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).

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 цемента — что это такое

Этим термином обозначают физико-химический процесс, при котором происходит связывание компонентов цементного порошка с жидкостью. Чтобы разобраться в особенностях этого действия, нужно скрупулезно исследовать состав цемента. Только тогда получится понять, как взаимодействуют ингредиенты порошка с водой, что влияет на период схватывания цемента, изучить остальные характеристики стройматериала. В его состав включены активные добавки минеральной природы, благодаря которым бетон медленно набирает требуемый уровень своей прочности. Какой бы марки и типа не был цемент, он содержит в себе четыре минеральных вещества:

• двухкальцивеый силикат;
• трехкальциевый силикат;
• трехкальциевый алюминат;
• четырехкальциевый алюмоферит.

Рисунок 1. Химический состав бетона

Проведение опытов по установлению сроков схватывания

Установка сроков схватывания регламентировано ГОСТом 310.3-76. Для получения нормальной густоты вяжущего теста используют прибор Вика, представленный на рисунке 1.

Рисунок 1 – Устройство прибора Вика

В сферической металлической чаше замешивают цементный раствор предварительно просчитанного состава. Затем трапециевидное кольцо заполняется полученным объемом цементной смеси. Емкость размещается под иглой.

Важно! Для измерения густоты применяют пестик, а для установления сроков схватывания дополнительно размещают иглу.

Допустимым значением густоты считается, если пестик прибора не доходит до пластины на расстоянии от 5 до 7 мм. При отклонениях показателей регулируют водоцементное (В/Ц) отношение.

Перед началом проведения работ важно удостовериться в правильности работы прибора, а детали, соприкасающиеся со смесью, должны быть покрыты машинным маслом.

Для установки срока схватывания к пестику подцепляют иглу. Иглу погружают в тесто с периодичностью в 10 минут. Началом затвердевания считают период, который потребовался от момента добавления к вяжущему воды до того, как игла не будет доходить до нижней пластины от 2 до 4 мм. Сроки конца схватывания наступают, когда игла погружается максимум на 2 мм.

Ложное схватывание (ЛС) определяется на том же приборе, только вместо пестика устанавливается усечённый конус. Перед началом работ необходимо замесить раствор из цемента, мелкого заполнителя и воды. Соотношение использованных компонентов регламентируется ГОСТ Р 56588-2015. В форму со смесью погружают конус через 15 минут, а затем спустя 1 час фиксируют показания прибора. Ложным схватывание считается, если замеры соответствуют первому типу, согласно таблице 1.

Таблица 1 – Определение ложного схватывания в зависимости от результатов испытаний

Влияние компонентов на гидратацию

Каждый из таких компонентов чрезвычайно важен, все они обладают специфическими характеристиками, помогающими влиять сначала на схватывание, а затем и твердение цемента. Одни начинают незамедлительно взаимодействовать с влагой, иные действуют постепенно, спустя определенное время. Рассмотрим, как на гидратацию влияет каждый ингредиент:

• Двухкальциевый силикат вступает в работу только спустя месяц после момента затвердения бетона. До этого он не участвует в процессе, ожидая своей очереди. Наличие специальных пластификаторов, присутствующих в бетонной смеси, помогает значительно сократить период бездействия без риска ухудшения прочности материала. Этот ингредиент функционируют в долгосрочной перспективе, позволяя укреплять со временем монолит бетонной заливки.
• Трехкальциевый силикат функционирует активно весь период существования цемента. Это вещество — основа смеси, именно оно запускает процесс, именуемый гидратацией. Когда он стартует, выделяется тепло, которое существенно повышает температуру смеси.
• Трехкальциевый алюминат обеспечивает процесс схватывания, поскольку он наиболее активный компонент. Это вещество обеспечивает неуклонное нарастание прочности монолита в самые первые несколько дней после заливки. Потом ингредиент работу прекращает.
• Четырехкальциевый алюмоферит, хотя и оказывает минимальное воздействие на твердение и набор прочности монолита, все равно чрезвычайно важен. Его работа стартует на финишном этапе, когда уже давно запущена процедура затвердевания цемента. Этот компонент улучшает достигнутые характеристики, тем самым завершая процесс.

Каждый перечисленный минеральный компонент определяет качество цемента, обеспечивает правильное течение процесса гидратации. Когда порошок смешивают с водой, внутри раствора немедленно появляются внутрикристаллические связи, которые определяют медленно нарастающую прочность, благодаря которой бетон в итоге приобретает состояние, схожее по параметрам с искусственным камнем.

Особенности гидратации

Из-за того, что период схватывания цемента быстротечен (45–90 минут), смесь требуется готовить незадолго до использования, оставляя время для выполнения заливки до финиша реакции, когда обрабатывать смесь уже невозможно либо бесполезно. Чтобы реакция гидратации полноценно произошла, пропорции объемов цемента с жидкостью должны соответствовать значению 3:2. Только четверть молекул воды химически связывают с порошком, остальные сохраняются в бетонных порах, имея связанный физически вид.

При уменьшении количества воды гидратация произойдет не полностью, в случае повышения ее объема — к развитию капиллярных пор внутри монолита, которые снизят его прочность. Инструкции к каждой конкретной марке цемента либо бетона всегда информируют о точных требуемых объемах составляющих.

Водоцемементное соотношение

Основным параметром замеса бетонной смеси является водоцементное соотношение. Это относительная величина (по массе) количества чистого цемента в замесе к воде, которой смесь затворяют.

От этого соотношения напрямую зависят прочность, водонепроницаемость и подвижность готового бетона

. Конечно, на итоговые характеристики бетона влияет не только количество воды, но и её качество.

Очень частой причиной падения прочности бетона, замедления и даже остановки процесса его твердения является химический состав воды, на которой замешан раствор.

Качество воды нормируется ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия»

Данный стандарт выставляет следующие требования к воде замеса:

1. Вода не должна содержать примесей минеральных веществ, следов нефтепродуктов, жиров и органических остатков.
2. Содержание органических ПАВ, фенолов и сахаров не должно превышать 10 мг / дм3.
3. Уровень pH должен быть в пределах от 4 до 12,5
4. Окисляемость не должна превышать 15 мг / дм3.

Понятно, что все эти требования легко соблюдать в лабораторных условиях. Но, как быть с замесом бетона дома или на даче, где не всегда есть возможность измерить химические показатели.

В этом случае, мы настоятельно рекомендуем придерживаться простого правила – замешивайте на питьевой (или условно питьевой) воде. Это может быть вода из скважины, колодца, водопровода, либо природная, но прошедшую очистку. Грубейшей ошибкой загородной стройки является использование воды из ближайшего пруда, канавы или лужи. Даже при внешней прозрачности и чистоте, такая вода, чаще всего, перенасыщена органическими и минеральными загрязнителями, которые будут препятствовать нормальному процессу гидратации бетона и пагубно повлияют на его качество.

Состав цемента и его гидратация

Как ранее уже было указано, на твердение портландцемента влияют четыре минеральных ингредиента, полученные при производстве этого связующего продукта. Поведение каждой составляющей значительно отличается и зависит о стадии схватывания монолита. Одни компоненты реагируют на появление воды немедленно, иные дожидаются своей очереди, а некоторые вообще вроде бы не участвуют в процессе.

Но все они при взаимодействии с водой начинают химическую реакцию, обеспечивающую нарастание, затем сцепление, а в итоге осаждение кристаллов насыщенных влагой соединений. Если рассматривать мероприятие с точки зрения химика, то оно является кристаллизацией.

Требования к строительным работам зимой

Укажем наиболее важные моменты зимнего строительства:

• кирпичи или блоки для кладки, должны быть предварительно очищены от инея, льда или снега;
• цемент должен храниться в сухом помещении;
• песок и щебень должны содержать минимальное количество влаги;
• кладку желательно производить нескольким рабочим, чтобы процесс был завершен как можно быстрее;
• если необходим перерыв, готовую кладку желательно укрыть пленкой или рубероидом;
• раствор замешивать в теплом помещении;
• для зимних работ применяют только цемент марки М 500, не ниже;
• зимняя кладка производится тонкими швами, так будут меньшие потери тепла;
• для рабочих необходимо оборудовать теплушку, где они могут обогреться;
• заливка бетона при минус 5 должна производиться с обязательным добавлением в раствор антиморозных присадок.

Интересная статья в тему здесь: Строительство дома зимой – особенности стройки в холодное время

Основные стадии затвердевания

Непосредственно процесс затвердевания монолита делится на два этапа. Сначала раствор схватывается, а затем твердеет. Первая стадия длится примерно сутки после приготовления смеси. На ее скорость влияет в основном только температура окружающего воздуха:

• Когда термометр показывает около 20° тепла, бетон схватится примерно через пару часов после замешивания. Окончательное же схватывание гарантировано через 3 часа. То есть, этап схватывания длится примерно час.
• Если температура воздуха 0°, такой процесс происходит дольше, может длиться даже 20 часов. Это связано с оттягиванием времени начала схватывания — процесс стартует только спустя 6–10 часов.

Рисунок 2. Бетон
Одновременно фактором влияния, определяющим скорость схватывания, становятся специфические добавки. Они способны ускорять или замедлять химическую реакцию.

Все время, пока длится этап схватывания, бетон сохраняет подвижность. Он подвержен любым механическим воздействиям. При осуществлении любых мероприятий относительно еще не успевшего схватиться монолита, нужно понимать, что они удлиняют срок его первоначального схватывания.

Финальный этап получения качественного монолита — твердение раствора. Оно происходит незамедлительно после завершения предыдущей фазы. Сам такой процесс чрезвычайно медленный, нередко он тянет несколько лет. В самые первые дни твердения монолит еще динамичен, отличается нелинейностью состояния.

Неестественное повышение скорости застывания

Так как застывает бетон при минусовой температуре весьма медлительно, а сроки строительства обычно ограничены, строители придумали пара способов, как ускорить данный процесс.

Наиболее распространенные из них следующие:

• Добавление особых присадок в раствор;
• Подогрев бетона электрическим кабелем;
• Применение большего количества цемента в составе.

Сейчас подробней рассмотрим изюминке каждого из этих способов.

Применение модификаторов

Значительно чаще, при проведении строительных работ зимой применяют модификаторы следующих типов:

• Добавки типа С — ускорители твердения бетона;
• Добавки типа Е — водозамещающие ускорители.

Наиболее действенным и распространенным есть хлорид калия. Но, его часть в общей массе обязана составлять не более 2 %.

Нужно заявить, что ускорители затвердения не воздействуют на уровень качества бетона, но, одновременно с этим они не защищают его от замерзания. Помимо этого, их использование не отменяет требования к температуре раствора и исполнение мер по его защите от замерзания.

Обратите внимание! При исполнении стяжки либо фундамента, необходимо сходу продумать наличие отверстий и каналов для коммуникаций, поскольку последующая обработка будет очень трудоемкой. К тому же она потребует особого инструмента, к примеру, резка железобетона алмазными кругами подразумевает наличие замечательной болгарки.

Подогрев бетона

Для подогрева бетона обычно применяют особый кабель. Это способ, возможно назвать наиболее естественным. Единственное, с целью достижения положительного результата, обязана строго соблюдаться определенная инструкция по обогреву (определите кроме этого как осуществляется прогрев бетона сварочным аппаратом).

В отличие от прошлого способа, обогрев разрешает обезопасисть бетон от замерзания. Соответственно, нет необходимости высчитывать при какой температуре застывает бетон и какое количество продолжается данный процесс, поскольку возможно обеспечить нормальные условия.

Повышение дозировки цемента

Данный способ возможно применять при малом понижении температуры. Повышение дозировки должно быть маленьким, в другом случае уровень качества бетона и его долговечность может значительно снизиться.

Совет! В случае если по окончании застывание раствора пригодилось его просверлить, то наиболее действенным способом есть алмазное бурение отверстий в бетоне.

Сырьевые материалы

Цемент производят на заводах, которые находятся в непосредственной близости от мест разработки горных пород, служащих сырьем для строительного материала. К естественному сырью для цемента относятся:

• карбонатные минералы. К ним принадлежат известняки, доломиты, мергели, а также смеси этих пород. Большинство этих минералов было образовано на дне морей и озер осадочным способом. Толщина пластов может достигать нескольких сотен метров. Кристаллическая решетка разных видов карбонатных минералов имеет разную степень устойчивости. Это определяет их способность сплавляться с другими компонентами в процессе изготовления цемента.
• глинистые материалы. Мелкодисперсные породы, которые также были образованы осадочным способом. Состоят из основы — глинистого вещества и большого количества примесей. Это сырье при добавлении воды увеличивается в объеме, становится вязким, пластичным.

Остановимся подробнее на основных сырьевых компонентах, входящих в состав цемента.

Усадка бетона при твердении

Усадку и расширение бетона учитывают при проектировани бетонных конструкций. Процесс твердения бетона сопровождается изменением его объема

При твердении на воздухе бетон дает усадку, при твердении в воде он не изменяется в объеме или незначительно разбухает.

В больших массивах бетон может расширяться вследствие нагревания до 30—60° (в силу внутреннего выделения тепла). Величина этого расширения значительно превосходит усадку. Коэффициент температурного расширения обычного бетона равен 0,00001. Коэффициент усадки в расчетах обычно принимается равным 0,00015, т. е. на 1 м длины бетонного сооружения усадка составляет 0,15 мм.

Усадка вызывается давлением воды в капиллярах цементного камня при ее испарении. Опытами установлено следующее:

1. усадка бетона тем больше, чем выше содержание в нем цемента и воды;
2. быстро схватывающиеся и высокопрочные портландцементы, а также пуццолановый портландцемент обычно вызывают большую усадку бетона;
3. усадка больше при мелкозернистых и пористых заполнителях;
4. влажный режим твердения и специальные покрытия не дают бетону быстро высыхать с поверхности, тем самым устраняются последствия большой и неравномерной усадки (трещины)

Усадку и расширение бетона учитывают при проектировани конструкций и производстве бетонных работ в сооружения большой длины устраивают специальные швы, в массивных сооружениях бетон укладывают отдельными блоками, применяют цементы с минимальными тепловыделением и усадкой. Это особенно важно при выборе цементов для гидротехнических сооружений