Усадка бетона

Твердение бетона — это комплексный процесс, основанный на большом количестве протекающих на разных этапах химических реакций. Его природа до конца не исследована, и ее понимание носит, во многом, дискуссионный характер, хотя некоторые версии являются общепризнанными.

Прочность и долговечность бетонных изделий — чрезвычайно важные цели, которых должны добиваться строители, ведь от них зависит не только экономическая эффективность, но и, иногда, в прямом смысле слова, жизнь и здоровье людей.

Вот почему изучению всех аспектов твердения бетона и факторов, влияющих на этот процесс, уделяется так много внимания.

На основе результатов исследований разрабатываются новые и уточняются уже существующие стандарты.

В нашей стране основными документами, регламентирующими ведение бетонных работ, являются СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003» и 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».

Темой рассмотрения данной статьи является усадка бетона.

Что такое усадка бетона

В процессе набора прочности бетона его первоначальный объем уменьшается, что вызывает уменьшение линейных размеров образца (или линейную относительную деформацию усадки). Это уменьшение размеров и, соответственно, объема изделия называется усадкой бетона.

Линейное значение размеров усадки тем больше, чем крупнее изделие, поэтому важно контролировать этот параметр.

Рассмотрим, как и почему возникает усадка, какими методами ее определяют, и как можно ее снизить.

Методы определения деформаций усадки

Значения деформаций усадки определяют в соответствии с указаниями ГОСТ 24544-2020 «Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести».

Для этого изготавливают образцы в виде призм из бетона или отбирают их из элементов конструкций (при этом делаются пометки, были ли эти элементы нагружены).

Размеры образцов выбирают в зависимости от крупности заполнителей по ГОСТ 10180. Базовым является размер 150*150*600 мм.

Одновременно с деформациями усадки определяют деформации ползучести, а перед проведением испытаний определяют кубиковую прочность образцов на сжатие в соответствии с ГОСТ 10180.

В каждой серии содержится девять образцов-призм (по три образца на определение прочности на сжатие, усадки и ползучести) и три кубических образца с размером ребра, соответствующим размеру поперечного сечения призмы.

Порядок изготовления, хранения и испытания образцов регламентируется ГОСТ 24544-2020. Результаты заносят в журнал испытаний, и на основе полученных данных вычисляют абсолютные значения для нагруженных и ненагруженных образцов. По абсолютным значениям высчитывают относительные значения деформаций образцов. Используя специальные формулы, рассчитывают коэффициенты усадки и ползучести бетона.

Почему бетон дает усадку при твердении

Чтобы понимать, как и из-за чего происходит усадка бетона, необходимо в общих чертах представлять процессы, которые протекают в бетонной смеси с момента ее приготовления до получения бетона расчетной прочности.

Бетон начинается с цемента. Это вяжущее в виде раздробленного до мельчайших частиц порошка. При смешивании цемента с водой запускаются химические реакции гидратации, приводящие к образованию сплошного камневидного материала — цементного камня.

Как именно происходят эти реакции, науке достоверно не известно. Основные гипотезы таковы:

1. Теория Ле Шателье. Цементные соединения растворяются в воде с последующей кристаллизацией продуктов гидратации из пересыщенного раствора.
2. Теория Михаэлиса. Цементный камень образуется путем непосредственного присоединения воды к твердому веществу с образованием коллоидных продуктов.
3. Теория Окорокова. Имеют место процессы кристаллизации и образования коллоидов, в частности, гидроалюминаты и гидросульфоалюминаты кальция образуются из раствора, а гидратация силикатов кальция протекает через присоединение воды (топохимически).

Свойства портландцемента следует рассматривать не только в его первоначальном состоянии, но и в составе цементного теста и цементного раствора.

Свойства цемента

Рассмотрим основные свойства цемента, которые влияют на свойства растворов.

Водопотребность цемента

Водопотребностью цемента называют количество воды, которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты. Различные типы цемента имеют отличающуюся водопотребность, от 24 до 32 %. В частности, более тонко смолотые цементы из-за большой удельной поверхности имеют повышенную водопотребность. Также водопотребность зависит от химического состава цемента.

Скорость твердения

Скорость твердения цемента зависит от многих факторов:

1. Тонкость помола (чем она выше, тем выше скорость твердения за счет того, что площадь поверхности, на которой развиваются процессы растворения и химического взаимодействия, с увеличением тонкости помола увеличивается).
2. Температура при твердении (чем выше температура, тем выше скорость твердения). Согласно правилу Вант Гоффа, повышение температуры на каждые 10 °С увеличивает скорость химических реакций в 2–4 раза.
3. Минералогический состав цемента. Химическая активность клинкерных минералов различается. В зависимости от соотношения в цементе более и менее активных минералов, меняется и скорость твердения.
4. Тепловыделение. Реакции гидратации клинкерных минералов носят экзотермический характер, то есть, протекают с выделением тепла. Экзотермический эффект связан с минералогическим составом цемента. Он составляет 300–550 кДж/кг.

Механизм усадки бетона

При смешивании цемента с водой образуется цементное тесто. В нормальных условиях (температура окружающего воздуха 18–22 °С, влажность воздуха выше 90 %) цементный камень набирает расчетную прочность за 28 суток.

Как показывает практика, за это время объем системы «цемент + вода» уменьшается примерно на шесть процентов, а объем твердого вещества в ней увеличивается; это и есть усадка цементного камня, которая обусловливает усадку бетона.

Усадочные процессы вызываются различными причинами, поэтому различают несколько видов усадки.

Схватывание цементного теста (то есть, потеря пластичности) происходит, в зависимости от различных факторов (типа цемента, температуры и пр.) в разные сроки, но не ранее, чем через 45 минут. В этом промежутке времени увеличение объема твердой фазы перекрывается уменьшением объема воды, поступающей на гидратацию, и общий объем смеси уменьшается. Эта усадка называется пластической.

После схватывания начинается процесс твердения. Поскольку жесткий каркас структуры уже образован, уменьшение объема воды не может на него повлиять, и в течение 1–3 суток наблюдается расширение. За это время в растворе образуется достаточное количество гелевой фазы. Гидратация продолжается, отбирая воду у геля, вследствие чего он уплотняется за счет уменьшения водных прослоек между частицами. Развивается внутренняя капиллярная пористость. Объем материала уменьшается; это называется контракцией.

Усадка бетона, которая происходит в условиях отсутствия испарения воды (например, если бетон покрыт силиконовым герметиком либо парафином) называется аутогенной.

Однако в нормальных условиях обычно еще и происходит испарение воды из цементного камня, которое увеличивает общую усадку в 2–3 раза. Таким образом, увеличение объема бетона после схватывания перекрывается потерей воды на испарение.

Воздействие на цементный камень углекислого газа, который содержится в воздухе, вызывает карбонизацию — переход гидроксида кальция в карбонат кальция. Это процесс вызывает карбонизационную усадку, впрочем, она развивается очень медленно и, в целом, незначительна.

Итак, усадка цементного камня при твердении на воздухе обусловлена тремя явлениями:

1. контракцией,
2. испарением воды,
3. карбонизацией.

В сумме они дают усадку цементного теста до 3 мм/м.

Почему усадка вредна

Влияние усадки на габаритные размеры бетонных изделий невелико. Проблема заключается в том, что усадка — это одна из причин появления трещин бетонных изделий. Поэтому усадка — это вредное явление, и с ней необходимо бороться.

Как снизить усадку бетона

Усадка цементного камня зависит от многих факторов:

1. минералогического состава цемента,
2. тонкости помола цемента,
3. водоцементного отношения смеси,
4. температуры и влажности окружающего воздуха.

Мероприятия по снижению усадочных явлений могут относиться к одной из двух групп:

1. Первичные — подбор зернового состава заполнителей, выбор типа цемента, снижение водоцементного соотношения, применение снижающих усадку добавок, уменьшение количества цемента в смеси.
2. Вторичные — уход за бетоном после заливки с целью снижения усадки.

Первичные меры снижения усадки бетона

Основной способ уменьшить усадку — это ввести в состав смеси заполнители. Именно поэтому бетон всегда их содержит, а цементное тесто в чистом виде, без заполнителей, не применяется в строительной практике.

Заполнители подразделяются на крупные и мелкие:

1. Как крупный заполнитель, используются щебень или гравий из плотных горных пород, щебень из гравия и другие подобные материалы нескольких фракций.
2. Как мелкий заполнитель, применяется песок средней и крупной крупности зерен, также нескольких фракций.

В тяжелых бетонах применяются как крупный, так и мелкий заполнители, в мелкозернистых — только мелкий. Строительные растворы также содержат только мелкий заполнитель.

Заполнители сами не дают усадку и являются в бетоне жестким каркасом из зерен, опирающихся друг на друга через прослойки цементного камня. Соответственно, вся усадка приходится на эти прослойки. Поэтому усадка бетона в 4–5 раз ниже, чем усадка цементного камня без заполнителей. Величина снижения усадки зависит от типа заполнителя, ведь его зерна оказываются обжатыми, и, к примеру, пористые заполнители могут деформироваться. Поэтому усадка тяжелых бетонов на плотных жестких заполнителях составляет не более 0,2–0,4 мм/м, а легких бетонов на пористых заполнителях — до 1 мм/м.

Однако даже такая усадка, если она неравномерна, может приводить к образованию трещин, поэтому применяются и другие меры для ее снижения.

При выборе заполнителей имеет значение также форма и величина зерен крупного заполнителя. Сами по себе эти факторы не влияют на усадку, однако укрупнение зерен заполнителя позволяет снижать количество цементного теста в смеси и, соответственно, уменьшать усадку. Например, увеличение максимальной крупности заполнителя от 6 до 150 мм позволяет увеличить количество заполнителя в смеси с 60 до 80 %, что уменьшает усадку примерно в 3 раза. При увеличении количества заполнителя с 71 до 74 % (при одинаковом водоцементном соотношении) величина усадки может быть уменьшена на 20 %.

Свойства цемента, хотя и незначительно, но влияют на усадку.

Так, увеличенное содержание алюмоферритов или силикатов вызывает активное развитие усадочных деформаций. При добавлении хлористого кальция в состав смеси усадка увеличивается на 10–50 %.

Тонкость помола тоже оказывает влияние: содержание частиц крупнее, чем отверстия сита № 200, приводит к замедлению гидратирования, поэтому оказывает воздействие, подобное действию заполнителей.

Вторичные меры снижения усадочных деформаций бетона

Выше уже говорилось о трех основных явлениях, вызывающих усадку. Из них наибольшее значение имеет усадка, вызванная высыханием, то есть, испарением воды. Но ее, в отличие от контракционной усадки, можно уменьшить.

Интересная особенность усадки заключается в том, что она растянута во времени. Исследования показывают, что она может наблюдаться в течение 28 лет, однако ее скорость постоянно уменьшается:

1. от 14 до 34 % общей усадки за 20 лет происходит в течение первых двух недель;
2. 40–80 % общей усадки за 20 лет происходит за три месяца;
3. 66–85 % общей усадки за 20 лет происходит за первый год.

При постепенном твердении бетона усадка частично компенсируется ползучестью, что снижает образование трещин. При быстром высыхании бетона этого не происходит, и риск появления трещин повышается.

Поэтому во избежание образования трещин, бетон после укладки укрывают материалами, обеспечивающими пароизоляцию — водонепроницаемыми пленками, слоем полимерно-парафиновой эмульсии. Эти мероприятия защищают бетон от усадки при высыхании и от карбонизации.

При жаркой и сухой погоде, которая СП 63.13330.2012 и СТО НОСТРОЙ 121-2013 определяется как погода, при которой влажность воздуха составляет ниже 50 %, а температура воздуха в 13 часов в тени — более + 25 °С (при наличии ветра каждые 2 м/с эквивалентны + 1 °С), нормативные документы рекомендуют устраивать на поверхности свежеуложенного бетона влагоемкие покрытия (например, из удерживающего воду геотекстиля), которые поддерживают в водонасыщенном состоянии в течение нескольких суток.

Добавки для бетона, которые позволяют уменьшить усадку

При перечислении первичных мер снижения усадочных деформаций были упомянуты добавки для бетона.

Добавки, как их определяет ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия» — это органические или неорганические соединения, которые вводятся в бетонные растворы в количестве до 5 % от массы цемента с целью модификации их свойств или сообщения им новых характеристик.

Классификация добавок по ГОСТ 24211-2008 приведена в таблице ниже.

С целью уменьшения усадки, интерес представляют пластификаторы и суперпластификаторы. Эти добавки при введении в состав бетонных смесей в очень малых количествах позволяют снижать количество цемента и воды без снижения прочности бетона, а как мы узнали выше, это позволяет уменьшить усадку. Кроме того, пластификаторы и суперпластификаторы увеличивают время схватывания бетонных смесей, что тоже снижает усадку.

Каталог продукции CEMMIX

CemBase 1л

Cпециализированная высокоэффективная добавка для фундамента.

Рекомендованная розничная цена у партнеров 270 ₽.

Купить оптом

CemPlast 1л

Суперпластификатор для бетона

Рекомендованная розничная цена у партнеров 273 ₽.

Купить оптом

CemStone 5л

Комплексная добавка для кладочных и строительных растворов.

Рекомендованная розничная цена у партнеров 898 ₽.

Купить оптом

CemThermo 1л

Специализированная высокоэффективная пластифицирующая и упрочняющая добавка для заливки теплых полов.

Рекомендованная розничная цена у партнеров 286 ₽.

Купить оптом

Plastix 10л

Пластификатор для бетонов и строительных растворов.

Рекомендованная розничная цена у партнеров 519 ₽.

Купить оптом

Компания CEMMIX производит линейку высокотехнологичных и удобных в применении пластифицирующих и суперпластифицирующих добавок для разных видов бетонных конструкций:

1. Plastix,
2. Cem Base,
3. CemPlast,
4. Cem Stone,
5. CemThermo.

Среди преимуществ пластификаторов и суперпластификаторов CEMMIX можно отметить:

1. невысокий расход (обычно до 1–2 л на 100 кг цемента, в зависимости от конкретной добавки);
2. жидкую форму добавок, благодаря чему их удобно добавлять в раствор при приготовлении;
3. способность активировать даже лежалый цемент, что дает возможность приготовить из него качественный бетон;
4. четкие и проверенные рекомендации по дозированию;
5. гарантированный эффект;
6. увеличение удобоукладываемости бетонных смесей на 3–4 ступени (с П1 по П4–П5);
7. предотвращение расслаивания смеси;
8. повышение срока жизни смеси;
9. снижение усадки;
10. увеличение ранней и расчетной прочности бетона (в среднем, ранняя прочность бетона повышается на 10–25 %, а марочная — на 10–20 %);
11. снижение водопотребности смеси;
12. возможность уменьшить количество цемента в смеси на 5–10 %;
13. повышение плотности, прочности, водонепроницаемости, морозостойкости, долговечности бетона;
14. возможность уменьшить или даже исключить виброобработку.

Важно отметить, что при всех многочисленных преимуществах, пластификатор для бетона, с учетом экономии цемента, обходится практически бесплатно.

Фибра для бетона

Фибра — это отрезки волокна из того или иного материала, которые добавляют в бетонные растворы при приготовлении.

Фибра, по сути, является заполнителем бетона. Волокна распределяются во всем объеме раствора, образуя трехмерный каркас, благодаря чему снижается усадка, предотвращается образование трещин в бетоне, увеличивается его прочность на сжатие и на растяжение при изгибе.

Фибра может быть изготовлена из стали или щелочестойкого стекловолокна. Стальная фибра прочна, но имеет высокий вес и подвержена коррозии. Стекловолоконная фибра легкая, имеет ускоряющее воздействие на твердение бетона.

Наиболее перспективными являются базальтовая и полипропиленовая фибры. Они легкие, прочные имеют большую удельную площадь поверхности и не подвержены коррозии.

Каталог продукции CEMMIX

CemFibra 600гр.

Универсальное полипропиленовое армирующее волокно для добавки в раствор.

Рекомендованная розничная цена у партнеров 579 ₽.

Купить оптом

Фибра базальтовая CemFibra R, пакет 1000г.

Базальтовая фибра (из ровинга),  предназначена для объёмного армирования бетонов, строительных растворов и композиционных материалов.

Рекомендованная розничная цена у партнеров 903 ₽.

Купить оптом

Компания CEMMIX производит фибру базальтовую CemFibra R из ровинга диаметром 17 мкм в пакетах по 200 г и 1 кг и полипропиленовую фибру CemFibra в пакетах по 150 г и 600 г.

Применение фибры базальтовой CemFibra R в бетонных и растворных смесях обеспечивает:

1. предотвращение расслаивания бетонной смеси;
2. уменьшение усадки и образования трещин во время твердения бетона;
3. снижение расхода стали и бетона (за счет возможности уменьшения толщины конструкций до 20 % с сохранением проектных свойств);
4. повышение сопротивления бетона к ударным нагрузкам;
5. увеличение прочности на растяжение при изгибе;
6. повышение водонепроницаемости, морозостойкости, стойкости к истиранию и химической стойкости изделий из бетона;
7. обеспечение огнестойкости бетонных конструкций (бетон сохраняет устойчивость к изгибу после воздействия температуры 600 ° С в течении одного часа);
8. повышение долговечности конструкций.

Полипропиленовая CemFibra чаще всего применяется для армирования штукатурных растворов, а также для дополнительного армирования фундаментов, полов и стяжек.

CemFibra отличается следующими преимуществами:

1. малый вес;
2. высокая прочность, упругость, устойчивость к воздействию агрессивных химических веществ;
3. исключение расслаивания раствора;
4. устранение усадки;
5. предотвращение образования трещин;
6. повышение прочности, водонепроницаемости, стойкости к ударным нагрузкам, морозоустойчивости, долговечности изделий из бетона;
7. снижение истираемости поверхности бетона.

Подробнее о фибре читайте: Расход фибры для бетона

Усадка бетона — естественный, но нежелательный процесс, поэтому необходимо применять мероприятия по ее снижению. Применение добавок и фибры CEMMIX позволяет снизить усадку и получить прочный и долговечный бетон без трещин. Стоимость этих материалов окупается благодаря экономии цемента в бетоне, не говоря уже о повышении качества изделий и снижении трудозатрат и других расходов.

Добавки и фибра CEMMIX продаются в розницу в строительных сетях, а также оптом по специальным ценам. Приглашаем к взаимовыгодному сотрудничеству!