Machinewiremesh.ru

Стройка, мебель и декор
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое гидратация цемента и для чего нужно знать процессы, происходящие с ним

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).

процесс гидротации

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:

  • С2S – двухкальцивеый силикат
  • С3S – трехкальциевый силикат
  • С3А – трехкальциевый алюминат
  • С4АF – четырехкальциевый алюмоферит

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.

гидратация

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:

  • При комнатной температуре – до 3 часов
  • При низкой температуре – до 20 часов
  • При высокой температуре (если бетон находится в камере пропаривания) – до 20 минут

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.

Читайте так же:
Песочно цементная смесь для фундамента

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).

схема

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.

Твердение бетона на морозе

Из рис. 29 дающего представление об интенсивности твердения бетона при температурах от +20 до -10°С, видно, что при нулевых температурах кривая нарастания прочности бетона изменяется по сравнению с положительными температурами. Ниже 0°С интенсивность прироста прочности резко падает, а при температуре -10°C твердение бетона, по существу, прекращается.

В бетоне, находившемся некоторое время до замерзания в благоприятных температурно-влажностных условиях, можно ожидать некоторое увеличение прочности при отрицательных температурах. Поскольку количество незамерзающей воды в бетонах, замороженных при более высокой прочности при одной и той же отрицательной температуре, увеличивается, то следовало бы ожидать, что чем большую прочность приобретет бетон до замерзания, тем существеннее она должна нарастать на морозе. Однако это положение справедливо лишь до определенной степени.

Наибольший прирост прочности при испытании после 4 ч оттаивания наблюдается у бетона, замороженного с прочностью 15-20% от марки. Если прочность составляла 70-80% и более, то за 28 суток выдерживания на морозе она практически не возросла. В табл. 16 приведены данные о воздействии отрицательных температур (от -5 до -50°С) на бетон, из которой видно, что абсолютные и относительные величины прироста прочности у бетонов одного возраста при понижении температуры падают.

Прочность бетона, длительное время выдерживаемого при отрицательных температурах, после оттаивания обычно превышает прочность до замораживания (табл. 16). Однако на основании этого нельзя еще делать общий вывод о твердении бетона на морозе. Подвергающийся замораживанию бетон проходит через три этапа — охлаждение до 0°C, замерзание и оттаивание. Очень важно знать, на каком из этих этапов прочность бетона увеличивается.

Исследования, выполненные 0°С. Ивановой показали (табл. 17), что прочность бетона, подвергавшегося замораживанию, нарастает, главным образом, в течение 4-5 ч оттаивания образцов при комнатной температуре, которое обычно предшествует их испытанию. Особенно интенсивное увеличение прочности характерно для бетона, имевшего небольшую прочность до замораживания. При быстром охлаждении образцов до 0°С, пребывание их в течение некоторого времени в холодильной камере и оттаивании до +2°С прочность бетона не увеличивается.

Таким образом, прочность бетона, подвергавшегося замораживанию, увеличивается, главным образом, в период оттаивания образцов. Из этого следует, что утверждение о значительном твердении бетона на морозе экспериментально не подтверждается и является ошибочным, поскольку основано на определении прочности бетона, выдерживаемого в естественных условиях. В известной мере нарастание прочности бетона на морозе может учитываться в строительной практике, например при укладке бетона в вечномерзлые грунты.

Читайте так же:
Обозначение цемента без добавок

В табл. 18 приведены результаты исследования твердения бекона в вечномерзлых грунтах (г. Воркута) при температурах от -0,9 до -2,7°С. Из этих данных видно, что бетон на портландцементе после месячного пребывания в контакте с вечномерзлым грунтом приобрел 60-70% марочной прочности. После суточного твердения в нормальных условиях прочность бетона достигла марочной через 7 месяцев его выдерживания в вечномерзлом грунте, а 7-суточного предварительного выдерживания — практически уже к месячному возрасту, т.е. в контакте с вечномерзлыми грунтами бетон твердеет достаточно интенсивно, если охлаждение его до температуры среды происходит в течение нескольких суток.

Однако при температуре -10°С и ниже не наблюдается заметного прироста прочности даже у бетонов„ замороженных с прочностью 50-70% марочной. Это доказали многочисленные и убедительные опытные данные, полученные при проверке утверждений о том, что в зимних условиях при температурах -20, -30°С прочность пропаренного бетона значительно возрастает. Эксперименты показали, что эти утверждения основаны на методически неправильно проведенных опытах.

То же можно сказать и об утверждениях, которые высказывались в свое время о твердении на морозе цементных растворов при малых значениях В/Ц. Экспериментальная проверка показала, что у растворов и бетонов с низким водоцементным отношением процессы гидратации цемента и набора прочности также замедляются, а затем и прерываются при замерзании жидкой фазы точно так же, как и в обычных бетонах. Малое водосодержание и низкое водоцементное отношение играют положительную роль, главным образом, в отношении ускорения твердения и получения более высокой прочности в ранние сроки.

По вопросам теории твердения бетона на морозе неоднократно высказывались различные гипотезы. И.А. Киреенко объяснял полученные им в тридцатых годах результаты исследований о некотором нарастании прочности бетона при температурах до -12°С, взаимодействием портландцемента с водой в твердой фазе, т. е. со льдом. Позднее, не изменяя этой точки зрения, он выдвинул новую гипотезу, заключающуюся в том, что на морозе якобы происходит отжатие воды из гелевых оболочек гидросиликата кальция к негидратированной части клинкерных зерен.

Kритически рассматривая эти гипотезы, можно сказать следующее. Если бы минералы цементного клинкера взаимодействовали с водой в твердой фазе, т. е. со льдом, прочность бетона нарастала бы при любой отрицательной температуре. Однако этого не наблюдается. Медленное нарастание прочности бетона при температурах до -8, -12 °С при наличии значительных колебаний температуры объясняется наличием небольшой части воды в жидкой фазе. Данные о твердении бетона при температурах до -22, -25°С основаны на методических ошибках.

Вода к негидратированной поверхности клинкерных зерен, как свидетельствуют теоретические расчеты давления, возникающего в воде между оболочкой геля и клинкерным ядром, перемещаться не может. Это давление обусловлено термодинамическими причинами, связанными с температурным Бездействием, и его величина не может существенно влиять на направление миграции воды и процесс гидратации цемента. Малая величина давления говорит также и о направлении движения воды из геля.

О том, что вода из оболочек геля перемещается в основном не к клинкерному ядру, а наоборот, свидетельствуют исследования механизма замерзания геля, а также миграция воды в зависимости от температурных градиентов. Поскольку процесс гидратации экзотермичен, то вода в геле при замерзании перемещается к фронту охлаждения — в капилляры и пустоты твердеющего цементного камня от зерен клинкера.

Как же можно представить механизм твердения бетона с понижением температуры за нуль? Исследования калориметрическим, дилатометрическим, ультразвуковым, кондуметрическим и другими методами показали, что с понижением температуры за нуль вода в бетоне не сразу переходит полностью в лед. Сначала вода замерзает в макропорах, затем в переходных и микропорах. Вода, адсорбированная микрокристаллами гидросиликата кальция и содержащаяся в контракционных порах геля, замерзает при температурах -30, -40°С и ниже.

Начавшиеся процессы гидратации цемента после затворения бетона продолжают развиваться, но скорость их замедляется по мере охлаждения как из-за уменьшения количества незамерзшей воды, так и вследствие снижения активности химических реакций. Опыты убедительно показали, что даже при наличии части воды в тонких капиллярах и гелях при температуре ниже -10°С нарастание прочности бетона во всех возрастах практически прекращается. Это хорошо подтверждается химическими анализами и полным прекращением тепловыделения при изучении экзотермии цементов при различных температурах.

Читайте так же:
Духи с запахом цемента

В результате экзотермических реакций взаимодействия воды с минералами цемента выделяется тепло, которое вызывает таяние льда. Чем ближе отрицательные температуры к нулю, тем относительно больше сохраняется незамерзающей воды и тем больше возможностей увеличивать ее ресурсы за счет экзотермических вспышек. С понижением температуры эти возможности и ресурсы убывают.

При полном замерзании воды в порах и капиллярах твердение бетона прерывается. Непрореагировавшая часть клинкера сохраняет способность в дальнейшем при наступлении благоприятных температурно-влажностных условий возобновить временно прерванный процесс взаимодействия с водой. Больше того в ряде случаев после завораживания бетон твердеет еще энергичнее. Это обусловлено тем, что зерна клинкера окружены оболочками геля гидросиликата кальция, который в зависимости от той стадии, на которой наступает замораживание, обладает различной степенью проницаемости. Вода, окружающая гелевые оболочки, при замерзании, увеличиваясь в объеме, оказывает давление на них, вызывая микродеформации в оболочках, Тем самым открывается доступ воде к негидратированной части зерен клинкера.

Поскольку нарушения оболочек возможны при сравнительно небольших их толщине и прочности, то и больший прирост прочности после оттаивания характерен для бетонов, замороженных с прочностью 15—20% марочной. В свежезамороженном бетоне гелевых оболочек практически еще нет, а с прочностью до замораживания 70-80% от марки они, с одной стороны, уже достаточно прочны, а с другой, — в бетоне содержится недостаточное количество воды, вызывающей при замерзании указанные микродеформации. Это способствует и более интенсивному твердению бетона, выдерживаемого в естественных условиях.

Справедливость описанного механизма твердения бетона на морозе подтверждается опытными данными, а также твердением бетонов с противоморозными добавками, искусственно снижающими температуру замерзания воды затворения.

Влияние ухода и условия твердения бетона

Усадка бетона протекает в течение длительных периодов времени. Некоторыми исследователями усадка наблюдалась в течение 28 лет, однако часть этой усадки происходит за счет карбонизации. Рост усадки бетона сравнительно быстро уменьшается во времени: от 14 до 34% от общей величины усадки за 20 лет протекает в течение двух недель;

от 40 до 80% от общей величины усадки за 20 лет протекает в течение трех месяцев;
от 66 до 85% от общей величины усадки за 20 лет протекает в течение года.

Длительное хранение бетона во влажных условиях замедляет усадку, однако влияние такого режима твердения на величину усадки невелико. При длительном твердении чистого цементного камня большое количество цемента гидратируется полностью, поэтому остается меньшее количество негидратированных зерен цемента, уменьшающих усадку, т. е. такое твердение приводит к увеличению усадки цементного камня. Цементный камень набирает прочность во времени, поэтому усадка, как правило, протекает без образования трещин. Если трещины все-таки образуются, например вокруг частиц заполнителя, то величи-ша общей усадки, замеренная на бетонных образцах, заметно снижается.

Усадка хорошо выдержанного бетона протекает быстрее и, следовательно, релаксация усадочных напряжений за счет ползучести меньше. Кроме того, такой бетон обладает большой прочностью и меньшей ползучестью. Большая скорость усадки и меньшая ползучесть могут привести к образованию трещин, несмотря на более высокую прочность бетона при растяжении. Этим могут быть объяснены противоречивые результаты влияния длительности твердения на усадку бетона. Как правило, все же продолжительность периода твердения не является фактором, определяющим усадку.

Величина усадки не зависит от интенсивности высушивания бетона, за исключением тех случаев, когда бетон непосредственно из воды переносится в среду с очень низкой влажностью, что может привести к образованию трещин. Быстрое высыхание не дает возможности релаксации усадочных напряжений и может привести к еще большему трещинообразованию.

Читайте так же:
Как снять цемент с кожи

Относительная влажность окружающей среды, значительно влияет на усадку бетона. Значение абсолютных величин усадки значительно больше величин набухания в воде: набухание в воде примерно в шесть раз меньше, чем усадка на воздухе при относительной влажности 70%, и в восемь раз, чем на воздухе при относительной влажности 50%.

Таким образом, бетон, хранящийся в сухих условиях, претерпевает усадку, но набухает в воде или атмосфере со 100%-ной влажностью.

Это указывает на то, что парциальное давление паров внутри цементного камня всегда меньше, чем давление насыщенного водяного пара, и логично предположить, что существует промежуточная влажность, при которой материал будет находиться в гигроскопическом равновесии. Действительно, Лорман установил, что такая влажность составляет 94%. Однако практически равновесие возможно только в небольших образцах.

Определение усадки согласно BS 1881 : 1952 проводят на образцах, высушенных до постоянной длины при 50° С и 17%-ной относительной влажности воздуха. Усадка, полученная при таких условиях, равна усадке бетона при длительной выдержке на воздухе с относительной влажностью примерно 65%.

Более высокий предел деформации легкого бетона обусловлен его более высокой усадкой; для сборных изделий заводского изготовления он может быть снижен высушиванием бетона в процессе изготовления.

Твердение цемента

Цемент – популярный строительный материал, получаемый искусственным путем. Он представляет собой мелкодисперсный порошок, который при взаимодействии с водой превращается в пластичную массу, способную затвердевать даже в условиях высокой влажности. Физико-химический процесс взаимодействия цемента с водой называется гидратацией. В результате его протекания растворы и смеси, изготовленные на базе цементного вяжущего, после твердения приобретают высокую прочность, водонепроницаемость, устойчивость к температурным перепадам.

Гидратация цемента – особенности процесса

Гидратация – это необратимый процесс, при котором молекулы воды соединяются с молекулами минералов, входящих в состав цемента. В результате таких взаимодействий образуется пластичная масса, которая после затвердевания преобразуется в камнеподобное твердое тело.

В нормативной документации указываются допустимые водоцементные соотношения, которые зависят от применяемой марки цемента и требуемых характеристик получаемых продуктов. При достаточном количестве химически связывается примерно 25 % воды, остальная жидкость переходит в физически связанное состояние. Введение в материал воды в количестве меньше допустимого приводит к неполной гидратации, а больше допустимого – к образованию пор. В обоих случаях прочностные характеристики конструкции снижаются.

Основные стадии гидратации

Первая стадия гидратации цементного вяжущего – схватывание, протекающее в первые часы после затворения сухих компонентов водой. Время начала схватывания и скорость протекания этого процесса определяют следующие факторы:

  • Температура окружающей среды. Чем она выше, тем быстрее протекает процесс. При комнатной температуре он длится до трех часов, при высоких температурах, созданных в камерах пропаривания, – до 20 минут. При 0 °C схватывание может занять до 20 часов.
  • Состав вяжущего – номенклатура и соотношение минеральных компонентов, применяемые добавки. По ГОСТу 30515-2013 выделяют по скорости схватывания при стандартных условиях (+20 °C, относительная влажность – 75 %) три категории цементов: медленно схватывающиеся (начало процесса – через 2 часа после затворения), нормально схватывающиеся (начало схватывания – от 45 минут до 2 часов после затворения), быстро схватывающиеся (начало схватывания – до 45 минут после затворения цемента водой).
  • Тонкость помола – чем порошок мельче, тем быстрее происходит схватывание.

Ненадолго отложить начало схватывания позволяет перемешивание пластичного материала. В вязком продукте даже при перемешивании через определенное время начинаются необратимые процессы, которые негативно влияют на прочность отвердевшего элемента. Строители называют такое явление «свариванием бетона». Скорость схватывания и последующего твердения можно изменить введением в состав раствора или бетона пластификаторов и других добавок.

Читайте так же:
Звукоизоляция бетон или кирпич

Следующий после схватывания более длительный этап – твердение цемента. Этот процесс, который обычно начинается в течение суток после начала гидратации, может протекать в течение нескольких лет. В течение первых 7 дней созданная конструкция приобретает примерно 70 % прочности. Через 28 дней после заливки раствор или смесь набирают марочную прочность. Она составляет примерно 90-95 % от максимального показателя, для достижения которого требуется несколько лет.

Для получения качественного конечного продукта обеспечивают нормальные условия твердения цемента. Для этого необходимо:

  1. Оградить конструкцию от малейших механических воздействий, поскольку связи, созданные на начальных этапах гидратации, – непрочные. Они легко разрушаются и восстановлению не подлежат.
  2. Первые 2-3 недели для нормального протекания в гидратации создавать влажную среду и оберегать конструкцию от прямого воздействия солнечных лучей.
  3. Не допускать резких перепадов температуры. Для этого конструкцию засыпают небольшим слоем песка или опилок, укрывают утепляющими матами.

Такие меры, принятые во время твердения цемента, позволят снизить усадку конструкции, избежать появления трещин и деформаций.

Зависимость процесса гидратации от химического состава цемента

Механизмы схватывания и твердения цемента зависят от номенклатуры и процентного соотношения компонентов вяжущего. Некоторые из них начинают взаимодействовать с водой на начальной стадии гидратации, другие – через определенный промежуток времени.

В состав портландцемента входят:

  • C2S – двухкальциевый силикат. Этот компонент вступает в реакцию с водой не сразу, а примерно через месяц после набора продуктом марочной прочности. Он положительно влияет на прочностные показатели бетона в долгосрочной перспективе. Применение пластификаторов ускоряет вступление двухкальциевого силиката в реакцию твердения цемента.
  • C3S – трехкальциевый силикат. Этот компонент участвует во взаимодействии с водой с самого начала приготовления смеси или раствора и в течение всего периода гидратации. Но наибольший вклад он вносит в период набора марочной прочности материала.
  • C3A – трехкальциевый алюминат. Способствует нарастанию прочности материала в первые дни твердения. В более поздний период он перестает работать.
  • C4AF – четырехкальциевый алюмоферит. Вступает в действие уже в ходе твердения. Улучшает характеристики бетона на самых поздних сроках набора прочности.

Как можно ускорить или замедлить схватывание и твердение цемента

При проведении строительных работ часто возникают ситуации, требующие сокращения времени схватывания и твердения цемента, решить эту проблему позволяет применение специальных добавок. Они понадобятся при проведении бетонирования в зимних условиях или при необходимости увеличить темпы строительства.

Наиболее популярные присадки-ускорители твердения цемента:

  • 4 %-е нитрат кальция или нитрат натрия, нитрит-нитрат кальция или хлорида кальция, нитрит-нитрат сульфата натрия;
  • 2 %-й сульфат натрия;
  • 2 %-й хлорид кальция – используется для армированных конструкций;
  • 3 %-й хлорид кальция – предназначен для неармированных бетонных элементов.

Замедлители гидратации цемента используются в основном при возведении масштабных конструкций – крупноразмерных фундаментов, чаш бассейнов, гидротехнических и подземных объектов.

Функции замедлителей выполняют пластификаторы и гиперпластификаторы. Применение таких добавок позволяет сохранить подвижность бетонных растворов и их рабочие характеристики в течение 24-48 часов после затворения вяжущего водой.

Гидратация цемента – важный процесс, который должен протекать с соблюдением правил, установленных государственными нормативами и проектной документацией для конкретного строительного объекта. Благодаря разработке широко спектра добавок стало возможным регулирование в широких пределах начала и скорости схватывания пластичного материала, его подвижности, прочности на разных стадиях твердения, коррозионной стойкости и других характеристик.

Андрей Васильев

  • Строитель с 20-летним стажем
  • Эксперт завода «Молодой Ударник»

В 1998 году окончил СПбГПУ, учился на кафедре гражданского строительства и прикладной экологии.

Занимается разработкой и внедрением мероприятий по предупреждению выпуска низкокачественной продукции.

Разрабатывает предложения по совершенствованию производства бетона и строительных растворов.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector