Описание процесса гидратации цемента и его особенности

График набора прочности

Наглядное представление о том, сколько сохнет бетон, дают графики набора прочности бетона. В зависимости от температуры воздуха и марки и бетона определяется время застывания и достижения бетоном безопасной и требуемой прочности. Построенные графики твердения позволяют сделать вывод о неравномерности процесса высыхания бетонной смеси. Так, в первые пять дней жизни раствора происходит самый быстрый набор прочности, этот период называют «выдерживанием» бетона. Прочность бетона на 7 сутки составляет 60-70 % от его марочной прочности, а к 100 % этот показатель приближается на 28-е сутки после приготовления раствора.

Срок набора прочности бетоном напрямую зависит от его класса, чем выше качество цемента в составе, тем выше марка бетона. Для низкомарочных бетонов большее значение имеет процент критической прочности. Данная закономерность отражена в следующей таблице:

Марка бетона по прочности на сжатие	Порог критической прочности в % от марочной
М15-150	50
М200-300	40
М400-500	30

Дополнительно по данной категории

	17.04.2022 – Тротуарная плитка промышленного производства
	08.02.2021 – Формирование структуры цементного камня с органическими добавками
	08.02.2021 – Способы ускорения структурообразования цементного камня
	18.09.2020 – Лёгкие бетоны
	31.08.2020 – История портландцемента
	24.01.2018 – Кольца и трубы из бетона, установка
	14.11.2017 – Железобетонные изделия и конструкции в строительстве
	12.11.2017 – Изделия из искуственного камня.
	26.08.2017 – Алмазное сверление и обзор алмазных сверлильных установок
	06.08.2017 – Расширение дверного проема автоматическим инструментом

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:

1. Двухкальциевый силикат начинает работать через месяц после затвердения монолита. Все время он пребывает в покое, ожидая очереди. Специальные пластификаторы, добавляемые в смесь, позволяют существенно сократить этот период покоя без риска потери прочности бетоном. Данный компонент работает в долговременной перспективе, положительно влияет на укрепление бетонного монолита.
2. Трехкальциевый силикат работает все время существования цемента. Он является основой смеси, запускает процесс гидратации. При его прохождении выделяется тепло, значительно повышая температуру раствора.
3. Трехкальциевый алюминат в ответе за процесс схватывания, так как является самым активным минеральным компонентом и обеспечивает нарастание прочности бетона на протяжении первых дней. Дальше он перестает работать.
4. Четырехкальциевый алюмоферит минимально воздействует на процесс набора прочности бетона и его твердение, но все равно очень важен в составе. Он работает в финале, когда затвердевание цемента уже запущено, улучшая характеристики и завершая процесс.

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.

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.

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.

Ускорение затвердевания бетона

Современные технологии могут ускорить процесс созревания бетона в десятки раз. Для этого используется или автоклавная обработка, иначе называемая запарка бетонной плиты.

Помещенная в автоклав бетонная плита обрабатывается паром при высоком давлении.

Такая обработка в течение 15 часов позволяет достичь крепости бетона сравнимой с той, которая могла быть достигнута в течение года обычного застывания.

Используют и химические способы. В замешанную бетонную смесь М 150 добавляют или сульфат натрия, или азотную кислоту.

Процентное содержание ускорителей не должно превышать 3-4%. Производители выпускают и цементные смеси, уже содержащие добавки для ускорения застывания.

Средний срок затвердевания такой смеси составляет две недели.

Минералогический состав и гидратация цемента

Мы не будем здесь разбирать сами стадии получения портландцемента, для этого есть специальный раздел, описывающий производство цемента более подробно. Нас интересует лишь состав цемента и его основные компоненты, вступающие в реакцию с водой при затворении цементного раствора или бетона. Итак. В качестве основы портландцемента рассматриваются четыре минерала, полученные в результате всех стадий производства цемента:

• C3S трёхкальциевый силикат
• C2S двухкальциевый силикат
• C3A трёхкальциевый алюминат
• C4AF четырёхкальциевый алюмоферит

Поведение каждого из них на разных стадиях схватывания бетона и его твердения, существенно отличается. Одни минералы вступают в реакцию с водой затворения сразу, другие немного погодя, а третьи — вообще не понятно зачем здесь «ошиваются». Давайте рассмотрим всех по порядку:

C3S трёхкальциевый силикат 3CaO x SiO2 минерал участвующий в процессе нарастания прочности цемента в течение всего времени. Без сомнения, он является главным звеном, хотя, в период первых суток жизни бетона у трёхкальциевого силиката есть серьёзный более шустрый соперник C3A, о котором мы упомянем позже. Процесс гидратации цемента является изотермическим, то есть — химическая реакция сопровождающаяся выделением тепла. Именно C3S «греет» раствор цемента при затворении, прекращает греть в период с начала затворения до момента начала схватывания, затем выброс тепла в течение всего периода схватывания и дальше происходит постепенное снижение температуры.

Трёхкальциевый силикат и его вклад в набор прочности бетона наиболее значим лишь в первый месяц жизни бетонной или ЖБИ конструкции. Это те самые 28 дней нормального твердения. Далее, его влияние на набор прочности цемента ощутимо уменьшается.

C2S двухкальциевый силикат 2CaO x Si02 начинает активно действовать лишь спустя месяц после затворения цемента в бетонной смеси, как будто принимая смену у своего трехкальциевого брата-силиката. В течение первого месяца жизни бетона или ЖБИ он в общем-то валяет дурака и ждёт своего часа. Это период безделья и расслабухи можно существенно сократить за счёт применения специальных добавок в цемент. Зато, его действие длится годами, в течении всего периода нарастания прочности железобетона, ЖБИ или бетона.

C3A трёхкальциевый алюминат 3CaO x Al2O3 наиболее активный из перечисленных. Он начинает кипучую деятельность с самого начала процесса схватывания. Именно ему мы обязаны за набор прочности, в течение первых дней жизни бетона или железобетона. В дальнейшем его роль в твердении и наборе прочности минимальна, но в скорости ему нет равных. Марафонцем его не назовёшь, а вот спринтером, пожалуй — да.

C4AF четрыёхкальциевый алюмоферит 4CaO x Al2O3 x Fe2O3 это как раз тот самый, который — «непонятно зачем вообще здесь ошивается». Его роль в наборе прочности и твердении минимальна. Незначительное воздействие на набор прочности отмечается лишь на самых поздних сроках твердения.

Все перечисленные компоненты при затворении водой вступают в химическую реакцию, благодаря которой происходит нарастание, сцепление и осаждение кристаллов гидратированных соединений. По сути, гидратацию можно назвать и кристаллизацией. Так наверное понятней.

Благодаря стараниям учёных и научным разработкам многочисленных испытательных лабораторий и НИИ стало возможным прогнозируемое и регулируемое воздействие на процесс гидратации цемента, влияние на начало и конец схватывания, регулируемая подвижность бетона, его прочность, коррозионная стойкость и так далее. В основном это делается за счёт применения специальных добавок в бетон. Спектр доступных методов воздействия на процесс схватывания цемента и дальнейшего набора прочности бетона или ЖБИ довольно широк и более подробно он описан в разделе добавки для бетона.

Компания БЭСТО поставляет товарный бетон и раствор, изготовленные с применением самых современных добавок, позволяющих получать бетонные смеси и цементные растворы с улучшенными показателями по морозостойкости, водонепроницаемости, подвижности и т.д. Современное дозирующее и бетоносмесительное оборудование помогает добиться наилучших результатов по однородности состава бетонной смеси или цементного раствора.

Надеюсь, что не загидратировал Вам мозги своими силикатами и алюминатами. С трёхкальциевым приветом, Эдуард Минаев.

Это интересно: Два способа затирки бетона — рассматриваем по полочкам

Основные стадии затвердевания

В создании монолитного бетонного сооружения или товарной железобетонной продукции принято выделять два существенных этапа: схватывание цементного раствора и твердение бетонного массива. Последовательное успешное выполнение этапов позволяет получить запланированные характеристики сооружений.

Схватывание цемента

Первый этап длится не более суток. На скорость схватывания влияют соотношение основных ингредиентов цемента, модифицирующих присадок и температуры окружающей среды.

В зависимости от состава цементные смеси различаются:

• Быстрые, начало схватывания от 45 минут после замеса;
• Медленные, по истечении 2 часов соединения с водой;
• Средние, время схватывания между 45 и 120 минутами.

Температура окружающей среды для схватывания после выбора смеси играет определяющую роль. Зависимость от нее прямая: чем она выше, тем быстрее схватывается раствор цемента.

При комнатной температуре плюс 20° бетон схватится максимально через 3 часа (сам этап схватывания длится час).

Если заливка производится при 0° и ниже, процесс схватывания может затянутся до 20 часов. Это происходит из-за задержки начала этапа до 10 часов от заполнения форм.

При выпуске товарных бетонных изделий в камерах с насыщенным паром и высокой температурой (пропариванием) на заводах ЖБИ время схватывания сокращают до 20 минут.

Цементный раствор, который прошел этап схватывания, еще не продукт с нужными параметрами. Он еще не стал бетоном и может разрушаться при небольших нагрузках, терять образовавшиеся слабые связи, которые уже не восстановить. До завершения второго этапа нельзя производить механических работ и ухудшать температурный режим.

Процесс твердения цемента

Второй этап получения прочного бетона запускается примерно через сутки после начала гидратации. В первую неделю после схватывания цементный раствор приобретает до 70% заявленных характеристик. Затем твердение замедляется и на 90-95% прочности бетон выходит по истечении 28 дней. Остальные 5% прочностных характеристик цементный камень может добирать несколько лет.

Четырехнедельный срок твердения бетона определен производителями различных марок цементных смесей для гарантированного получения качественного монолита.

Во время застывания нельзя подвергать массив механическим воздействиям, чтобы не нарушать связи заполнителя с кристаллизирующимися частицами цемента. При необходимости, до 20-го дня процесса, можно увлажнять бетон, защищать от солнечного света (ультрафиолета) и обеспечить температуру выше 0° (желательно).

Гидратация цемента – получение прочного цементного камня

Когда смешивается вода с цементом, то происходит гидратация цемента. При этом начинается химическая реакция между клинкерными составляющими цемента и водой. Это реакция вызывает образование твердых новообразований (гилратов), они в свою очередь плотно наполняют ту емкость, в которую был залит цемент с водой. Объем плотно заполняется наслоением гелевых частиц и происходит упрочнение. Результатом гидратации цемента будет превращение жидкого и пластичного цементного клея в цементный камень. Первый этап этого процесса называется схватывание (загустевание), дальнейший процесс называется упрочнением (твердением).

Таким образом, когда взаимодействуют составляющие цемента и вода происходят два процента. Сначала молекулы воды присоединяются непосредственно к составляющим – это и есть настоящая гидратация цемента. Дальнейший процесс характеризуется гидролизом – взаимодействие воды с минералами цемента. Термин «гидратации» применим ко всем реакциям цемента с водой.

Можно подробнее рассмотреть весть процесс гидратации цемента. Каждая частица цемента, которая выглядит в виде дробленного зерна, окружена водой затворения, объем воды 50-70 объемных процентов. Он наполняется новыми образованиями и возникает прочная структура, которая называется цементным камнем. При взаимодействии воды с зернами идет химическая реакция, благодаря которой, на поверхности зерен и в воде происходит возникновение иглообразных кристаллов.

Спустя 6 часов их становится так много, что цементные зерна между собой образуют пространственную связь. По прошествии 8-10 часов весь объем, в котором постепенно уменьшаются цементные зерна, заполняется иглообразными кристаллами. По-другому его называют «алюминатной структурой». Теперь пластичная до этого масса застывает, при этом она быстро становится прочной.

Оставшиеся пустоты заполняются, правда не так интенсивно, продуктами гидратации клинкерными минералами. Они образуют “силикатную структуру” – это гомогенный очень тонкопористый ворс из маленьких кристаллов. Эта структура становится все более значимой и превращается в цементный камень. Через сутки она начинает вытеснять алюминатную структуру. Когда пройдет 28 суток остается только силикатная структура, это является сроком испытания цемента.

Процесс гидратации характеризуется возникновением гелеобразных образований, а конечный продукт являются гелием.

Гидратация цемента — что это такое? |

При смешивании цемента с водой присходит физико-химическая реакция, называемая гидратацией.

Гидратация вызывает твердение цементного клея и превращение его в прочный цементный камень.

Процесс твердения цементного камня (бетона) условно разделяется на две стадии:

• схватывание (кристаллизация, загустевание),
• твердение (набирание прочности)

Процесс схватывания начинается через 4-6 часов после смешивания цемента с водой и может длиться около суток, в зависимости от температуры окружающей среды.

Частички цемента начинают кристаллизоваться и связывают заполнитель цементного раствора или бетона (песок, щебень) между собой.

Бетон (раствор) начинает густеть, становится менее подвижным.

В зависимости от необходимости этот процесс можно ускорить или, наоборот, растянуть с помощью специальных добавок. Чаще всего это пластификаторы с комбинированными свойствами (ускоритель или замедлитель).

Условно говоря, через сутки начинается вторая стадия — твердение цементного камня (набор прочности). При идеальных условиях длится она 28 дней.

На начальном этапе ни о какой прочности не может идти и речи. Чатицы цемента кристаллизовались и скрепили заполнитель раствора вокруг себя, но эти соединения очень хрупкие и легко разрушаемые. При малейших механических воздействиях или подвижках эти соединения разрушаются и раствор уже никогда не свяжется и не затвердеет (не поможет и повторное заливание водой).

Пример 1: если походить по стяжке, которая только начала твердеть и набирать прочность, то разрушенные соединения раствора уже не схватятся между собой и стяжка начнет крошиться и высыпаться в этих местах.

Пример 2: кафель намного легче снять на следующий день после укладки, чем в сам день укладки. Пока клей вязкий плитку очень тяжело оторвать от стены (пола). На след.день клей кристаллизуется, но стоит только пару-тройку раз постучать по плитке кулаком (резиновым молотком), так она сразу легко снимется.

За первые 7 дней цементный камень набирает около 70% всей своей прочности, затем процесс твердения замедляется и за оставшиеся три недели он набирает еще около 20-25% прочности.

Существует мнение, что бетон набирает прочность первые сто лет своей «жизни» и еще сто лет он ее утрачивает, т.е. через двести лет бетон может стать критично слабым и разрушиться (привет балконам на «екатерининках» и «сталинках»).

Но для того, чтобы бетон продолжал набирать прочность — он постоянно должен поддерживаться во влажном состоянии.

В первые 2-3 недели желательно периодически проливать его водой и, при жаркой погоде или на сквозняке, накрывать пленкой, чтобы влага не испарялась быстро.

Если влага испарилась или замерзла в растворе, то процесс набора прочности останавливается.

Поэтому принудительное высушивание стяжки просто не допустимо.

Забудьте об открытых настеж окнах и дверях, включении ТП, тепловентиляторов и т.п.

бетон, материалы, цемент,

Уход за раствором в период высыхания

Бетонный раствор нуждается в выполнении ряда правил после заливки, специфика которых зависима от времен года. Прочность непосредственно обусловливается соблюдением оптимальной температуры и атмосферной влажности. Для обеспечения правильной реакции между основными составляющими бетонной смеси и воды. Если придерживаться базовых указаний раствор станет очень прочным и твердым.

Специалисты не советуют заниматься заливкой в жару. Оптимальное время для выполнения строительных работ в летнее время — до или после обеда. В противном случае рекомендуется защищать смесь от ультрафиолета укрывными материалами (шифер, рубероид и др.).

Далее следует защищать верхний слой, чтобы предотвратить появление отверстий на поверхности. Делая замешивание самостоятельно в бетономешалке нужно соблюдать правила СНиП, не допуская долгих простоев между работами.

Длительные интервалы между строительными работами противопоказанны в жару, так как бетонный раствор высыхает довольно быстро и становится непригодным. Во избежание чего требуется регулярно увлажнять состав водой, препятствуя высыханию влаги и следовать технологическим нормам.

Рекомендуется в смесь добавлять воду раз в 10-12 часов при температуре окружающей среды выше 15°C, а при ветреной погоде — каждые 2 часа.

Зависимость времени набора прочности от марки бетонной смеси

Логически понятно, что применение для приготовления бетонных составов разных марок портландцемента приводит к изменению времени твердения бетона. Чем выше марка портландцемента, тем меньше время для набора прочности требуется смеси. Но при использовании любой марки, будь это марка 300 либо 400, не следует прикладывать к железобетонной конструкции значительные механического характера нагрузки раньше, чем по истечении 28 дней. Хотя время схватывания бетона по таблицам, приведенным в строительных правилах, может быть и меньше. Особенно это касается бетонов, приготовленных с применением портландцемента марки 400.

за 14 суток	за 28 суток
100	150	100	150	200	250	300	400
300	0.65	0.6	0.75	0.65	0.55	0.5	0.4	—
400	0.75	0.65	0.85	0.75	0.63	0.56	0.5	0.4
500	0.85	0.75	—	0.85	0.71	0.64	0.6	0.46
600	0.9	0.8	—	0.95	0.75	0.68	0.63	0.5

Проектирование, строительство и окончательное обустройство любых построек с применением железобетонных компонентов требует внимательного отношения ко всем стадиям возведения. Но от тщательности изготовления бетонных составляющих, в особенности фундаментов, в значительной степени зависит долговечность и надежность всего сооружения. Соблюдение сроков, за какое время схватываются бетонные смеси и составы, можно с уверенностью назвать основой успеха в любом строительном процессе.

Ложное схватывание цемента

При приготовлении бетонных растворов своими силами непосредственно на строительной площадке существует опасность ложного схватывания цемента. Лаборатории бетонных заводов четко отслеживают этот вредный показатель и принимают соответствующие меры. Поэтому приобрести готовый бетон с ложным схватыванием практически невозможно.

Определение ложного схватывания цемента – ложным схватыванием связующего принято называть сиюминутное загустевание бетона в течение нескольких минут после затворения. Причиной ложного схватывания, является нарушение технологии производства цемента либо наличие щелочи. В соответствии с ГОСТ 30515-2013 существуют следующие виды ложного схватывания

• Ложное схватывание I типа. Моментальная потеря подвижности цементным тестом, связанная с нарушением технологии производства. Устраняется с помощью повторного перемешивания смеси без добавления затворителя.
• Ложное затвердевание II типа. Временная либо частичная потеря подвижности цементной субстанции по другим причинам, также устраняемая с помощью повторного перемешивания смеси без добавления затворителя.

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.

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.

В течение первых 7 дней бетонный раствор набирает до 70% прочности, потом твердение идет медленнее и еще за 21 день монолит набирает около 20-25% прочности. Среди мастеров бытует мнение, что первые 100 лет бетон постепенно набирает прочность, а последующие 100 лет ее утрачивает.

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).

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.