Как ускорить твердение бетона

Незаменимый в строительстве бетон, наряду с несомненными достоинствами (экологической безопасностью, прочностью, устойчивостью, долговечностью, стильным внешним видом), имеет и некоторые недостатки. Один из них — долгое застывание, которое существенно тормозит темпы производства работ. Приходится ждать дни и недели, пока застынет монолитная бетонная конструкция или кладочный раствор, пока наберут нужную прочность штучные изделия из бетона. На все это нужно время, а лишнего времени ни у кого нет.

Но на нынешний день разработано немало способов и методов, позволяющих этот недостаток обойти с той или иной степенью элегантности. О том, что это за способы, и какой из них выбрать, читайте в статье.

Как известно, бетон в нормальных условиях набирает расчетную прочность за 28 суток. Нормальными считаются такие условия, при которых температура окружающего воздуха составляет 18–22 °С, а его влажность превышает 90 %.

Такие сроки твердения, в целом, являются недостатком бетона как строительного материала, ведь приходится ждать довольно долго, прежде чем будет возможно нагружать конструкции или использовать штучные изделия из бетона.

Поэтому применяются различные мероприятия, позволяющие ускорить процесс набора прочности бетонных изделий и конструкций.

Что такое прочность бетона, какой она бывает, и от чего она зависит

Прочность бетона — одна из основных и важнейших его нормируемых характеристик. Согласно СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003», а также СТО НОСТРОЙ 121-2013 «Строительные конструкции зданий и сооружений. Устройство конструкций с применением изделий и армированных элементов из ячеистых бетонов автоклавного твердения. Правила, контроль выполнения и требования к результатам работ, рекомендации по применению», по прочности на сжатие бетоны подразделяются на классы. Класс бетона обозначается литерой В с числовым коэффициентом и соответствует значению кубиковой прочности бетона на сжатие в МПа с обеспеченностью 0,95.

Так, тяжелые бетоны, применяемые в строительстве в качестве конструкционного материала, подразделяются на следующие классы по прочности на сжатие: В3,5, В5, В7,5, В10, В12, В15, В20, В25, В30, В35, В40, В45, В50, В55, В60, В70, В80, В90, В100. Также есть промежуточные значения — В22,5, В27,5.

Расчетной прочности бетон достигает в процессе твердения, во время которого тестообразная бетонная смесь постепенно приобретает характеристики камнеподобного материала.

На прочность бетона более всего влияют такие факторы, как количество цемента в смеси и его характеристики (прочность, гранулометрия, тонкость помола, химический состав, свежесть), водоцементное соотношение, свойства заполнителей, методы обработки и укладки смеси, а также уход за уложенным бетоном.

Важно!

При определении класса бетона, влияние технологических факторов (условий приготовления, уплотнения и твердения бетонной смеси) исключают, принимая их постоянными.

Помимо расчетной прочности, различают также распалубочную и критическую прочность.

Критической называют прочность бетона, по достижении которой его можно замораживать без ущерба для его качества. Она определяется проектом и составляет от 30 до 70 % от расчетной прочности, но если такой информации в проектной документации нет, СТО НОСТРОЙ 121-2013 предписывает принимать ее как 70 % от расчетной.

Распалубочной называют прочность, по достижении которой можно снимать опалубку с изделия. Ее значение указывается в проектной документации; при отсутствии такой информации опалубку снимают по достижении 70 % расчетной прочности бетона либо, при наличии обоснования, по достижении 50 % от проектной прочности, но не ранее, чем через 7 дней.

В каких случаях требуется ускорить созревание бетона

При производстве бетонных работ нередко требуется ускорить процессы твердения бетона, чтобы добиться тех или иных целей:

1. при производстве штучных изделий — чтобы быстрее освободить формы и повысить производительность рабочего процесса;
2. увеличить оборачиваемость опалубки;
3. повысить темпы строительства;
4. в зимнее время — быстрее достигнуть критической прочности бетона, чтобы прекратить дорогостоящие мероприятия по обогреву или прогреву уложенного бетона.

Состав бетонной смеси и этапы твердения бетона

Бетон начинается с приготовления бетонной смеси. Основные ее компоненты — цемент и вода, также в состав раствора вводят заполнители.

Рассмотрим кратко основные компоненты растворных смесей.

Цемент

Это основа будущего бетона, которая называется вяжущим. Представляет собой порошок той или иной степени измельчения.

Благодаря своим адгезионным и когезионным свойствам, цемент может соединять отдельные минеральные частицы в монолитное целое.

Еще древние греки применяли в качестве вяжущего обожженный известняк, а прототип современного цемента был приготовлен в 1845 году из обожженной смеси глины и мела.

Сегодня портландцементы получают, обжигая при температуре спекания тщательно перемешанные сырьевые смеси, состоящие из известняка и глинистых либо других материалов, содержащих кремнезем, глинозем и окислы железа. Полученный клинкер размалывают.

Цементы, в зависимости от своих характеристик, подразделяются на различные виды. Основной нормируемой характеристикой цемента является прочность на сжатие. Обычно цемент для приготовления бетонной смеси выбирают класса по прочности на сжатие в два раза выше, чем требуемая прочность бетона.

Также цементы могут иметь разную крупность помола, активность, скорость твердения и другие характеристики.

Вода

Вода для бетонной смеси должна быть пресной, чистой, а также добавленной в строго определенном количестве.

В соответствии с ГОСТ 23732–2011, вода должна иметь водородный показатель не менее 4 и не более 12,5, также ограниченное содержание растворимых солей и взвешенных частиц. Применение сточной, болотной и торфяной воды не допускается, а питьевая вода может применяться без предварительного опробования.

Именно добавление воды к цементу, который является вяжущим водного твердения, запускает каскад химических реакций гидратации, которые приводят к образованию твердого материала — цементного камня.

Водоцементное соотношение смеси — это параметр, который наиболее важен для прочности бетона. Он настолько важен, что отражен в законе водоцементного соотношения, который формулируется следующим образом: «При стандартных испытаниях прочность бетона, приготовленного из одних и тех же материалов, зависит только от водоцементного соотношения».

Водопотребность цементов составляет от 24 до 32 %. Более тонко смолотые цементы имеют более высокую водопотребность и наоборот. Поэтому оптимальным считается количество воды, составляющее 30 % от массы цемента. Для удобства работы в/ц могут повышать до 0,5–0,7, однако больше его повышать не рекомендуется.

Заполнители

При смешивании цемента с водой получается цементное тесто, которое твердеет, превращаясь в цементный камень. Но в процессе твердения из-за различных причин цементный камень дает усадку, что приводит к появлению трещин.

Подробнее читайте в статье «Усадка бетона»

Чтобы уменьшить усадочные явления, увеличить прочность бетона и снизить расход наиболее дорогостоящего компонента бетона — цемента — в состав бетонных смесей вводят крупные и мелкие (или только мелкие) заполнители, объемная доля которых может составлять 80 % и более от объема бетона. Это инертные компоненты, не участвующие в реакциях, которые приводят к твердению бетона, поэтому в данной статье они подробно рассматриваться не будут.

Как твердеет бетон

Процесс твердения бетона очень сложен и до сих пор не изучен наукой досконально; существуют общепринятые теории, которых придерживаются ученые, но при этом продолжаются работы по изучению этого процесса.

Считается, что при смешивании цемента с водой частицы цемента смачиваются, и на их поверхности начинаются химические реакции между водой и соединениями клинкера. Чем мельче частицы, тем больше удельная поверхность цемента, то есть, больше площадь поверхности, на которой протекают реакции, а значит, реакции протекают интенсивнее.

В процессе этих реакций образуются кристаллические структуры и коллоидные продукты, что приводит к образованию цементного камня.

Выделяют две основные стадии твердения бетона — схватывание и твердение.

Схватывание бетона происходит в течение первых 2–3 часов после укладки бетонной смеси, но обычно не раньше, чем через 45 минут.

Процесс характеризуется внезапным быстрым и прогрессирующим загустеванием смеси. При этом наблюдаются температурные изменения — при начале схватывания температура смеси повышается. Это объясняется тем фактом, что реакции гидратации цемента носят экзотермический характер (протекают с выделением тепла). По повышению температуры можно понять, что смесь загустела именно из-за схватывания, а не потому что вода испарилась или была поглощена пористым заполнителем. Процесс схватывания длится около часа. Для строителей важно, что пока смесь не схватилась, ее можно обрабатывать.

После окончания схватывания начинается, собственно, твердение бетона. Этот процесс возможен лишь при сохранении насыщенности раствора водой, пока пространства, первоначально наполненные водой в свежеуложенной смеси, не будут заполнены требуемым количеством продуктов гидратации цемента. Поэтому применяются специальные мероприятия по уходу за бетоном, позволяющие сохранить необходимую влажность раствора.

Читайте также: Уход за бетоном

Твердение бетонной смеси протекает нелинейно. В общем смысле, процессы твердения на начальных этапах протекают с высокой скоростью, которая постепенно замедляется. В нормальных условиях на 28-е сутки бетон набирает расчетную прочность, но твердение, постоянно замедляясь, продолжается.

Это связано с тем, что полная гидратация зерен цемента к проектному возрасту бетона не достигается; если использовался крупно смолотый цемент, непрореагировавшие зерна в нем обнаруживаются даже спустя годы. Этот фактор влияет на надежность бетона в процессе эксплуатации, поскольку твердение бетона — это стадийное чередование этапов набора и сброса прочности (подробный график твердения бетона выглядит пилообразно).

В контексте рассматриваемой темы ускорения твердения бетона имеет значение то, что стадии набора и сброса прочности чередуются каждые 90 +/– 10 минут, но при изменении температуры эти промежутки тоже изменяются: укорачиваются при повышении температуры и удлиняются при ее снижении, что приводит к более быстрому твердению бетона при повышении температуры и более медленному — при ее снижении.

Как ускорить твердение бетона

Ускорение твердения бетона связано с вмешательством в протекающие в процессе твердения химические реакции. Для этого применяются различные мероприятия, целесообразность которых рассматривается на этапе проектирования строительства.

Рассмотрим основные способы, позволяющие ускорить набор прочности бетона.

Выбор типа цемента

Как выше упоминалось, цементы могут иметь разнообразные характеристики. В том числе, существуют цементы быстротвердеющие. Например, в Великобритании их производится около 10 % от всех цементов.

Быстротвердеющий портландцемент — это цемент, который имеет повышенную прочность в раннем возрасте. В возрасте трех суток раствор из него имеет прочность, равную прочности раствора из обычного портландцемента в возрасте семи суток. Мы помним, что семь суток — это минимальный срок выдерживания бетона в нормальных условиях до достижения распалубочной прочности; таким образом, этот срок сокращается более чем в два раза.

Важно!

Быстротвердеющий цемент имеет ту же скорость схватывания, что и обычный. Различается скорость твердения в ранние сроки.

Ускоренное твердение достигается повышенным содержанием в составе цемента трехкальциевого силиката и более тонким помолом клинкера, благодаря чему удельная поверхность повышается (3250—4500 см²/г против 2250 см²/г у обычного цемента), что и приводит к более интенсивному вовлечению цемента в реакции гидратации.

Поскольку быстротвердеющие цементы не намного дороже обычных, а экономический эффект от их применения может быть значительным, они охотно применяются в строительстве. Однако высокая интенсивность набора прочности связана с повышенным тепловыделением, поэтому быстротвердеющий портландцемент с осторожностью применяют в массивных сооружениях и конструкциях. Но в условиях низких температур применение цемента с высокой скоростью тепловыделения может обеспечить удовлетворительную стойкость конструкции к воздействию мороза в раннем возрасте.

Повысить скорость твердения бетона можно также, применяя цементы тонкого помола, удельная поверхность которых составляет 4500–5000 см²/г, остаток на сите № 170 — до 0,5 % (у обычных портландцементов он составляет до 10 %, а у быстротвердеющих — до 5 %).

Поскольку гидратация начинается с поверхности цементных частиц, суммарная площадь их поверхности будет определять количество материала, способного прогидратироваться, следовательно, скорость гидратации зависит от тонкости помола цемента, а для быстрого нарастания прочности необходима повышенная тонкость помола.

Только за счет тонкости помола растворы на тонкомолотых цементах в суточном возрасте достигают прочности 280 кгс/см², в возрасте 3 суток — 490 кгс/см², что позволяет использовать их для зимнего бетонирования и при проведении аварийных работ.

Однако у тонкомолотых цементов есть недостатки:

1. они более дорогостоящие;
2. быстро снижают активность при хранении на воздухе;
3. растворы из них имеют повышенную усадку и предрасположены к трещинообразованию.

Изменение водоцементного соотношения как способ ускорить застывание бетона

При смешивании цемента с водой происходит насыщение воды продуктами гидратации и гидролиза минералов цемента. Как было сказано выше, обычно в растворах количество воды несколько превышает водопотребность цемента, то есть, вода добавляется с некоторым избытком. Это делается как для компенсации испарения воды из раствора, так и для обеспечения более удобной консистенции раствора.

При уменьшении водоцементного соотношения (но не меньше водопотребности цемента) вода быстро насыщается солями, что приводит к увеличению скорости кристаллизации; бетон твердеет быстрее.

У этого способа есть недостатки:

1. жесткость раствора, из-за чего он требует длительной виброобработки при укладке;
2. повышенная хрупкость готового бетона;
3. увеличение расходов, поскольку требуется больше цемента в растворе.

Однако снизить в/ц без ухудшения удобоукладываемости и без увеличения расходов на цемент с сохранением прочности бетона можно, применяя пластификаторы для бетона.

Тепловлажностная обработка

Формула Вант Гоффа гласит, что в диапазоне от 0 °С до 100 °С увеличение температуры на каждые 10 °С приводит к повышению скорости протекания химических процессов в 2–4 раза.

Это правило широко применяется при обработке бетона после его укладки.

Сами по себе реакции гидратации являются экзотермическими, поэтому массивные конструкции, то есть, имеющие большой объем и относительно малую поверхность охлаждения, разогреваются за счет химических реакций, протекающих в растворе. Чем тоньше смолот цемент, тем больше выделение тепла в первые 1–4 суток после укладки бетона. Это свойство используется при зимнем бетонировании: конструкцию укрывают теплоизоляционными материалами, и выделяющегося тепла достаточно для того, чтобы бетон не замерз.

Для ускорения набора прочности применяют прогревание конструкций, а для штучных изделий на заводах осуществляют тепловую обработку пропариванием.

Таким образом, при температуре 60 °С и влажности 90 % бетон набирает расчетную прочность примерно за 12 часов (теоретически, должен набирать ее за 8 часов, но на практике получается дольше).

Проблемы данного метода — удорожание бетона и необходимость применять специальное оборудование. При твердении массивных конструкций необходимо осуществлять постоянный контроль температуры в толще бетона и у его поверхности, не допускать большого температурного градиента, чтобы избежать образования трещин.

Соли-электролиты для ускорения твердения бетона

Влиять на скорость твердения бетона можно, добавляя в состав раствора ускорители твердения.

Электролиты

Практика применения электролитов насчитывает уже почти 100 лет. Многие хорошо растворимые в воде соли сильных кислот, например, серной, соляной, угольной, азотной и других являются ускорителями твердения бетона (соли-электролиты).

Добавки-электролиты изменяют свойства жидкой фазы и таким образом создают принципиально другие условия для гидратации и формирования структур цементного камня, не вступая при этом в химическое взаимодействие с основной матрицей.

Классификация солей сильных кислот по В.Б. Ратинову приведена на схеме ниже.

Рассмотрим наиболее распространенные электролиты, которые применяются как ускорители схватывания и твердения бетона.

Хлорид кальция

CaCl₂, при добавлении в бетонную смесь в количестве 2–3 % от массы цемента, образует комплексные малорастворимые соединения — хлорсиликаты, хлоралюминаты и пр. При этом набор прочности, по сравнению с растворами без добавок, ускоряется практически в два раза. В более высоких дозировках хлорид кальция вызывает быстрое схватывание раствора. Плюсами являются также низкая стоимость и доступность хлорида кальция.

Однако применение CaCl₂ приводит к снижению сульфатостойкости цемента, что может быть неприемлемо для конструкций, которые эксплуатируются в условиях сульфатной агрессии воды с одновременным воздействием систематического попеременного увлажнения и высыхания или замораживания и оттаивания, а также для подземных и подводных бетонных конструкций.

Хлорид калия и хлорид натрия

Химические формулы этих солей — KCl и NaCl. При добавлении 0,5–4 % от общей массы раствора, они ускоряют твердение бетонов в 1,5 раза. Их интенсифицирующий эффект уступает хлориду кальция.

CaCl₂, KCl и NaCl являются хлоридами, которые агрессивны по отношению к металлической арматуре. Поэтому в настоящее время действует запрет на применение этих солей в технологии железобетона с диаметром арматуры менее 5 мм и предварительно напряженного. Хлориды применяют в железобетоне в сочетании с нитритами и нитратами кальция, которые являются ингибиторами коррозии.

Поташ

Химическая формула поташа — K₂CO₃. Поташ — очень сильный ускоритель для бетона, который обеспечивает быстрое схватывание. Уже в количестве 0,2 % он вызывает активный рост пластической прочности цементного теста, однако затем начинает замедлять гидратационные процессы, вследствие чего снижается скорость твердения бетона.

Поташ также может снижать морозостойкость и конечную прочность бетона.

Сульфат натрия

Химическая формула — Na₂SO₄. При добавлении в бетонную смесь способствует интенсификации набора пластической прочности и тепловыделения.

Нитрат кальция, нитриты кальция и натрия

Нитрат кальция Са (N0₃)₂ вызывает быстрое схватывание раствора и может, в зависимости от концентрации в растворе, ускорять или замедлять твердение.

Основная ценность всех этих солей — способность предохранять стальную арматуру от коррозии при применении хлористых солей.

Хлорное железо, сульфат алюминия, сульфат трехвалентного железа

Эти добавки не только ускоряют твердение бетона, но и повышают непроницаемость и долговечность бетона.

Формиат кальция

Это соль органической кислоты, которая ускоряет твердение бетона.

Недостатки солей-электролитов

Помимо коррозии металлической арматуры и закладных деталей, которую вызывают хлористые соли, электролиты также имеют другие недостатки:

1. совместимы не со всеми типами цемента;
2. могут вызывать появление высолов на бетоне;
3. натриевые и калиевые соли не совместимы с заполнителями потенциально реакционно-способных пород.

Поэтому, хотя электролиты применяются в составе бетонных смесей как ускорители, это делается с осторожностью и с учетом многих факторов. Ни в коем случае нельзя просто добавить поваренную соль в раствор и надеяться на благоприятный исход. Бетонные работы — это не та область, где нужно проявлять самодеятельность, ведь любая ошибка может обойтись очень дорого.

Добавки, ускоряющие схватывание бетона

Быстрое схватывание раствора может потребоваться в случае выполнения срочных ремонтных работ, устранения последствий аварий и протечек, при заделке трещин в бетоне и в других подобных ситуациях. В этом случае применяют жидкое стекло, например, CEMMIX Liqui.

Жидким стеклом полностью заменяют воду в растворе, что позволяет получить быстро схватывающиеся водонепроницаемые растворы с антисептическими свойствами.

Пено- и газообразователи

Эти добавки применяются при производстве бетонов пористой структуры — пенобетонов и газобетонов. Одним из наиболее известных представителей этих веществ является алюминиевая пудра.

Ее вводят в состав смеси и сразу производят виброобработку. Мгновенно запускаются химические реакции с образованием алюмината кальция, который является мощным ускорителем схватывания цемента, а также с выделением водорода и тепла. Смесь твердеет в течение нескольких минут, с получением легких бетонов пористой структуры.

Комплексные добавки-ускорители

Приведенный выше небольшой обзор ускоряющих добавок для бетона наглядно демонстрирует, что выбор этих добавок — работа для специалистов. У каждой из них есть ограничения по применению; вопросом рассмотрения являются также дозировки и совместимость с другими компонентами.

Между тем, существуют комплексные добавки, которые имеют практически неограниченную совместимость со всеми компонентами бетонных смесей, с любыми типами цементов и заполнителей. Их можно, ни о чем не беспокоясь, применять в растворах, потому что они уже проверены в лаборатории.

Эти добавки состоят из веществ органического или неорганического происхождения и добавляются в бетонные смеси согласно инструкции производителя, в количестве до 5 % от массы цемента. Ускорители — лишь один из видов таких добавок.

В таблице ниже представлена классификация добавок для растворов и бетонов согласно ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия».

По требованиям ГОСТ 24211-2008, добавки-ускорители должны повышать скорость твердения бетона в первые сутки не менее чем на 30 %.

Рассмотрим представителя этой группы добавок — комплексный ускоритель твердения CemFix со свойствами пластификатора.

Это добавка в жидкой форме, что делает ее удобной для добавления в растворы при приготовлении на этапе смешивания. Рекомендуется смешивать ее с половиной воды затворения. На 100 кг цемента применяется до 0,7–1,2 л добавки CemFix.

Ускоритель твердения CemFix повышает удобоукладываемость смеси, что позволяет получать подвижные растворы класса по удобоукладываемости П5. Позволяет без снижения прочности бетона уменьшать количество цемента в смеси на 10 %, снижает водопотребность смеси на 10–12 % с сохранением удобоукладываемости. При этом сроки твердения бетона сокращаются: ранняя прочность увеличивается на 20–40 %, а марочная — на 15–20 %.

Добавка CemFix совместима с любыми видами цементов отечественного производства, не вызывает коррозии металлической арматуры и появлении высолов на бетоне. Позволяет проводить бетонные работы и получать качественный бетон при сниженных температурах. Повышает прочность и долговечность бетона.

Учитывая возможность сэкономить цемент, приобретение добавки CemFix практически не сказывается на общей стоимости строительных материалов.

Добавки для бетона CEMMIX — это выгодно и надежно! Купить продукцию CEMMIX в можно розницу в строительных сетях и на маркетплейсах, а также оптом по выгодным ценам.