Как называется процесс твердения бетона
Что такое гидратация цемента и для чего нужно знать процессы, происходящие с ним
Гидратация цемента – это процесс прохождения реакции между компонентами смеси и водой. Без воды бетонный раствор получить не удастся, так как именно при ее добавлении начинается стадия схватывания цемента, а потом и твердения. Эти два этапа считаются основными для приобретения смесью заявленных характеристик (в первую очередь прочности, а также других важных параметров).
Согласно стандартам, начало схватывания портландцемента должно наступать через 45 и более минут после замеса смеси. После того, как процесс схватывания завершился (до 3 часов по регламенту), начинается твердение цементного раствора. Это более длительный процесс, который может занимать годы.
Марочной прочности бетонная смесь достигает через 28 дней, но и по истечении этого периода процесс твердения и набора камнем прочности продолжается.
Знать о том, каким образом проходит схватывание и твердение портландцемента, нужно обязательно. Уделив внимание этим этапам, удастся избежать ошибок при замесе и заливке, которые часто приводят к потере раствором клеящей способности, понижению прочности, деформациям и другим неприятным последствиям. Немаловажны эти знания и для производства, использования разнообразных добавок к цементу, которые меняют определенные характеристики и свойства монолита, способны продлевать или сокращать стадии.
Гидратация – что это такое
Гидратация цемента – это физико-химический процесс связывания воды и ингредиентов цементного порошка. Тут стоит внимательнее изучить состав цемента и понять, каким образом взаимодействуют с водой различные компоненты, как они влияют на сроки схватывания цемента и другие характеристики.
Компоненты, входящие в состав цемента:
Влияние компонентов на гидратацию:
Все минеральные составляющие цемента важны для его качества и правильного прохождения процесса гидратации. При смешивании портландцемента с водой в составе сразу создаются новые внутрикристаллические связи, демонстрирующие постепенно нарастающую прочность и доводящие бетон до состояния искусственного камня.
Ввиду того, что сроки схватывания цемента невелики и составляют в норме от 45 до 90 минут, готовить смесь нужно непосредственно перед использованием, чтобы успеть залить и выполнить все работы до начала достижения реакцией того этапа, когда работать со смесью уже невозможно (трудно заливать) или бесполезно (понижается уровень прочности).
Для полного прохождения реакции гидратации соотношение объемов цемента и воды обычно берут равное 3:2. Химически связывается до 25% молекул воды, остальные же остаются в гелевых порах бетона, пребывая в физически связанном виде. Уменьшение объема воды приведет к неполной гидратации, повышение – к появлению капиллярных пор в процессе связывания, что понижает прочность. Точные объемы составляющих всегда указываются в инструкции к цементу или рецептуре приготовления конкретной марки бетона.
Схватывание цемента
Стандартные сроки схватывания цемента:
Существуют разные типы цемента, которые выделяют в соответствии со временем схватывания. Медленный цемент начинает схватываться по истечении 2 часов после замеса, средний – через 45-120 минут, быстрый – через 45 минут. Даже если условия неблагоприятные для прохождения реакции, цемент схватывается максимум за сутки.
После того, как бетон схватился, он еще не обладает всеми параметрами по стандарту и продолжать строительные работы запрещено. Бетон может разрушаться даже при минимальных нагрузках, терять характеристики, неравномерно застывать и т.д. Поэтому в процессе набора прочности цемента нужно прекратить работы и обеспечить идеальные условия.
Процесс твердения цемента
Это второй и более длительный этап, который следует сразу за схватыванием. Твердеть цемент может на протяжении многих лет. Максимальных (100%) показателей прочности смесь достигнет через несколько лет, но уже через 28 суток набирает большую часть (до 90-95%), пригодных для выполнения дальнейших работ и эксплуатации.
Обычно процесс твердения цемента запускается через сутки после начала реакции гидратации. Сначала бетон не прочный и подвержен негативному воздействию среды: частицы цемента уже кристаллизировались, скрепили заполнитель смеси вокруг себя, но пока связи чрезвычайно хрупкие и могут легко разрушиться.
Минимальные механические воздействия разрушают связи и восстановлению они не подлежат. Так, если походить по твердеющей стяжке, соединения разрушатся и уже никогда не схватятся: в местах, где было воздействие, в скором времени бетон начнет высыпаться, трескаться и крошиться.
Для обеспечения нормальных характеристик бетона застывания его нужно дожидаться правильно – в первые 14-20 дней создать влажную среду, брызгать водой при необходимости, защищать от ультрафиолета. Бетон должен застыть, но никак не высохнуть (в таком случае не избежать трещин, деформаций, увеличения усадки и других неприятностей).
Гидратация цемента – самый важный процесс, который должен проходить по технологии. Поэтому до начала работы с раствором необходимо правильно определить водо-цементное отношение, пропорции компонентов, изучить инструкцию и обеспечить раствору идеальные условия для прохождения всех реакций.
Как происходит твердение монолитной конструкции
Для создания прочного монолита после заливки фундамента нужно знать, сколько времени происходит застывание бетона. Высушивание стяжки, штукатурки или фундамента должно быть организовано правильно. Для этого важно понимать многоступенчатый процесс полимеризации.
Скорость твердения бетона
В процессе схватывания и набора прочности бетон твердеет, происходит полимеризация состава. Для нормального испарения влаги важен не только уровень температуры, но и показатель атмосферной влажности. Полимеризация предполагает следующие основные состояния, через которые должен пройти выложенный в форму бетон.
Скорость схватывания зависит не только от свойств компонентов, из которых состоит бетон, но и от внешних условий. Бетон с содержанием пористых наполнителей, например, шлака или керамзита, застывает медленнее, чем раствор на основе гравия.
Процесс полимеризации бетона
Рассмотрим процесс полимеризации строительной смеси на основе цемента и ПГС, приготовленной для заливки фундамента. После заливки смеси в заранее подготовленную опалубку происходит реакция, в которой взаимодействуют вода с раствором текучей консистенции. В результате бетон приобретает структуру и начинает набирать прочность.
Быстрота схватывания раствора зависит от температуры. Например, продолжительность этого этапа полимеризации бетона на основе цемента М200 при температуре +20°C составляет 2 часа. После этого наступает стадия отвердения или реакция, при которой происходит взаимодействие цемента и воды в растворе.
Скорость протекания процесса цементной гидратации возрастает при температуре +15 … +20 °С и показателе атмосферной влажности, составляющем 75%. Если температура воздуха составляет менее +10 °С, то в бетон лучше сразу добавлять специальные антиморозные добавки.
Контроль за твердением смеси
Контролировать плотность укладки позволяет трамбовка. Бетон в опалубке при строительстве крупных объектов лучше подвергать виброобработке, а для утрамбовки своими руками подойдет способ штыкования. Методы, позволяющие уплотнять бетон, замедляют процесс отвердения состава после схватывания по причине медленного испарения влаги из него.
Бетон затвердевает со скоростью, которая зависит от надлежащего ухода за конструкцией фундамента. Уложенный на участке бетон следует закрыть гидроизоляционной пленкой, чтобы уменьшить процесс испарения влаги сразу после окончания этапа схватывания. Пленку следует убирать раз в 3 дня, проверяя бетон на предмет появления трещин в нем.
Поскольку бетон в фундаменте после схватывания твердеет более недели, то удаление съемной опалубки можно производить спустя 8-10 суток. В дальнейшем бетон сохнет без опалубки под пленкой. Гидроизоляцию можно окончательно убрать через 20 дней. В любом случае средняя продолжительность отвердевания бетона составляет 28 суток. На практике надежность создаваемого монолита зависит от качества бетона и марки смеси.
Твердение бетона после заливки
Твердение бетона после заливки неизбежный процесс. Качество залитого бетонного изделия напрямую зависит от мероприятий проведенных в момент твердения бетона.
После укладки и начала схватывания бетон выстаиваться в условиях, которые обеспечивают набор нужной прочности и качества.
Твердение бетона – это сложный физико-химический процесс взаимодействия воды и цемента, результатом которого станет возникновение новых соединений. Проникновение воды в частицы цемента происходит постепенно, что и является причиной долгого набора прочности.
Большое значение при наборе прочности имеет влажная среда. Бетон, который твердеет во влажных условиях значительно прочнее твердеющего в сухом пространстве. При сухой среде вода быстро испаряется из бетона и его твердение замедляется или совсем останавливается. В связи с этим, преждевременное высыхание бетона, до достижения нужной прочности допускать нельзя.
Усадка бетона
В период выдерживания вода в середине бетона перемещается и выпаривается в наружную среду, в связи с этим происходит уменьшение объема, то есть усадка. Этот процесс происходит не равномерно, и появляются небольшие усадочные трещины. Трещинообразование также происходит и от неравномерного разогрева бетона вследствие выделения теплоты при процессе гидратации цемента. В свою очередь трещины значительно влияют на качество, долговечность и прочность конструкций.
На интенсивность твердения бетона так же влияет и его температура. При температуре ниже нормальной (20 + 2 градуса) процесс замедляется, а при отрицательной температуре практически останавливается. При повышении температуры, в условиях достаточной влажности твердение ускоряется.
Факторы отрицательно влияющие на твердение бетона
К ухудшению качества конструкции так же приводят удары и вибрация в начальном периоде его твердения – они нарушают вновь созданную структуру.
Для того чтобы бетон набрал нужное качество и прочность, за ним нужен надлежащий уход. Нужно поддерживать температурный режим твердения, предотвращать возникновение температурно-усадочных деформаций и трещин, оберегать твердеющую конструкцию от механических воздействий.
Не соблюдение условий твердения бетона может привести к получению конструкции низкого качества, а иногда и к ее разрушению. Это может случиться и при условии укладки качественного бетона и правильно выполнении всех бетонных, арматурных и опалубочных работ. Особенно важно ухаживать за твердеющим бетоном во время первых дней после укладки.
Рекомендации по уходу за свежезалитым бетоном
Для предотвращения появления трещин проводят укрывание бетона и полив не позже чем через 10-12 часов, а во время ветреной погоды или жары через 2-3 часа после укладки (эти нормы не касаются ухода за бетоном в при жарком сухом климате и зимой). В летнее время, в условиях умеренной климатической зоны, при сухой теплой погоде, бетон на основе обычного портландцемента поливают на протяжении 7 дней, на глиноземном – 3 дня, а на шлакопортландцементе в течение 14 суток. Если температура воздуха более 15 градусов в первые три дня в дневное время бетон поливают каждые три часа, а в ночное время один раз. Далее, полив проводят не меньше трех раз в сутки. Если поверхность бетонной конструкции предварительно накрыть материалом, который удерживает влагу, например брезентом или матами, перерывы между поливом могут быть увеличены в 1,5 раза. Бетон, поверхность которого укрыта защитной полиэтиленовой пленкой не поливают, так же полив не проводится при температуре воздуха от +5 до 0 градусов.
Чем накрыть бетон
Самым распространенным методом укрывания бетона считается использование материалов, которые удерживают влагу, маты, рогожа, песок. Но в большинстве случаев перекладывание этих материалов и поддержание их во влажном состоянии процесс трудоемкий и не годится при выполнении больших объемов бетонирования. Более эффективным считается использование водонепроницаемых пленок, например полиэтиленовых, а также в соответствии с эксплуатационными требованиями пленкообразующих материалов, желательно светлых тонов. Для устройства такой защиты применяются стандартные пленкообразующие материалы (ПМ), а так же лак этиноль, битумные эмульсии. Пленки темного цвета, после их формирования лучше осветлять, это можно делать водным растворам мела. Летом бетон укрывают от солнечных лучей, а зимой от воздействия мороза.
Для предотвращения вредных нагрузок на бетон движение по нему людей, установка риштовки или опалубки допускается только после достижения прочности не менее 1,5 МПа.
Ускорение процесса твердения бетона
Продолжительность твердения бетона имеет большое значение. Этот процесс нужно активизировать в случае ранней эксплуатационной нагрузки конструкции, уменьшения сроков распалубливания, при бетонировании зимой и в жарких условиях.
Темп набора прочности бетоном зависит от вида цемента, наличия химических добавок, которые влияют на процесс твердения и температуры, при которой он происходит.
Применение бетона на быстротвердеющем цементе обеспечивают скорость нарастания прочности в ранний период твердения (1…3 суток). Обычно они используются для проведения ремонтных работ и устройства стыков в сборных конструкциях.
Добавки, которые ускоряют твердение бетона, вводят во время его приготовления, в зависимости от массы цемента. Количество сульфата натрия не должно превышать 2 %, нитрата натрия, нитрата кальция, нитрит-нитрата кальция – 4 %, хлорида кальция в бетонах неармированных конструкций – 3 %, в армированных конструкциях – 2%. Добавки, для ускорения твердения, не применяют для бетонов на глиноземном цементе, в конструкциях армированных термически усиленной сталью, и напряженной арматурой, а так же в конструкциях, находящихся в зоне действия блуждающих токов.
Процесс твердения можно ускорить и тепловой обработкой – электропрогревом, контактным обогревом термоопалубкой, а в зимних условиях другими методами. Продолжительность воздействия электропрогрева в обычных и жарких условиях от 3…8 часов, после чего конструкция набирает прочность самостоятельно.
Дополнительные затраты на увеличение скорости твердения бетона компенсируются повышением темпов и качества работ и снижением затрат по уходу за бетоном.
Важная величина: как узнать время схватывания бетона
Бетон – один из наиболее применяемых в современном строительстве материалов благодаря прочности, доступности, разнообразию видов и методов обработки.
Замешанное из цемента и воды с добавлением заполнителей «тесто» может принимать любую заданную форму и, в результате твердения, образовывать прочный, долговечный материал – цементный камень.
Стадии набора прочности бетона
Как происходит превращение подвижного раствора в твердое вещество?
Чтобы понимать этот процесс, нужно представлять состав бетона.
Главным компонентом бетонной смеси является портландцемент. Это вяжущее составляющее, в основе которого 4 минерала:
C2S двухкальциевый силикат,
C3S трёхкальциевый силикат,
C3A трёхкальциевый алюминат,
C4AF четырёхкальциевый алюмоферрит.
Для приготовления бетонной смеси портландцемент смешивается с водой и заполнителями (шлак, гравий, щебень, песок). Иногда в смесь добавляются те или иные присадки, в зависимости от желаемых свойств бетона.
Минералы, входящие в состав цементного клинкера, при смачивании водой вступают в реакцию гидратации, в процессе которой образуются новые соединения, и бетон образует кристаллическую структуру.
Таким образом, твердение бетона – это кристаллохимический процесс.
В твердении бетона выделяют две стадии:
Бетон начинает схватываться уже через 2 часа, а через 60 минут после начала процесса он уже схватится. Пока бетон не схватился, его подвижность сохраняется.
Иногда, при невозможности немедленно заняться укладкой бетона, смесь слишком долго перемешивают, чтобы она не схватывалась. Это влияет на качество бетона не лучшим образом.
После того, как бетон схватился, начинается процесс твердения.
Сколько времени требуется на застывание
Полное отвердевание бетона может продолжаться многие месяцы, но во время строительных работ нужны определенные ориентиры, которых можно придерживаться.
Расчетной прочностью бетона называют ту прочность, которую бетон определенного класса достигает при нормальных условиях через 28 дней.
Срок твердения бетона без добавок
Как быстро бетон наберет прочность, зависит от многих факторов. В нормальных условиях скорость отвердевания бетона без добавок зависит от класса бетона.
В быту до сих пор встречается словосочетание «марка бетона». Оно ошибочно: по маркам классифицируется цемент, а бетон подразделяется на классы.
Таблица 1. Старая и новая маркировка бетона
Факторы, влияющие на твердение цементного раствора
Срок застывания бетона зависит от различных факторов:
качества исходных материалов;
температуры и влажности воздуха;
обработки бетона (утрамбовывание, виброобработка);
использования специальных добавок.
Согласно ГОСТ, нормальными условиями твердения бетона являются:
температура воздуха 18–22°С;
относительная влажность воздуха 100%.
При изменении температуры меняется и скорость затвердевания бетона. При повышении температуры в диапазоне 0°С – 100°С каждые 10°С повышения температуры увеличивают скорость протекающих процессов в 2–4 раза.
График твердения бетона при разных температурах
Когда температура становится выше, схватывание и отвердение бетона ускоряются; при понижении температуры – замедляются. При температуре ниже 5° С процесс набора прочности резко замедляется, а при отрицательных температурах прекращается.
Уменьшение влажности воздуха замедляет процесс застывания, поскольку бетон быстрее сохнет, и воды становится недостаточно для гидратации.
Способы регулирования скорости отвердевания бетона
В зависимости от задач, может потребоваться увеличить или снизить скорость твердения бетона. Можно повлиять на процессы температурно или химически.
Ускорение твердения
Для увеличения скорости твердения, применяют:
снижение водоцементного соотношения (повышение жесткости смеси, что снижает удобоукладываемость);
добавление в бетон специальных добавок-ускорителей.
Замедление твердения
Когда может понадобиться замедление отвердевания:
при изготовлении высокомарочных смесей, которые застывают очень быстро из-за повышенного содержания вяжущего компонента;
при необходимости транспортировки готовой смеси на дальние расстояния;
при заливке бетона в несколько этапов.
В этих случаях применяют специальные добавки, которые замедляют реакцию гидратации и гидролиза минералов клинкера, откладывая процесс схватывания на несколько часов.
Как узнать точное время затвердевания бетона?
Сроки полного отвердевания разных видов бетона варьируются в зависимости от состава. Примерное представление о продолжительности процессов твердения бетона с использованием марок цемента М200, М250, М300, М400, М500 и так далее, можно узнать из статей, графиков, специальных таблиц.
Таблица 2. Время застывания бетона на портландцементе М400, М500
Для того чтобы точно узнать, сколько времени понадобится, чтобы получить расчетную прочность бетона, используются два метода:
Узнать точные данные в лаборатории производителя.
Вызвать технолога на объект для взятия проб. Для образцов используют кубические отливки со стороной 10 см, которые должны твердеть в тех же условиях, что и основная конструкция. Затем проводятся испытания разрушающими методами, которые точно показывают марочную прочность бетона и сроки его схватывания и полного отвердевания.
Время застывания бетона в опалубке
Своевременная распалубка бетона повышает оборачиваемость оборудования для опалубки и оптимизирует сроки строительства.
Распалубочной прочностью называют прочность, достаточную, чтобы снять опалубку и дать стартовую нагрузку. Обычно она составляет 70% от расчетной прочности (или другую величину, оговоренную в проектной документации).
Современные бетоны с добавками могут достигать распалубочной прочности за 1–2 дня.
Сколько времени бетон застывает в воде
Твердение в воде – лучшие условия для набора прочности бетона. Непрерывное выдерживание в воде способствует более интенсивному увеличению модуля упругости, чем твердение на воздухе.
При выдерживании бетона на воздухе, на его поверхности, в результате обезвоживания, прекращается реакция гидратации, и образуются ячейки и поры; застывший на воздухе цементный камень имеет больше дефектов структуры, меньшую плотность и более высокую подверженность коррозии.
Уход за бетоном после заливки
Уход за бетоном имеет цель создать такие условия твердения, при соблюдении которых бетон будет набирать заданную прочность с нужной скоростью, а его структура будет максимально качественной.
Для оптимизации процесса отвердевания решающее значение имеет обеспечение правильной температуры и высокой влажности.
После укладки бетонной смеси и ее уплотнения (если таковое производилось), проводятся специальные мероприятия по уходу за бетоном.
Защита от испарения влаги
Для защиты от пересыхания поверхность бетона закрывают водонепроницаемыми материалами, такими, как пленка, брезент, в некоторых случаях, слой опилок или песка, который постоянно смачивают.
Обеспечение равномерной температуры
При заливке массивных конструкций (например, плит фундамента) возникает еще одна проблема – температурный градиент.
Реакции гидратации происходят с выделением тепла. В массивных конструкциях возникает разница между температурами в толще бетона и на его поверхности. В толще слоя бетона температура может достигать 50–80°С. Если разница с температурой поверхности превышает 20–30°С, может произойти разрыв структуры бетона, что влечет интенсивное образование трещин на внешней стороне конструкции и потерю прочности.
Чтобы предотвратить градиент температур, необходимо снизить температуру всей конструкции. Для этого, после укрытия паро- или водонепроницаемым материалом, на поверхность бетона льют холодную воду, меняя ее после нагрева.
Снижение температуры не должно быть резким. Допускается снижать ее на 1–2° С в час, а для некоторых типов конструкций не более, чем на 12–13°С в сутки (эта информация указывается в регламенте).
Защита от охлаждения
Критической прочностью называют прочность в зимнее время, по достижении которой замерзание воды в порах бетона уже не носит разрушающий характер (обычно 30-50% от расчетной прочности).
Используются разные методы сохранения тепла:
Прогрев электродами или инфракрасным излучением (последнее технологически сложно).
Установка тепляков с прогретым воздухом.
Использование сохраненного тепла реакции гидратации («тепловой осмос» или «метод термоса), для которого поверхность бетона укрывают теплоизоляционными материалами, такими, как минераловатные плиты, рулонные материалы в несколько слоев.
Противоморозные добавки. Если раньше использовался хлорид кальция, сейчас его применение, как и других хлоридов, не рекомендуется из-за агрессивного воздействия на арматуру. Чаще используют формиат кальция или натрия и другие соли-электролиты, снижающие температуру замерзания воды либо готовые комплексные добавки, обладающие не только противоморозным, но и пластифицирующим действием.
Применение добавок-ускорителей совместно с тепловой обработкой. В этом случае добавки нужны для быстрого достижения критической прочности, затем, при помощи согревающих или сохраняющих тепло мероприятий, обеспечивается оптимальная температура до достижения расчетной прочности бетона.
Надо ли поливать бетон водой?
Поскольку водная среда оптимальна для завердевания, полив бетона водой целесообразен, но только в летнее время, особенно, в жаркую погоду. Интенсивное обеспечение влажности позволяет снизить вероятность появления дефектов.
Набор прочности бетона – сложный химический процесс, который зависит от множества факторов. Для оптимизации строительных работ используются методы тепловлажностной обработки бетона. Современное решение – использование специальных добавок, регулирующих скорость отвердевания.