Твердіння цементу

Цемент – популярний будівельний матеріал, що отримується штучним шляхом. Він є дрібнодисперсним порошком, який при взаємодії з водою перетворюється на пластичну масу, здатну тверднути навіть в умовах високої вологості. Фізико-хімічний процес взаємодії цементу із водою називається гідратацією. В результаті його протікання розчини та суміші, виготовлені на базі цементного в’яжучого, після твердіння набувають високої міцності, водонепроникності, стійкості до температурних перепадів.

Гідратація цементу – особливості процесу

Гідратація – це незворотний процес, коли молекули води з’єднуються з молекулами мінералів, що входять до складу цементу. В результаті таких взаємодій утворюється пластична маса, яка після затвердіння перетворюється на камнеподібне тверде тіло.

У нормативній документації вказуються допустимі водоцементні співвідношення, які залежать від марки цементу, що застосовується, і необхідних характеристик одержуваних продуктів. При достатній кількості хімічно зв’язується приблизно 25 % води, решта рідини перетворюється на фізично пов’язаний стан. Введення в матеріал води в кількості менше допустимого призводить до неповної гідратації, а більше допустимого — до утворення пір. В обох випадках характеристики міцності конструкції знижуються.

Основні стадії гідратації

Перша стадія гідратації цементного в’яжучого — схоплювання, що протікає в перші години після замішування сухих компонентів водою. Час початку схоплювання та швидкість протікання цього процесу визначають такі фактори:

• Температура навколишнього середовища. Чим вона вища, тим швидше протікає процес. При кімнатній температурі триває до трьох годин, при високих температурах, створених у камерах пропарювання, – до 20 хвилин. При 0 °C схоплювання може тривати до 20 годин.
• Склад в’яжучого – номенклатура та співвідношення мінеральних компонентів, застосовувані добавки. За ГОСТом 30515-2013 виділяють за швидкістю схоплювання за стандартних умов (+20 °C, відносна вологість – 75 %) три категорії цементів: що повільно схоплюються (початок процесу – через 2 години після замішування), нормально схоплюються (початок схоплювання – від 45 хвилин до 2 годин після замішування), швидко схоплюються (початок схоплювання – до 45 хвилин після замішування цементу водою).
• Тонкість помелу – чим порошок дрібніший, тим швидше відбувається схоплювання.

Ненадовго відкласти початок схоплювання дозволяє перемішування пластичного матеріалу. У в’язкому продукті навіть при перемішуванні через певний час починаються незворотні процеси, які негативно впливають на міцність затверділого елемента. Будівельники називають таке явище «зварюванням бетону». Швидкість схоплювання та подальшого твердіння можна змінити введенням до складу розчину або бетону пластифікаторів та інших добавок.

Наступний після схоплювання більш тривалий етап – твердіння цементу. Цей процес, який зазвичай починається протягом доби після початку гідратації може протікати протягом декількох років. Протягом перших 7 днів створена конструкція набуває приблизно 70% міцності. Через 28 днів після заливання розчин чи суміш набирають марочну міцність. Вона становить приблизно 90-95% від максимального показника, для якого потрібно кілька років.

Для отримання якісного кінцевого продукту забезпечують нормальні умови затвердіння цементу. Для цього необхідно:

1. Убезпечити конструкцію від найменших механічних впливів, оскільки зв’язки, створені на початкових етапах гідратації, є неміцними. Вони легко руйнуються і не підлягають відновленню.
2. Перші 2-3 тижні для нормального протікання у гідратації створювати вологе середовище та оберігати конструкцію від прямої дії сонячних променів.
3. Не допускати різких перепадів температури. Для цього конструкцію засипають невеликим шаром піску або тирси, вкривають матами, що утеплюють.

Такі заходи, вжиті під час твердіння цементу, дозволять знизити усадку конструкції, уникнути появи тріщин та деформацій.

Залежність процесу гідратації від хімічного складу цементу

Механізми схоплювання та твердіння цементу залежать від номенклатури та відсоткового співвідношення компонентів в’яжучого. Деякі з них починають взаємодіяти з водою на початковій стадії гідратації, інші через певний проміжок часу.

До складу портландцементу входять:

• C2S – двокальцієвий силікат. Цей компонент вступає в реакцію з водою не відразу, а приблизно через місяць після набору продуктом марочної міцності. Він позитивно впливає на показники міцності бетону в довгостроковій перспективі. Застосування пластифікаторів прискорює вступ двокальцієвого силікату в реакцію твердіння цементу.
• C3S – трикальцієвий силікат. Цей компонент бере участь у взаємодії з водою з самого початку приготування суміші або розчину та протягом усього періоду гідратації. Але найбільший внесок він робить у період набору марочної міцності матеріалу.
• C3A – трикальцієвий алюмінат. Сприяє наростанню міцності матеріалу в перші дні твердіння. У пізніший період він перестає працювати.
• C4AF – чотирикальцієвий алюмоферит. Вступає в дію вже під час твердіння. Покращує характеристики бетону на найпізніших термінах набору міцності.

Як можна прискорити або уповільнити схоплювання та твердіння цементу

При проведенні будівельних робіт часто виникають ситуації, що вимагають скорочення часу схоплювання та твердіння цементу, вирішити цю проблему дозволяє застосування спеціальних добавок. Вони знадобляться при проведенні бетонування в зимових умовах або за необхідності збільшити темпи будівництва.

Найбільш популярні присадки-прискорювачі твердіння цементу:

• 4% нітрат кальцію або нітрат натрію, нітрит-нітрат кальцію або хлориду кальцію, нітрит-нітрат сульфату натрію;
• 2% сульфат натрію;
• 2% хлорид кальцію – використовується для армованих конструкцій;
• 3% хлорид кальцію – призначений для неармованих бетонних елементів.

Уповільнювачі гідратації цементу використовуються в основному при зведенні масштабних конструкцій – великорозмірних фундаментів, чаш басейнів, гідротехнічних та підземних об’єктів.

Функції сповільнювачів виконують пластифікатори та гіперпластифікатори. Застосування таких добавок дозволяє зберегти рухливість бетонних розчинів та їх робочі характеристики протягом 24-48 годин після замішування в’яжучого водою.

Гідратація цементу – важливий процес, який має відбуватися з дотриманням правил, встановлених державними нормативами та проектною документацією для конкретного будівельного об’єкту. Завдяки розробці широко спектру добавок стало можливим регулювання у широких межах початку та швидкості схоплювання пластичного матеріалу, його рухливості, міцності на різних стадіях твердіння, корозійної стійкості та інших характеристик.

Додаткові корисні статті:

Заливка бетону: методи роботи при низьких температурах Корозія бетону: види, методи захисту Добавка в бетон морозостійка (для морозостійкості) Чим зміцнити та знепилити стяжку бетонної підлоги?