Гидратация бетона что это: Гидратация цемента и что определяет скорость процесса твердения – формулы и время

Гидратация цемента и что определяет скорость процесса твердения – формулы и время

Цемент – популярный строительный материал, получаемый искусственным путем. Он представляет собой мелкодисперсный порошок, который при взаимодействии с водой превращается в пластичную массу, способную затвердевать даже в условиях высокой влажности. Физико-химический процесс взаимодействия цемента с водой называется гидратацией. В результате его протекания растворы и смеси, изготовленные на базе цементного вяжущего, после твердения приобретают высокую прочность, водонепроницаемость, устойчивость к температурным перепадам.

Гидратация цемента – особенности процесса

Гидратация – это необратимый процесс, при котором молекулы воды соединяются с молекулами минералов, входящих в состав цемента. В результате таких взаимодействий образуется пластичная масса, которая после затвердевания преобразуется в камнеподобное твердое тело.

В нормативной документации указываются допустимые водоцементные соотношения, которые зависят от применяемой марки цемента и требуемых характеристик получаемых продуктов. При достаточном количестве химически связывается примерно 25 % воды, остальная жидкость переходит в физически связанное состояние. Введение в материал воды в количестве меньше допустимого приводит к неполной гидратации, а больше допустимого – к образованию пор. В обоих случаях прочностные характеристики конструкции снижаются.

Основные стадии гидратации

Первая стадия гидратации цементного вяжущего – схватывание, протекающее в первые часы после затворения сухих компонентов водой. Время начала схватывания и скорость протекания этого процесса определяют следующие факторы:

  • Температура окружающей среды. Чем она выше, тем быстрее протекает процесс. При комнатной температуре он длится до трех часов, при высоких температурах, созданных в камерах пропаривания, – до 20 минут. При 0 °C схватывание может занять до 20 часов.

  • Состав вяжущего – номенклатура и соотношение минеральных компонентов, применяемые добавки. По ГОСТу 30515-2013 выделяют по скорости схватывания при стандартных условиях (+20 °C, относительная влажность – 75 %) три категории цементов: медленно схватывающиеся (начало процесса – через 2 часа после затворения), нормально схватывающиеся (начало схватывания – от 45 минут до 2 часов после затворения), быстро схватывающиеся (начало схватывания – до 45 минут после затворения цемента водой).

  • Тонкость помола – чем порошок мельче, тем быстрее происходит схватывание.

Ненадолго отложить начало схватывания позволяет перемешивание пластичного материала. В вязком продукте даже при перемешивании через определенное время начинаются необратимые процессы, которые негативно влияют на прочность отвердевшего элемента. Строители называют такое явление «свариванием бетона». Скорость схватывания и последующего твердения можно изменить введением в состав раствора или бетона пластификаторов и других добавок.

Следующий после схватывания более длительный этап – твердение цемента. Этот процесс, который обычно начинается в течение суток после начала гидратации, может протекать в течение нескольких лет. В течение первых 7 дней созданная конструкция приобретает примерно 70 % прочности. Через 28 дней после заливки раствор или смесь набирают марочную прочность. Она составляет примерно 90-95 % от максимального показателя, для достижения которого требуется несколько лет.

Для получения качественного конечного продукта обеспечивают нормальные условия твердения цемента. Для этого необходимо:

  1. Оградить конструкцию от малейших механических воздействий, поскольку связи, созданные на начальных этапах гидратации, – непрочные. Они легко разрушаются и восстановлению не подлежат.

  2. Первые 2-3 недели для нормального протекания в гидратации создавать влажную среду и оберегать конструкцию от прямого воздействия солнечных лучей.

  3. Не допускать резких перепадов температуры. Для этого конструкцию засыпают небольшим слоем песка или опилок, укрывают утепляющими матами.

Такие меры, принятые во время твердения цемента, позволят снизить усадку конструкции, избежать появления трещин и деформаций.

Зависимость процесса гидратации от химического состава цемента

Механизмы схватывания и твердения цемента зависят от номенклатуры и процентного соотношения компонентов вяжущего. Некоторые из них начинают взаимодействовать с водой на начальной стадии гидратации, другие – через определенный промежуток времени.

В состав портландцемента входят:

  • C2S – двухкальциевый силикат. Этот компонент вступает в реакцию с водой не сразу, а примерно через месяц после набора продуктом марочной прочности. Он положительно влияет на прочностные показатели бетона в долгосрочной перспективе. Применение пластификаторов ускоряет вступление двухкальциевого силиката в реакцию твердения цемента.

  • C3S – трехкальциевый силикат. Этот компонент участвует во взаимодействии с водой с самого начала приготовления смеси или раствора и в течение всего периода гидратации. Но наибольший вклад он вносит в период набора марочной прочности материала.

  • C3A – трехкальциевый алюминат. Способствует нарастанию прочности материала в первые дни твердения. В более поздний период он перестает работать.

  • C4AF – четырехкальциевый алюмоферит. Вступает в действие уже в ходе твердения. Улучшает характеристики бетона на самых поздних сроках набора прочности.

Как можно ускорить или замедлить схватывание и твердение цемента

При проведении строительных работ часто возникают ситуации, требующие сокращения времени схватывания и твердения цемента, решить эту проблему позволяет применение специальных добавок. Они понадобятся при проведении бетонирования в зимних условиях или при необходимости увеличить темпы строительства.

Наиболее популярные присадки-ускорители твердения цемента:

  • 4 %-е нитрат кальция или нитрат натрия, нитрит-нитрат кальция или хлорида кальция, нитрит-нитрат сульфата натрия;

  • 2 %-й сульфат натрия;

  • 2 %-й хлорид кальция – используется для армированных конструкций;

  • 3 %-й хлорид кальция – предназначен для неармированных бетонных элементов.

Замедлители гидратации цемента используются в основном при возведении масштабных конструкций – крупноразмерных фундаментов, чаш бассейнов, гидротехнических и подземных объектов.

Функции замедлителей выполняют пластификаторы и гиперпластификаторы. Применение таких добавок позволяет сохранить подвижность бетонных растворов и их рабочие характеристики в течение 24-48 часов после затворения вяжущего водой.

Гидратация цемента – важный процесс, который должен протекать с соблюдением правил, установленных государственными нормативами и проектной документацией для конкретного строительного объекта. Благодаря разработке широко спектра добавок стало возможным регулирование в широких пределах начала и скорости схватывания пластичного материала, его подвижности, прочности на разных стадиях твердения, коррозионной стойкости и других характеристик.

Гидратация цемента — что это такое?

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.

Содержание

  • 1 Гидратация – что это такое
  • 2 Схватывание цемента
  • 3 Процесс твердения цемента

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.

В состав портландцемента входят активные минеральные добавки, за счет которых бетон постепенно набирает нужный уровень прочности. Независимо от типа и марки цемента, в его состав входят четыре основных минеральных составляющих.

Компоненты, входящие в состав цемента:

  • С2S – двухкальцивеый силикат
  • С3S – трехкальциевый силикат
  • С3А – трехкальциевый алюминат
  • С4АF – четырехкальциевый алюмоферит

Все компоненты очень важны, обладают определенными свойствами, влияют специфическим образом на схватывание цемента, его твердение. Некоторые начинают сразу взаимодействовать с водой, другие работают постепенно, через какой-то отрезок времени.

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.

Схватывание цемента

Это самый короткий этап набора прочности бетонной смеси, которая проходит первой. Сроки схватывания зависят от состава смеси (пластификаторы, присадки могут менять характеристики) и окружающей температуры воздуха. Чем более высокая температура, тем активнее проходят процессы.

Стандартные сроки схватывания цемента:

  • При комнатной температуре – до 3 часов
  • При низкой температуре – до 20 часов
  • При высокой температуре (если бетон находится в камере пропаривания) – до 20 минут

Существуют разные типы цемента, которые выделяют в соответствии со временем схватывания. Медленный цемент начинает схватываться по истечении 2 часов после замеса, средний – через 45-120 минут, быстрый – через 45 минут. Даже если условия неблагоприятные для прохождения реакции, цемент схватывается максимум за сутки.

После того, как бетон схватился, он еще не обладает всеми параметрами по стандарту и продолжать строительные работы запрещено. Бетон может разрушаться даже при минимальных нагрузках, терять характеристики, неравномерно застывать и т.д. Поэтому в процессе набора прочности цемента нужно прекратить работы и обеспечить идеальные условия.

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.

Что такое гидратация цемента? — Maturix

При смешивании цемента, воды, заполнителя и добавок происходит значительное повышение температуры. Это связано с экзотермическим процессом реакции между цементом и водой (называемой гидратацией).

Измерение температуры бетона с течением времени позволяет узнать, насколько бетон находится в процессе гидратации (созревание бетона), а также оценить его прочность. Процесс гидратации делится на пять фаз:

Содержание

1. Фаза: Начальная реакция смешивания

2. Фаза: покой

3. Фаза: Ускорение прочности

4. Фаза: снижение скорости

5. Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза: Фаза. Устойчивое развитие

Фаза 1: Начальная реакция смешивания

Начальная после смешивания цемент и вода вступают в контакт друг с другом, возникает пик температуры. Алюминат (C3A) реагирует с h3O (ионами кальция и сульфата) с образованием эттрингита (гидрата алюмината). Высвобождение энергии этих реакций вызывает начальный пик.

Фаза 2: Покой

Результатом реакции, описанной в фазе 1, является поверхностное покрытие частиц цемента. Это покрытие удерживает рост, но также замедляет реакцию (гидратацию), так как доступ к воде не такой хороший, как при замешивании бетона. Количество гидратированного бетона постоянно увеличивается, в то время как поверхность бетона остается жидкой.

Вот почему эта фаза используется для транспортировки и заливки бетона, так как бетон остается на жидком уровне. Продолжительность этого периода зависит от каждой конкретной бетонной смеси и, следовательно, может быть оптимизирована в зависимости от области применения, такой как зимнее бетонирование, длительность транспортировки и т. д.

Эта фаза заканчивается начальным схватыванием бетона.

Фаза 3: Ускорение прочности

Увеличение тепла происходит из-за реакции между силикатами кальция (C3S и C2S), которая создает гидрат силиката CSH (повышение тепла также вызывается другими второстепенными реакциями). Создание CSH также оказывает большое влияние на прочность бетона на этом этапе.

Например, в случае укладки массивного бетона очень важно отслеживать колебания внутренней температуры, так как температура бетона на этом этапе может быстро повышаться и достигать внутренней температуры, например, 70-80°C (в некоторых случаях даже выше). Обычно не рекомендуется превышать температуру около 70°C.

Фаза 4: Снижение скорости

Максимальная температура достигнута, количество свободных частиц снижено, что замедляет рост температуры.

Эта фаза часто заканчивается достижением желаемой прочности, и теперь можно снять опалубку вокруг бетона. Мониторинг зрелости и температуры бетона и, следовательно, предоставление пользователю точного времени там, где это возможно.

Фаза 5: Стабильная разработка / Опалубка

Процесс гидратации теперь замедлен и будет продолжаться медленно, чтобы закончить оставшийся доступный цемент и частицы воды. Теперь опалубку часто снимают, и бетон со временем (может занять много времени) завершит процесс гидратации и достигнет окончательной прочности (это может занять недели или месяцы).

Какие продукты гидратации цемента? [PDF]

🕑 Время чтения: 1 минута

Химическая реакция, происходящая между цементом и водой, известна как гидратация цемента. Эта реакция является экзотермической по своей природе, что означает выделение тепла во время реакции, а выделяющееся тепло называется теплота гидратации .

Обычно цемент выделяет 89-90 кал/г тепла за 7 дней и 90-100 кал/г за 28 дней. Гидратация не является мгновенным процессом, и для полной гидратации частиц цемента могут потребоваться годы.

В основном в цементе присутствуют четыре типа соединений, а именно C 3 A, C 4 AF, C 3 S и C 2 S, широко известные как соединения Bogue, которые принимают участие в химическая реакция.

Гидратация этих составов приводит к образованию определенных продуктов, что в свою очередь приводит к схватыванию и твердению цемента и, как следствие, превращению в затвердевшую прочную массу.

Contents:

  • Major Products of Hydration
    • 1. Calcium Silicate Hydrate
    • 2. Calcium Hydroxide
    • 3. Calcium Aluminate Hydrate
    • 4. Ettringite
  • FAQs on Hydration Products of Cement

Major Продукты гидратации

1.

Гидрат силиката кальция

Как только вода добавляется к частицам цемента, C 3 S и C 2 S реагируют с водой с образованием гидрата силиката кальция (C-S-H) и гидроксида кальция ( Са(ОН) 2 ).

Химическая реакция показана ниже:

2C 3 S + 6H  ——  C 3 S 2 H 3 + 3Ca(OH) 7 S 7 9077 2 90338 90 900 + 4H  ——  C 3 S 2 H 3 + Ca(OH) 2

Продукт C-S-H также известен как тоберморитовый гель .

Термин C-S-H написан через дефис, поскольку не существует четко определенного соотношения CaO и SiO 2 . Его состав в гидратированном продукте колеблется в пределах 50-60%. Это самый важный из всех продуктов, и он отвечает за все хорошие свойства бетона, т. е. прочность, долговечность и т. д.

Было обнаружено, что гидратация C 3 S дает меньше C-S-H, чем Ca(OH) 2 , по сравнению с гидратацией C 2 S. Кроме того, качество и плотность C-S-H, производимого C 3 S уступает C 2 S.

2.

Гидроксид кальция

Ca(OH) 2 является другим продуктом гидратации C 3 S и C 80 9 S. до 25 % от затвердевшего объема гидратированного цементного камня. Гидроксид кальция помогает поддерживать значение pH 13 вокруг арматуры, что действует как пассивный защитный слой, предотвращающий коррозию арматуры. Это единственное преимущество присутствия гидроксида кальция в бетонной массе.

Приводит к потере прочности бетона по трем причинам:

  1. Ca(OH) 2 легко растворяется в воде и выщелачивается, делая бетонную массу пористой, что приводит к низкой прочности и долговечности.
  2. Ca(OH) 2 реагирует с сульфатами, присутствующими в воде или почве, и образует CaSO 4, , который, в свою очередь, реагирует с C 3 A и образует продукты большего объема, что приводит к образованию трещин и разрушению бетона. Это явление также называют Сульфатная атака.
  3. Ca(OH) 2 реагирует с CO 2  находящимся в атмосфере и образует CaCO 3 . Вначале реакция протекает на поверхности бетона, но постепенно проникает в массу. Если бетонная масса малопористая и снижает значение рН пассивного защитного слоя, это делает арматуру подверженной коррозии. Этот вид износа называется карбонизацией бетона .

Таким образом, видно, что Ca(OH) 2 в основном нежелателен в бетоне, но из-за его способности защищать арматуру его ценность не может быть полностью подорвана.

3.

Гидрат алюмината кальция

C 3 A и C 4 AF представляют собой алюминаты, присутствующие в цементе и после гидратации превращающиеся в гидрат алюмината кальция. C 3 AH 6 и C 3 FH 6 являются относительно стабильными соединениями гидратации C 3 A и C 4 АФ соответственно.

Эти продукты гидратации не придают бетону никакой прочности или уникальных свойств; вместо этого их присутствие вредно для бетона, особенно в тех случаях, когда бетон подвержен сульфатному воздействию.

4. Эттрингит

Хорошо известно, что из-за быстрой гидратации С 3 А и С 4 AF происходит мгновенное схватывание цемента, что может привести к развитию трещин в бетоне. Чтобы предотвратить это явление, гипс (CaSO 4 ) добавляется во время производства цемента, что снижает растворимость C 3 A и C 4 AF и регулирует характеристики мгновенного схватывания.

Этот сульфат гипса реагирует с C 3 A и C 4 AF и образует сульфат алюмината кальция, также широко известный как эттрингит .

Следует отметить, что это соединение образуется до затвердевания бетона, поэтому первичное образование эттрингита не оказывает вредного воздействия на бетон. То же самое соединение становится вредным для бетона, если оно образуется после затвердевания бетона.