Схватывание и твердение бетона

Когда бетон взаимодействует с водой, он твердеет и становится цементным камнем. Однако для влияния на этот процесс необходимо понимать, что происходит: как проистекает твердение, от каких факторов оно зависит. Изучение стадий гидратации позволяет ученым создавать добавки для бетона, ускоряющие схватывание и улучшающие его свойства.

Выгоды от применения добавок

Предприятия, производящие железобетонные изделия или выпускающие товарный бетон, пользуются упомянутыми добавками и получают ощутимые преимущества. Ведь добавки позволяют:

Стадия схватывания бетона

Эта стадия занимает небольшой отрезок времени – несколько часов. Сколько именно будет проходить схватывание, зависит от температуры окружающей среды. Эталоном считается температура 20 градусов Цельсия – это так называемая расчетная температура. Она позволяет бетону/цементу схватиться через 2 ч после затворения раствора. Сам процесс схватывания занимает 1 ч. То есть примерно через 3 ч после затворения можно сказать, что бетон/цемент схватился. Но если температура равна 0 градусов, данная стадия занимает 15-20 ч. Да и начало схватывания при нулевой температуре приходится на 6-10-й час после затворения смеси. А вот при высоких температурах картина обратная – пропаривание ЖБИ в специальных камерах позволяет ускорить схватывание до 10-20 мин.

На этой стадии можно помешать бетону/цементу окончательно твердеть. Ведь раствор еще остается подвижным, и если его постоянно помешивать, процесс схватывания затягивается – действует механизм тиксотропии. Поэтому раствор доставляют в бетоносмесителе, осуществляющем непрерывное вращение смеси. Так сохраняются ее основные свойства, а будущая надежность и прочность бетона/цемента ничуть не уменьшается.

Однако чрезмерное затягивание времени вращения негативно сказывается на качественных характеристиках бетона/цемента. К сожалению, такие случаи бывают – когда форс-мажорные обстоятельства не позволяют вылить раствор в опалубку, и смесь приходится перемешивать в бетоносмесителях в течение 10-12 ч. Особенно неприемлемы подобные ситуации при жаркой погоде, ведь высокая температура воздуха способствует быстрому схватыванию бетона/цемента. Непрерывное вращение не дает смеси твердеть, однако в ней происходят необратимые изменения, отнюдь не улучшающие эксплуатационные характеристики.

Стадия твердения бетона

Как только стадия схватывания бетона/цемента закончена, наступает стадия твердения. Смесь лежит в опалубке, она схватилась и теперь твердеет. Поскольку в нормативах прописано время твердения 28 дней, многие считают, что это окончательный срок. На самом деле процесс твердения и набора прочности товарного бетона или ЖБИ идет годами. 28 суток – это регламентированный срок, позволяющий использовать бетонные изделия с некоторой гарантией. За эти четыре недели прочность бетона/цемента нарастает весьма динамично, а далее увеличение твердости происходит малыми темпами. Так получается благодаря входящим в состав смеси компонентам, обеспечивающим ее гидратацию.

Компоненты бетона

При затворении цементного/бетонного раствора его основные компоненты вступают в реакцию с водой. На стадиях схватывания и твердения их поведение значительно различается. Одни ингредиенты сразу же при затворении вступают в реакцию с жидкостью, другие – спустя время, третьи не проявляют активности вовсе. Вот компоненты бетонной/цементной смеси:

Роль трёхкальциевого силиката

Минерал C3S (формула 3СаО х SiO2) способствует нарастанию прочности бетона/цемента не только в течение 28 дней, но и гораздо дольше. Хотя, конечно, наиболее значимый вклад в дело прочности С3S делает в первый месяц существования бетонной или железобетонной конструкции. Трёхкальциевый силикат выделяет тепло, когда в смесь добавляют воду, затем нагревание прекращается на непродолжительное время и возобновляется с началом стадии схватывания. Вся эта стадия идет с выделением тепла, а в процессе твердения температура постепенно снижается. Именно трёхкальциевый силикат играет главную роль в приобретении стройматериалом прочности несмотря на то, что в первые сутки после затворения смеси в ней более активно действует другой компонент – С3А.

Трёхкальциевый алюминат – самый быстрый компонент

С3А (формула 3СаО х Аl2O3) усилено работает с самого начала стадии схватывания. В первые дни жизни бетонной/цементной конструкции он способствует стремительному нарастанию прочности – его скорость реакции в период схватывания огромна. А вот в стадии твердения и дальнейшем наборе прочности он практически не участвует.

Двухкальциевый силикат – помощник на стадии твердения

C2S (формула 2CaO x SiО2) в течение первых четырех недель бездействует. Стадия схватывания и первичный период твердения цемента происходят без его участия. К концу первого месяца активность его «родственника» – трёхкальциевого силиката – угасает. И двухкальциевый силикат вступает в активную фазу. Его благотворное воздействие на прочность бетона/цемента длится годами, способствуя нарастанию этого качества. Кстати, период «спячки» C2S можно значительно сократить, если использовать специальные добавки в бетонную/цементную смесь.

Инертность четырёхкальциевого алюмоферрита

C4AF (формула 4CaO x Al2O3 x Fe2O3) – минерал, практически не играющий роли в наборе прочности и твердении бетона/цемента. Только на самых поздних сроках твердения он оказывает влияние на увеличение прочности конструкции. Однако воздействие это незначительно.

Все эти компоненты вступают в химическую реакцию с водой при затворении. Данная реакция способствует увеличению, сцеплению и осаждению кристаллов минералов, так что гидратация бетона/цемента – это кристаллизация смеси.

Усовершенствование качеств бетона

Многочисленные лаборатории и институты подробно изучают процесс гидратации в целом и отдельные его этапы. Благодаря этому производители могут влиять на многие показатели:

Основная роль в оказании такого влияния принадлежит специальным добавкам в бетон/цемент. А современное оборудование, осуществляющее точное дозирование и тщательное перемешивание, помогает достичь отличных результатов по однородности состава бетона/цемента.