Долговечность здании и сооружений, выполненных из монолитного или сборного бетона, зависит от характеристик и свойств строительного материала, особенностей технологий, использованных на стадии застройки или производства ЖБИ. Прочностные показатели бетона формируются на стадиях схватывания и твердения раствора, В процессе взаимодействия с водой бетон схватывается и отвердевает, превращаясь в цементный камень. Изучение стадий процесса гидратации позволяет влиять на твердение раствора, менять его характеристики посредством использования технологий и добавок, ускоряющих процесс схватывания и улучшающих свойства материала.
Этап схватывания бетона
Схватывание раствора – это краткосрочная стадия, которая происходит, как правило, в течение суток с момента укладки бетона. Этот период может варьироваться в зависимости от температуры воздуха окружающей среды. При среднестатистическом расчете в условиях температуры на уровне +20°С для начала схватывания бетонного раствора необходимо 2 часа, а для окончательного схватывания 180 минут. Таким образом, на схватывание уходит всего 60 минут. Совершенно иначе выглядит ситуация, когда температура окружающей среды снижена до 0°С. В этом случае продолжительность схватывания возрастает до 15-20 часов. При этом его начало наблюдается только через 6-8 часов после заливки. Это как нельзя лучше отражает актуальность ведения строительных работ под открытым небом в теплое время года. Рост температурных показателей позволяет сократить до минимума продолжительность периода схватывания. Так, например, на то, чтобы произошло схватывание при производстве железобетонных изделий в камере пропаривания, требуется от 10 до 20 минут.
Эта стадия может быть продлена и помешать бетону или цементу твердеть можно за счет его регулярного перемешивания. За счет механизма тиксотпропии схватывание затягивается, а раствор остается подвижным при его транспортировке. Это необходимо при производстве материала в бетоносмесителе, а также при его транспортировке на различные расстояния. Вращение смеси при этом не оказывает негативного влияния на прочностные и другие качественные характеристики материала. Ухудшение свойств бетона может иметь место, в случае, если вращение подвижного раствора осуществляется в течение долгого периода времени – более 10 часов. Еще меньше это время может оставлять в условиях жаркого климата и низкой влажности.
Этап твердения бетона
Стадия твердения наступает после того как произойдет схватывание. В этот момент цементный раствор находится в опалубке или форме и набирает прочность. Для этого в соответствии со строительными нормами и правилами отводится срок в течение 28 дней. Спустя установленный регламентом промежуток времени изделия, стены и фундаменты могут эксплуатироваться под нормативными нагрузками.
Состав бетона
На стадиях схватывания и затвердения бетонного раствора на химическом уровне вода вступает в реакцию с компонентами материала. Однако на разных стадиях их функции в значительной мере отличаются. Некоторые вступают в реакцию с жидкостью сразу, другие потом. При этом присутствуют и те, которые не реагируют на воду вовсе.
В качестве компонентов бетона выступают следующие элементы:
- C3S — трёхкальциевый силикат;
- C3A — трёхкальциевый алюминат;
- C2S — двухкальциевый силикат:
- C4AF — четырёхкальциевый алюмоферрит.
Твердение материала становится следствием удаления свободной воды. При этом определенная часть жидкости образует стойкие комплексы, связываясь с молекулами алюминатов и силикатов, в то время как остальной ее объем испаряется во внешнюю среду. С целью обеспечения баланса между частями воды, которые входят в контакт с элементами и испаряющейся ее частью, необходимо обеспечить оптимальный температурный режим и влажность среды.
Минерал C3S — трёхкальциевый силикат 3CaO x SiO2 выступает в качестве главного звена, так как принимает участие в процессе нарастания прочностных показателей в течение всего периода времени. При этом химическая реакция гидратации цемента относится к изотермическим процессам, которые сопровождаются значительным тепловыделением. C3S выступает в качестве источника тепла для цемента при его затвердении. Тепловыделение прекращается, когда раствор переходит в фазу начал затвердения. Нагрев при этом отсутствует до начала схватывания, после чего происходит выброс энергии в течение всего времени схватывания с последующим снижением температурных показателей. Этот элемент вносит самый весомый вклад в прочность изделий и материалов в первые 28 дней, которые отводятся для нормального твердения.
C2S представляет собой двухкальциевый силикат 2CaO x Si02, который начинает свою полезную работу спустя месяц, как раз, в то время как снижает активность трёхкальцевый силикат. Однако после того как он вступает в реакцию, его действие растягивается на годы.
C4AF 4 — последний элемент, который являет собой кальциевый алюмоферит (4CaO x Al2O3 x Fe2O3. По набору прочности — это далеко не самый важный компонент, который в принципе не вступает в реакцию длительное время. Только через годы он проявляется себя и положительно сказывается на твердости и прочности бетонной конструкции.
Наиболее активным в смеси является C3A трёхкальциевый алюминат 3CaO x Al2O3. Благодаря его действию происходит набор прочности раствора в первые дни его жизни.
В качестве основного реагента на этапе твердения выступает алит. При этом бетон продолжает упрочняться и в дальнейшем в процессе эксплуатации зданий и сооружений и повышает свою прочность после твердения на 200-250% за счет другого реагента – белита.
Рекомендуемыми значениями температуры для твердения бетона является диапазон от +15ºС до +22ºС. При этом показатель влажности может варьироваться от 60% до 100%. Полные период твердения является функцией от условий процесса, в котором важную роль играют такие факторы, как марка бетона и наличие в его составе дополнительных добавок.
Выбор в пользу той или иной марки цементного раствора, который используется для возведения монолитных зданий и сооружений, а также для производства железобетонных конструкций и блоков требует корреляции в соответствии с необходимым временем выдерживания и температурой среды.
С повышением марки прочности материала изменяется время, необходимое на схватывание и твердение. Для раствора марки М500 время схватывания составляет менее часа, тогда, как для более низких марок этот период изменяется от 60 минут до 3,5 часов. При этом твердение бетона марки М100 происходит за 28-30 суток, тогда как цементы старших марок твердеют в несколько раз быстрее.
Маркой раствора определяется его предельная критическая прочность, которая определяет насколько конструкция продолжит твердеть в процессе эксплуатации в последующем. При этом бетоны М100 и М150 соответствуют 50%, от М200 до М350 – 40%, выше – 30%. Ненагруженные строительные конструкции без учета марки имеют показатель 70%. При наличии отрицательных температур в период твердения без использования противоморозных добавок прочностные показатели бетона на 50%. В случае сооружения стандартных конструкций на основе бетона марки М300 снятие опалубки при твердении допускается через 4-5 дней. В то время как при конструировании ответственных конструкций, таких как лестницы, этот период возрастает до 28 дней. Нагруженные изделия и сооружения, к числу которых относятся дамбы, мосты и т. д. выдерживают в опалубке до трех месяцев.
Специальные добавки – свойства и назначение
Как стремительное, так и чрезвычайно медленное схватывание, и твердение бетонного раствора негативно сказывается на его прочностных свойствах. Кроме того, низкие темпы застывания увеличивают дополнительно расходы, обусловленные уходом за конструкциями. Чтобы корректировать в необходимую сторону скорость процесса, иметь возможность для регулирования процессов в зависимости от индивидуальных целей, задач и условий находят применение специальные добавки. В настоящее время существует два вида примесей, позволяющих регулировать кинетику процесса твердения. Среди них:
- ускорители – примеси в виде реагентов, которые позволяют снизить период времени начала схватывания на 30-40%. Данный тип присадок позволяет не только ускорить процесс затвердевания раствора, но улучшить его прочностные показатели. Их применение актуально при заливке оснований и перекрытий для зданий и сооружений, штамповке и производстве бетонных и железобетонных изделий при наличии пониженных температурных условий. Наиболее доступным по стоимости материалом, который позволяет ускорить период схватывания является углекислый калий и хлористый кальций. К числу востребованных ускорителей отверждения относят Релаксор, Поззолит-100, Аддимент В3, Форт-УП2, Конкрит-Ф и прочие;
- замедлители и различные пластификаторы для процесса схватывания позитивно сказываются на подвижности к удобоукладываемости раствора. Они задействуются при необходимости доставки цементного раствора к месту строительства в передвижных смесителях, технологических паузах при возведении зданий и сооружений в том случае, когда температура воздуха составляет выше +25°С. Наличие пластифицирующих свойств замедлителей создают условия, в которых можно отказаться от технологического этапа виброуплотнения раствора с малой степенью подвижности.
В качестве наиболее популярных в строительстве и часто используемых замедляющих добавок выступают такие материалы, как цитрат, НТФ-кислота, глюконат натрия, SikaPlast 520 N, Линамикс, Frem Linas 200 и прочие. В случае если заливка бетонного раствора осуществляется при низких температурах воздуха, задействуются специальные противоморозные реагенты. Их использование позволяет снизить температуру замерзания воды, исключая возможность ее фазовых переходов при 0…+4°С. В зависимости от конкретного вида и степени концентрации примесей к бетонному раствору они позволяют осуществлять строительные работы с заливкой при температурах окружающей среды до -15…-25°С. К числу актуальных в наши дни морозоустойчивых реагентов относятся такие материалы, как карбамид, нитрат-нитрит кальция и нитрит натрия.
Практическое использование добавок в цементные растворы создает ряд преимуществ, среди которых:
- снижение стоимости железобетонных изделий при их производстве за счет сокращения затрат на газ и электроэнергию, используемые на стадии пропаривания;
- сокращение затрат на вибрировании;
- увеличение объемов производства ЖБИ за счет роста скорости оборачивания опалубки или используемой формоснастки;
- увеличение прочностных показателей бетона;
- повышение продолжительности подвижного состояния бетона, его пластичности, позволяющие производить транспортировку раствора на дальние расстояния, а также укладку в условиях низких температур.
За счет использования добавок производители имеют возможность влиять на ряд показателей, усовершенствовать качественные характеристики бетона. Регулируя процесс гидратации существует возможность:
- увеличивать прочность раствора;
- корректировать водонепроницаемость материала;
- повышать стойкость к коррозии;
- улучшать морозостойкость;
- варьировать подвижность;
сдвигать во времени начало и конец периода схватывания.