Набор прочности бетона

Бетон, как известно, самый популярный строительный материал. С одной стороны, его прочность сравнима с прочностью камня, с другой — она может быть различной, а сам бетон — значительно более податливый и удобный для обработки, чем камень, материал, из которого можно создавать объекты любой формы. Это обнаружили еще древние римляне, что стало настоящим прорывом, приведшим к появлению новых шедевров мировой архитектуры.

Основная характеристика бетона — его прочность на сжатие, поэтому при строительстве различных объектов огромное значение имеет информация о том, каким образом бетон набирает прочность, от чего она зависит, как можно манипулировать различными параметрами и факторами, чтобы изменять скорость набора прочности бетона.

Этими вопросами занимались и продолжают заниматься различные НИИ. В СССР это направление было исследовано очень глубоко, и на сегодняшний день существуют нормативные документы, которые применяются при строительстве из бетона. Сегодня критерии, предъявляемые к прочности бетона, регулируются такими документами, как СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции», СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции».

Общее описание процесса набора прочности бетона

Бетон начинается с цемента. Поскольку цемент является вяжущим водного твердения, для получения бетонного теста его смешивают с водой, тем самым запуская химические реакции гидратации.

Основу цемента составляют минералы:

1. двухкальциевый силикат,
2. трехкальциевый силикат,
3. трехкальциевый алюминат,
4. четырехкальциевый алюмоферрит.

При смачивании водой они вступают в реакции гидратации, продуктами которых являются новые соединения, имеющие кристаллическую структуру. Поэтому твердение бетона является кристаллохимическим процессом.

Помимо цемента и воды, в состав бетона включают мелкие и крупные заполнители. К мелким относится песок, а к крупным — шлак, щебень, гравий, гранитный отсев и другие. Крупность зерна заполнителя выбирается согласно проекту. Заполнители выполняют роль своеобразного жесткого каркаса и применяются для повышения модуля упругости бетона и снижения его усадки.

Процесс набора прочности бетона занимает определенное время. Его можно разбить на две основные стадии — схватывание и твердение.

Схватывание бетона

В нормальных условиях схватывание происходит примерно через 2 часа после укладки раствора в форму. Процесс схватывания заканчивается примерно через час после его начала. До схватывания бетона его подвижность сохраняется. Этим свойством иногда пользуются при необходимости длительной транспортировки готового раствора: его перемешивают, и он не схватывается, пока не появится возможность приемки. Однако слишком длительное перемешивание снижает качество готового изделия, поэтому необходимо рассчитывать сроки транспортировки.

Твердение

После окончания стадии схватывания начинается процесс отверждения бетона. Скорость этого процесса нелинейная: наиболее высока она в начале твердения, но постепенно снижается, что можно видеть на графике.

Расчетную прочность бетон при обеспечении нормальных условий набирает за 28 суток, но очень медленный набор прочности может после этого продолжаться в течение многих месяцев и даже нескольких лет.

Критическая прочность и распалубочная прочность

Критической называют прочность, при которой на бетон уже не влияют негативные внешние факторы, например, низкие температуры.

Распалубочная прочность — это прочность, при которой можно снимать опалубку.

Точную длительность этих этапов определяет проектная документация, но в целом, обычно критическая прочность составляет 30–50% (реже 70 %) от расчетной, а распалубочная — не менее 50 %, чаще 70–80 % от расчетной прочности.

Для разных типов конструкций требуется разная распалубочная прочность, однако считается, что для ответственных конструкций бетон должен находиться в опалубке не менее одной недели, а для не ответственных, работающих только на сжатие (например, для отмосток, стяжек) достаточно 3–5 дней и достижения 30–40 % от расчетной прочности.

Определить точные сроки достижения бетоном распалубочной прочности очень важно, поскольку слишком длительное нахождение бетона в опалубке увеличивает продолжительность строительных работ и их стоимость, а слишком ранняя распалубка ведет к разрушению конструкции.

От чего зависит скорость набора прочности бетона

Основные факторы, влияющие на набор прочности бетона:

1. тип цемента, его свежесть, состав и наличие в нем примесей;
2. водоцементное соотношение смеси;
3. методы замеса;
4. факторы окружающей среды (температура и влажность);
5. наличие тепловлажностной обработки;
6. обработка трамбованием и виброобработка;
7. применение специальных добавок.

Рассмотрим их подробнее.

Тип и качество цемента

Цемент является вяжущим для бетона, и именно его состав и качество напрямую влияют на набор прочности.

Выпускаются цементы различных типов:

1. медленнотвердеющие;
2. нормальнотвердеющие;
3. быстротвердеющие.

Скорость твердения бетонов, замешанных на разных типах цемента, будет различной.

На скорость набора прочности влияет и наличие примесей. К примеру, в глиноземистых цементах присутствие оксида магния в концентрации до 2 % работает как ускоритель набора прочности, а в более высоких концентрациях, он, наоборот, снижает активность цемента.

Помимо химического состава цемента и наличия в нем различных примесей, на процесс набора прочности оказывают влияние такие его параметры, как тонкость помола, гранулометрия и свежесть.

При смешивании цемента с водой большое значение имеет размер поверхности зерен, которая с водой соприкасается, то есть, удельная поверхность. Тонко смолотый цемент имеет более высокую удельную поверхность — 400–450 м/кг, в отличие от цемента обычного помола (300–350 м/кг), поэтому он быстрее вовлекается в реакции гидратации. Крупно смолотый цемент вовлекается в реакции гидратации медленнее и в целом хуже; спустя несколько лет в бетоне из него находят зерна не прореагировавшего цемента, которые снижают его прочность.

Свежесть цемента критически важна для качества бетона. При хранении, особенно в условиях влажности, в открытой упаковке или навалом, цемент вступает в реакцию с влагой и углекислым газом из воздуха, и на его поверхности образуется слой твердых соединений, которые снижают его активность. Поэтому уже через 3 месяца хранения его прочность снижается для суточных образцов на 62 %, а для образцов в возрасте 28 дней — на 23 %. Быстротвердеющие цементы становятся обычными через месяц хранения при высокой влажности.

Обработка цемента

Разработаны методы, которые позволяют активировать лежалый цемент и получать из него прочный и качественный бетон:

1. Мокрая активация цемента. В бетономешалку загружаются цемент и крупные заполнители, а также часть воды. При работе аппарата зерна крупного заполнителя растирают цемент и повышают его активность. Через 5 минут догружают остальные компоненты и производят замес раствора.
2. Виброактивация цемента. Цемент перемешивают с песком, одновременно подвергая вибрации, благодаря чему повышается степень гидратации цемента и на 30–40 % повышается его активность.
3. Добавление пластификаторов для бетона в раствор. Этот простой шаг позволяет увеличить активность любого цемента, даже лежалого, и получить из него качественный бетон.

Советуем изучить: Пластификаторы для бетона

Водоцементное соотношение

Химические реакции — процессы точные; для их правильного протекания необходимо, чтобы компоненты были смешаны в определенных пропорциях. Для бетона это называется водоцементным соотношением. Обычно оно составляет 0,3, однако если смешать цемент и воду в таких пропорциях, получится очень жесткая смесь, которая сложна в обработке. Такую смесь тяжело уложить плотно, без образования полостей и крупных пор, которые снижают прочность изделия. Поэтому обычно водоцементное соотношение принимают 0,45–0,55.

Чтобы повысить удобоукладываемость бетона и добиться удобства в работе, применяют пластификаторы, которые повышают марку по подвижности без добавления воды вплоть до 4 пунктов.

Почему нельзя просто добавить воды в смесь и сделать ее более податливой?

Чем более насыщен водный раствор, тем быстрее и качественнее происходит кристаллизация, то есть, схватывание бетона. Соответственно, чем менее насыщен раствор, тем медленнее будет происходить набор прочности бетона, но проблема еще и в том, что часть воды останется в непрореагировавшем состоянии. Со временем она испарится, оставив в бетоне пустоты и поры, которые будут снижать его прочность. Поэтому применение пластификаторов, которые радикально улучшают качество бетона и позволяют неплохо сэкономить на покупке цемента — это оптимальный способ повысить удобоукладываемость смеси и прочность изделия.

Узнать, как экономить на цементе: Пластификаторы

Факторы окружающей среды, условия твердения

Согласно нормативным документам, оптимальными условиями твердения бетона являются температура воздуха в районе 18–22° С и высокая влажность воздуха (около 100 %).

Изменение этих параметров влияет на скорость набора прочности бетона следующим образом:

1. повышение температуры и влажности увеличивает скорость набора прочности бетона;
2. снижение этих параметров снижает ее.

Влияние температурного режима на застывание бетона

Если при температуре 20° С уже через два часа начинается схватывание, которое занимает один час, то при температуре окружающего воздуха около 0° С схватывание начнется через 6–10 часов и будет протекать 15–20 часов.

При понижении температуры воздуха скорость набора прочности снижается, что отражено в графике.

График твердения бетона в зависимости от температуры

Таблица ниже наглядно показывает, что при температуре ниже 0° С твердение бетона практически прекращается.

Высокая температура воздуха, напротив, увеличивает скорость набора прочности бетона. В диапазоне от 0 до 100° С при повышении температуры на каждые 10° С скорость твердения увеличивается в 2–4 раза, поэтому при температуре 60° С набор расчетной прочности занимает 8–12 часов вместо 28 суток (на практике эти процессы могут протекать немного дольше).

Знание о том, как температура влияет на набор прочности бетона, помогает строителям решать различные задачи. К примеру, осуществлять зимнее бетонирование при отрицательных температурах и получать качественный бетон.

Практикуются различные методы:

1. Применение ускоряющих добавок, которые позволяют бетону быстро схватиться и набрать критическую прочность.
2. Применение противоморозных добавок, обеспечивающих твердение бетона даже при отрицательных температурах.
3. Методы обогрева и прогрева бетона, предотвращающие замерзание раствора.
4. Метод термоса, который применяют для массивных конструкций. Твердение бетона — это экзотермическая реакция, сопровождающаяся выделением тепла. Количество тепла, выделяемого массивной конструкцией, может быть достаточным для ее для обогрева до достижения критической прочности. Нужно только обеспечить теплоизоляцию, применяя специальные изолирующие материалы.
5. Комбинирование разных методов. Применение противоморозных и ускоряющих добавок позволяет уменьшить время обогрева или прогрева бетона и сэкономить электроэнергию.

Методы или комбинации методов выбираются, исходя из проекта, конкретных условий, наличия оборудования и квалифицированной рабочей силы.

Бетонирование при повышенных температурах позволяет очень быстро возводить конструкции, но возникает опасность возникновения температурного градиента из-за слишком большой разницы температур бетона у поверхности и в глубине.

Если разница температур у поверхности и в глубине конструкции составляет 20–30° С, возникает вероятность разрыва бетона. Такая ситуация может возникнуть при бетонировании массивных конструкций из-за выделяемого тепла. Температура в толще бетона может составлять 50–80° С, а на поверхности бетон значительно холоднее, поэтому температура бетона в толще обязательно контролируется, для чего оставляются специальные технологические отверстия на расстоянии не более 8 м друг от друга, где измеряют температуру в первые сутки каждые 1–2 часа, затем — каждые 8 часов.

Для снижения температуры конструкции на поверхность бетона льют холодную воду, снижая температуру бетона на 1–2° С в час, а для некоторых типов конструкций — не более 12–13° С в сутки; эта информация указывается в регламенте.

Влажность воздуха

Влажность окружающего воздуха также имеет огромное значение для правильного твердения бетона. Для качественного протекания процессов она должна составлять почти 100 %. При влажности воздуха ниже 40 % твердение бетона прекращается, поскольку он пересыхает, а в условиях отсутствия воды реакции гидратации протекать не могут.

Лучшие условия для набора прочности бетона — это твердение в воде. Непрерывное выдерживание бетона в воде благоприятно для более интенсивного увеличения модуля упругости, чем при твердении на воздухе.

В первые 2–3 дня после укладки бетона желательно поливать его водой 2–3 раза, а затем, для защиты от испарения влаги, укрывать водонепроницаемыми материалами (пленкой, брезентом или слоем мокрого песка).

Что будет, если не проводить тепловлажностную обработку бетона и не следить за температурой окружающего воздуха

Без ухода бетон все равно наберет прочность. В условиях отрицательных температур он замерзнет, но после оттаивания весной набор прочности продолжится. Однако прочность и качество бетона будут ниже расчетного.

При низкой влажности бетон также наберет прочность, но из-за пересыхания раствора реакции гидратации не пройдут в полном объеме, что также негативно скажется на прочности и качестве готового изделия.

Состав бетонной смеси. Применение добавок

На набор прочности бетона можно влиять, добавляя различные химические соединения в состав смеси.

Каталог продукции CEMMIX

CemFix 5л

CemFix суперпластификатор. Ускоритель твердения.

Прежде всего, это ускорители твердения. Они делятся на разные типы в зависимости от характера воздействия на цементное тесто:

1. Ускорители схватывания. Эти добавки увеличивают скорость первичного схватывания бетонной смеси. Они применяются при проведении срочных ремонтных работ, когда необходима, например, быстрая заделка течи в бетонных резервуарах. Пример такой добавки — жидкое стекло Liqui CEMMIX.
2. Ускорители набора прочности. Это добавки комплексного действия, которые позволяют в 2 раза уменьшить срок набора начальной эксплуатационной и конечной марочной прочности. Применение ускорителей увеличивает оборот оснастки и опалубки, а также используется для активации лежалого цемента, потерявшего свою активность, позволяя избежать потерь итоговой прочности конструкции. К таким добавкам относится ускоритель твердения CemFix.
3. Пено- и газообразователи — добавки, которые обеспечивают вовлечение в бетон воздуха. Например, алюминиевая пудра. Сразу после смешивания раствора с добавлением алюминиевой пудры производят виброобработку. Под воздействием вибрации пудра мгновенно вступает в реакцию с водой и цементом с образованием алюмината кальция — мощного ускорителя схватывания бетона. Схватывание и твердение смеси происходит за несколько минут, при этом получают облегченные бетоны с пористой структурой (газобетоны).

Как точно узнать время схватывания и твердения бетона

Срок, который требуется для полного отверждения, у разных классов бетона различается, а также зависит от состава, методов обработки и условий твердения. Для успешного строительства нужно точно знать, сколько времени потребуется для получения расчетной прочности бетона и прочности, при которой конструкцию уже можно будет нагружать.

К примеру, при строительстве на бетонном фундаменте необходимо узнать, когда можно начинать кирпичную кладку или бетонирование колонн и перекрытий. При производстве кирпичной кладки нужно знать, когда можно переходить к следующему этажу.

Точно узнать это можно двумя способами:

1. Запросить точные данные в лаборатории производителя.
2. Вызвать на объект технолога для взятия проб. Для образцов используются кубические отливки со стороной 10 см. Они должны твердеть в тех же условиях, что и основная конструкция, после чего проводят испытания разрушающими методами, которые точно покажут марочную прочность бетона, сроки его схватывания и полного отвердевания.

Знать факторы, влияющие на набор прочности бетона необходимо, чтобы обеспечить высокое качество строительных работ. Современная химическая промышленность позволяет воздействовать на набор прочности бетона, получать в короткие сроки качественные материалы и экономить деньги. Широкий спектр добавок, совместимых с любыми отечественными цементами, производит компания CEMMIX. Купить их можно оптом, онлайн и в розницу в строительных сетях.