Схватываемость цемента; скорость схватывания при различных условиях

Схватываемость цемента – скорость схватывания при различных условиях

Необратимый процесс потери подвижности бетона или цементно-песчаного раствора называется – время схватывания цемента. Это важный, нормируемый показатель качества для всех общестроительных цементов (портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый цемент, композиционный цемент и др. видов) кроме тампонажных.

Для тампонажных цементов нормируется «время загустевания». Практическое применение данного показателя заключается в определении времени возможности продолжения строительных, а также возможности использования бетонной конструкции по прямому назначению.

Содержание

Безводные минералы клинкера при реакции с водой превращаются в гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферраты кальция. Все реакции являются экзотермическими, то есть протекают с выделением теплоты. На скорость гидратации влияют: степень помола цемента и его минеральный состав, количество воды, которой замешивается цемент, температура, введение добавок. [5] Степень гидратации зависит от водоцементного соотношения, и достигает своего максимального значения только через 1—5 лет. [6] [

1] Степень гидратации определяется различными способами: по количеству Ca(OH)₂, по тепловыделению, по удельному весу цементного теста, по количеству химически связанной воды, по количеству негидратированного цемента, [

2] либо косвенно по показателям прочности цементного камня. [7] Продукты гидратации различаются по прочности. Основными носителями прочности являются гидросиликаты кальция. [6] В процессе гидратации клинкеров C₃S и C₂S помимо гидросиликатов кальция образуется гашёная известь Ca(OH)₂, сохраняющаяся в цементном камне и препятствующая коррозии стали внутри цементного камня. [8]

Уравнения реакций для четырёх основных клинкерных минералов выглядят следующим образом [9] :

Стандарт

Качество воды для бетонов и растворов регламентирует специальный ГОСТ 23732-2011 «Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия». Документ устанавливает ограничения по наличию в среде минералов и химических соединений (таб. 1 ГОСТа):

ГОСТ подробно описывает, какая вода для бетона, а также критерии для оценки ее качества при предварительных испытаниях (таб. 3 настоящего стандарта):

При наличии удобного источника водопровода перед использованием ресурса проводят обязательный анализ и сравнивают полученные показатели со значениями из таб. №3. При их соответветствии вода поступает в работу для замеса бетона и продуктов на основе цемента.

Содержание

Безводные минералы клинкера при реакции с водой превращаются в гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферраты кальция. Все реакции являются экзотермическими, то есть протекают с выделением теплоты. На скорость гидратации влияют: степень помола цемента и его минеральный состав, количество воды, которой замешивается цемент, температура, введение добавок. [5] Степень гидратации зависит от водоцементного соотношения, и достигает своего максимального значения только через 1—5 лет. [6] [

1] Степень гидратации определяется различными способами: по количеству Ca(OH)₂, по тепловыделению, по удельному весу цементного теста, по количеству химически связанной воды, по количеству негидратированного цемента, [

2] либо косвенно по показателям прочности цементного камня. [7] Продукты гидратации различаются по прочности. Основными носителями прочности являются гидросиликаты кальция. [6] В процессе гидратации клинкеров C₃S и C₂S помимо гидросиликатов кальция образуется гашёная известь Ca(OH)₂, сохраняющаяся в цементном камне и препятствующая коррозии стали внутри цементного камня. [8]

Уравнения реакций для четырёх основных клинкерных минералов выглядят следующим образом [9] :

Время протекания реакций

В общем-то, сколько времени схватывается бетон — понятно из предыдущей таблицы. Через 6 часов его масса перестает быть подвижной; через сутки она утрачивает пластичность, но остается хрупкой. Полная марочная прочность набирается материалом примерно за месяц.

Справка: марочная прочность соответствует максимальному усилию на сжатие, которое бетон способен выдержать без разрушения. Усилие измеряется в килограммах на квадратный сантиметр. Так, бетон марки М200 обязан выдерживать 200 кгс/см2, М300 — 300 кгс/см2, М400 — 400 кгс/см2 и так далее.

Однако приведенная выше таблица верна для так называемых нормальных условий : +18-22С при относительной влажности около 60%. Что произойдет при отклонениях в ту или иную сторону?

Отклонение Оказываемое влияние Понижение температуры При низких температурах (от 0 до +18) скорость протекания реакций замедляется; схватывание может занять до 5-7 суток. При падении температуры бетона ниже 0 градусов вода кристаллизуется, и гидратация портландцемента полностью останавливается. Повышение температуры До определенного предела реакции ускоряются; однако при 90С и выше вода начинает испаряться их растущей кристаллической структуры быстрее, чем вступает в реакцию с ней. В результате набор прочности опять-таки останавливается. Понижение влажности В сухом воздухе вода быстро испаряется из поверхностного слоя бетона, что приводит к падению его прочности и появлению трещин. Повышение влажности При нормальной температуре оно приводит лишь к увеличению итоговой прочности бетона при отсутствии трещин. При повышенной до +80С температуре в насыщенной водяным паром атмосфере набор 60-70% прочности занимает всего 16 часов.

Набор прочности при разных температурах.

Как нивелировать отклонения от нормального режима?

• В жару и сухую погоду конструкцию в опалубке укрывают мокрой мешковиной, влажными опилками или поливают водой два-три раза в сутки.

Поливка плитного фундамента.

• При температурах до -5 С достаточно укрыть и по возможности теплоизолировать молодой бетон. Выделяющееся при гидратации тепло не даст воде замерзнуть.
• При более низких температурах требуется его подогрев. Альтернатива — использование зимних марок бетона, способных благодаря специальным добавкам схватываться при отрицательных температурах.

Полезно: благодаря противоморозным добавкам цена кубометра увеличивается всего лишь на 100-300 рублей за куб. Собственно, зимний бетон несложно приготовить и своими руками: инструкция сводится к добавке в него специальных антиморозных присадок (например, Антифриз ДС) в количестве 1% от массы цемента.

Классификация замедлителей схватывания: воздействие на состав бетона

Наиболее подходящими для этих целей классами являются первый, второй и четвёртый.

1. Добавки первого класса представляют собой электролиты, меняющие растворимость вяжущих веществ. К ним относятся амины, органические кислоты, а также спирты. На данный момент пользуются меньшим спросом.
2. Добавки второго класса взаимодействуют с вяжущими веществами, создавая труднорастворимые или малодиссоциированные соединения. Замедляющий эффект добавок этого класса можно объяснить появлением экранирующих плёнок, что получаются из продуктов реакции.
3. Добавки четвертого класса – наиболее походящий вариант добавок. К ним относят ПАВ, что способны адсорбироваться и на вяжущих, и на гидратных образованиях. Различают два основных вида замедлителей: химического и физического воздействий.

Первые основаны на торможении процесса роста кристаллической решётки в смеси. Благодаря медленному росту решётка приобретает более сложный и равномерный вид, что положительно сказывается на прочности готового бетона. Из плюсов можно также отметить повышение показателей морозостойкости и водонепроницаемости всей конструкции. Но здесь, как и говорилось выше, необходимо соблюдать строгую дозировку. Избыток добавки в растворе может привести к критической потере прочности бетона.

Вторые сформировывают труднопроницаемую пленку на самих зернах цемента, замедляя их схватывание. Это повышает адгезию и влагозащиту, но плохо сказывается на общей прочности готовой конструкции.

Изменения физических свойств [ | ]

При смешивании цемента и воды цементные частицы окружаются водой, которая составляет 50—70 объёмных процентов смеси. В результате химической реакции гидратации начинается образование иглообразных кристаллов. Спустя 6 часов образуется достаточное количество кристаллов и между цементными частицами формируются пространственные связи. Так происходит загустевание (схватывание) цементной смеси. [3] Процесс схватывания, вероятно, обеспечивается избирательной гидратацией клинкерных минералов C₃A и C₃S, а также развитием оболочек вокруг цементных зёрен и взаимной коагуляцией составных частей цементного теста. [11] Через 8—10 часов объём цементной смеси заполняет скелет иглообразных кристаллов, образованный преимущественно продуктами гидратации алюминатов C₃A, поэтому такая структура называется алюминатной. С этого момента начинается застывание и набор прочности, которые связаны с формированием силикатной структуры, образующейся в процессе гидратации клинкерных минералов C₃S и C₂S. Результатом реакции силикатов и воды становятся очень малые кристаллы, объединяющиеся в гомогенную тонкопористую структуру, которая и определяет итоговую прочность цементного камня. Примерно через сутки силикатная структура начинает вытеснять алюминатную, а спустя 28 суток — полностью вытесняет её. [5] На практике формирование рыхлой алюминатной структуры из гидросиликата кальция в процессе схватывания отрицательно влияет на прочностные характеристики цементного камня. Поэтому в цементный клинкер вводится гипс, количество которого ограничивается допустимой концентрацией ангидрида серной кислоты SO₃ в цементе по весу. [

3] Гипсовая добавка замедляет образование гидроалюмината кальция и каркас гидратированного цементного теста формируется за счёт гидросиликата кальция. [11]

Гидратация цемента в период схватывания характеризуется выделением теплоты: в начале схватывания происходит быстрый подъём температуры, а в конце схватывания наблюдается температурный максимум. Скорость схватывания находится в зависимости от температуры окружающей среды. При низких температурах схватывание замедляется. При повышении температуры скорость схватывания увеличивается, однако при значениях температуры выше 30 °C может наблюдаться обратный эффект. [11]

Для полной гидратации цементного зерна необходимо количество воды, составляющее 40 % от его массы. При этом из указанного количества воды 60 % (или 25 % от массы цемента) будут химически связаны с цементом, а 40 % (или 15 % от массы цемента) останутся в порах геля. [12] Средняя величина удельного веса продуктов гидратации в насыщенном водой состоянии составляет 2,16. [13] Та часть воды (25 % от массы цемента), которая вступает в химическую реакцию с цементом, претерпевает объёмную контракцию (сжатие) в процессе реакции, составляющую примерно 25 % от её объёма. В итоге образующийся цементный камень частично уменьшается в объёме. Этот процесс называется усадкой, а величина уменьшения объёма — объёмом усадки. [12]

При полной гидратации цементного клея объём пор будет составлять примерно 28 [15] —30 [12]  % от объёма образующейся структуры геля. При этом величина пористости геля в основном не зависит от водоцементного отношения смеси и степени гидратации, а является характерным показателем для марки цемента. [16] Размер гелевых пор составляет примерно 1,5—2 [15] (1—3 [17] ) нм в диаметре. [

4] Часть общего объёма цементного теста, которая не заполнена продуктами гидратации, образует взаимосвязанную систему капиллярных пор, беспорядочно распределённых по всему цементному камню. Капиллярная пористость цементного камня находится в прямой зависимости от водоцементного отношения смеси и в обратной зависимости от степени гидратации. Чем больше величина водоцементного отношения, тем больше капиллярных пор. В то же время по мере роста степени гидратации цемента будет уменьшаться объём капиллярных пор. Размер капиллярных пор составляет примерно 1,27 мкм. [19]

Структурно продукты гидратаци представляет собой гель, а сам процесс гидратации классифицируется как гелеобразование. [5] В процессе гидратации значительно увеличивается площадь поверхности твёрдой фазы цементного геля, что влечёт за собой повышение адсорбции свободной воды. При этом сохраняется расход воды в реакциях гидратации. Следствием этих двух процессов становится самовысушивание — явление уменьшения относительной влажности в цементном тесте. Самовысушивание снижает степень гидратации, поэтому для нормального протекания процессов твердения цементного теста необходимо поддерживать уровень влажности, как одно из условий нормального набора прочности. Процесс самовысушивания также компенсируется избытком воды при затворении цементной смеси (при значениях водоцементного отношения 0,5 и более). [20]