёх кубов с ребром 100 мм или отбирают керны диаметром не менее 70 мм из конструкций. Образцы твердеют 28 суток при нормальных условиях (температура 20±2 °C, относительная влажность 95 %), затем раскалывают на пластины толщиной 15–20 мм. Половину пластин высушивают до постоянной массы при 105 °C (масса m(сух)), вторую половину насыщают водой в вакуумной камере при остаточном давлении 2 кПа в течение 3 часов, затем выдерживают в воде ещё 24 часа (масса m(нас)).

Для определения истинной плотности твёрдой фазы часть образца измельчают в порошок, проходящий через сито 0,16 мм, и определяют плотность методом пикнометра по ГОСТ 12730.1. Истинная плотность ρ(ист) тяжёлого бетона обычно 2,68–2,72 г/см³. Средняя плотность высушенного образца ρ(ср) = m(сух) / V(обр), где V(обр) – геометрический объём образца, измеренный штангенциркулем с точностью до 0,1 мм.

Расчёт показателей пористости по водопоглощению

Общая пористость П(общ) рассчитывается по формуле:

П(общ) = (1 – ρ(ср) / ρ(ист)) × 100 %.

Открытая пористость П(отк), доступная для воды, определяется через водопоглощение по объёму:

П(отк) = [(m(нас) – m(сух)) / V(обр)] × 100 % = [(m(нас) – m(сух)) / m(сух)] × ρ(ср) × 100 %.

Закрытая пористость П(зак) = П(общ) – П(отк).

Для бетона класса В25 типичные значения: П(общ) 12–14 %, П(отк) 8–10 %, П(зак) 3–4 %. Если П(отк) превышает 12 %, водонепроницаемость и морозостойкость под вопросом.

В строительной лаборатории «Строй-Эксперт» мы проводим полный цикл определения пористости: отбираем керны на объекте, готовим образцы, выполняем вакуумное водонасыщение и расчёты согласно ГОСТ 12730.5. Результат – протокол испытаний с указанием общей, открытой и закрытой пористости, который служит основанием для оценки морозостойкости, водонепроницаемости и прогноза долговечности конструкций. Срок выполнения – 10–14 рабочих дней с момента отбора проб.

Как снизить пористость бетона

Управление В/Ц и уплотнением

Снижение водоцементного отношения с 0,60 до 0,45 уменьшает капиллярную пористость с 20 % до 12 %. Практически это достигается применением суперпластификаторов: дозировка 0,6–1,2 % от массы цемента позволяет сохранить осадку конуса 10–12 см при В/Ц 0,40–0,42. В условиях Санкт-Петербурга летом добавки на основе поликарбоксилатов обеспечивают сохраняемость подвижности 90–120 минут, зимой при +5 °C – до 60 минут, что достаточно для транспортировки и укладки.

Виброуплотнение должно продолжаться до прекращения выделения пузырьков воздуха и появления цементного молока на поверхности. Для смеси осадкой конуса 8–10 см оптимальное время 30–60 секунд на слой толщиной 30–40 см. Глубинный вибратор частотой 200 Гц и амплитудой 0,5 мм погружают на глубину 5–10 см в нижележащий слой, шаг установки 40–50 см. Переуплотнение (более 90 с) вызывает расслоение, цементное молоко всплывает, крупный заполнитель оседает, в среднем слое остаётся зона повышенной пористости.

Добавки, заполнитель и уход за бетоном

Воздухововлекающие добавки (СНВ, СДО) дозировкой 0,01–0,05 % создают 4–6 % закрытых пор диаметром 50–300 мкм, равномерно распределённых в объёме. Это повышает марку морозостойкости с F50 до F150–F200 при небольшом снижении прочности (10–15 %). Для наружных конструкций в Санкт-Петербурге – обязательная мера.

Микрокремнезём (аморфный SiO₂) с удельной поверхностью 15 000–20 000 м²/кг в дозировке 5–10 % от массы цемента связывает гидроксид кальция в гидросиликаты, заполняя капилляры диаметром до 1 мкм. Водопоглощение снижается на 20–30 %, водонепроницаемость растёт с W6 до W10–W12.

Гранулометрия заполнителя: непрерывная кривая просеивания с НК 5–20 мм даёт межзерновую пустотность 28–32 %, прерывистая (5–10 и 20–40 мм) – до 35 %. Первая предпочтительнее. Песок с модулем крупности 2,0–2,5 и содержанием фракции 0,16–0,63 мм не менее 50 % обеспечивает заполнение пустот между зёрнами щебня цементно-песчаным тестом.

Уход за бетоном: первые 7 суток после укладки поверхность укрывают плёнкой или поливают водой 3–4 раза в сутки, чтобы исключить пластическую усадку и образование поверхностных трещин. Влажностный режим критичен: испарение влаги из капилляров останавливает гидратацию, поры не заполняются продуктами твердения. При температуре выше +25 °C скорость испарения достигает 1 кг/м² в час, что требует интенсивного полива. В климате Санкт-Петербурга летом достаточно укрытия плёнкой, весной и осенью – дополнительного полива раз в 8–12 часов.

Часто задаваемые вопросы