Что такое гидратация цемента и для чего нужно знать процессы, происходящие с ним

Влияние компонентов на гидратацию

Каждый из таких компонентов чрезвычайно важен, все они обладают специфическими характеристиками, помогающими влиять сначала на схватывание, а затем и твердение цемента. Одни начинают незамедлительно взаимодействовать с влагой, иные действуют постепенно, спустя определенное время. Рассмотрим, как на гидратацию влияет каждый ингредиент:

• Двухкальциевый силикат вступает в работу только спустя месяц после момента затвердения бетона. До этого он не участвует в процессе, ожидая своей очереди. Наличие специальных пластификаторов, присутствующих в бетонной смеси, помогает значительно сократить период бездействия без риска ухудшения прочности материала. Этот ингредиент функционируют в долгосрочной перспективе, позволяя укреплять со временем монолит бетонной заливки.
• Трехкальциевый силикат функционирует активно весь период существования цемента. Это вещество — основа смеси, именно оно запускает процесс, именуемый гидратацией. Когда он стартует, выделяется тепло, которое существенно повышает температуру смеси.
• Трехкальциевый алюминат обеспечивает процесс схватывания, поскольку он наиболее активный компонент. Это вещество обеспечивает неуклонное нарастание прочности монолита в самые первые несколько дней после заливки. Потом ингредиент работу прекращает.
• Четырехкальциевый алюмоферит, хотя и оказывает минимальное воздействие на твердение и набор прочности монолита, все равно чрезвычайно важен. Его работа стартует на финишном этапе, когда уже давно запущена процедура затвердевания цемента. Этот компонент улучшает достигнутые характеристики, тем самым завершая процесс.

Каждый перечисленный минеральный компонент определяет качество цемента, обеспечивает правильное течение процесса гидратации. Когда порошок смешивают с водой, внутри раствора немедленно появляются внутрикристаллические связи, которые определяют медленно нарастающую прочность, благодаря которой бетон в итоге приобретает состояние, схожее по параметрам с искусственным камнем.

Особенности гидратации

Из-за того, что период схватывания цемента быстротечен (45–90 минут), смесь требуется готовить незадолго до использования, оставляя время для выполнения заливки до финиша реакции, когда обрабатывать смесь уже невозможно либо бесполезно. Чтобы реакция гидратации полноценно произошла, пропорции объемов цемента с жидкостью должны соответствовать значению 3:2. Только четверть молекул воды химически связывают с порошком, остальные сохраняются в бетонных порах, имея связанный физически вид.

При уменьшении количества воды гидратация произойдет не полностью, в случае повышения ее объема — к развитию капиллярных пор внутри монолита, которые снизят его прочность. Инструкции к каждой конкретной марке цемента либо бетона всегда информируют о точных требуемых объемах составляющих.

Сколько времени сохнет цемент в помещении и на улице

Прямая зависимость скорости схватывания от температуры дает возможность точно определить сколько сохнет раствор цемента с песком внутри и снаружи здания. В помещении воздух прогрет более равномерно, поэтому можно подсчитать время достаточно точно. Для вычисления срока затвердевания на открытом пространстве необходимо сделать замеры температуры с интервалом в несколько часов в течение суток. Благодаря факторам окружающей среды время может существенно измениться.

Разница дневных и ночных показаний могут отличаться на 10-20° C. Необходимо определить среднесуточное значение, которое и станет основным критерием при определении времени затвердевания цементного раствора на улице. При этом показатель влажности воздуха в помещении, как правило, ниже, значит процесс испарения идет активнее, особенно, если здание оборудовано системой отопления. Пересушивание смеси приведет к ухудшению качеств. Если при оштукатуривании стен это не может являться критическим дефектом, то стяжке необходима прочность, поэтому нужно защитить поверхность от пересыхания.

Какие условия нужно обеспечить

Чтобы показатель того, сколько дней сохнет стяжка, не отличался от среднестатистического в разы или на порядок, нужно обеспечить определенные характеристики микроклимата. Кроме уже упомянутого отсутствия сквозняков и прямых солнечных лучей, желательно:

• поддерживать показатель относительной влажности воздуха в помещении на уровне от 60 до 70%;
• обеспечить температуру воздуха в пределах 20-25 градусов Цельсия, избегать прямых солнечных лучей.

Параметры микроклимата в помещении, где сооружена стяжка на полу – должны поддерживаться на протяжении всего времени высыхания. При этом использовать отопительные приборы для принудительного подъема температуры не рекомендуется. Главный параметр, влияющий на то, сколько сохнет слой раствора – относительная влажность. Она снижается при использовании любых отопительных приборов.

Основные стадии затвердевания

Используя специальные добавки, можно замедлить или ускорить процесс затвердевания раствора, а также придать ему дополнительные технические характеристики.

Итак, многие знают, что процесс затвердевания цементного раствора условно подразделяется на два основных момента. Это схватывание и твердение.

Что касается стадии схватывания, то длится она недолго, примерно 24 часа после того, как смесь приготовлена. Самым важным фактором, влияющим на время схватывания, является температура воздуха:

• если температура воздуха соответствует значению в 20 градусов, это означает, что цементный раствор будет схватываться где-то через два часа после того, как произведено замешивание. А окончательное схватывание произойдет спустя три часа. Это говорит о том, что весь рассматриваемый процесс займет всего один час;
• в случае, когда температура является близкой к 0 градусов, этот же самый процесс может затянуться и по продолжительности составить около 20 часов. Обусловлено это тем, что схватывание, точнее его начало, будет происходить только по прошествии времени от 6 до 10 часов.

Еще одним важным фактором, влияющим на скорость процесса схватывания, являются специализированные добавки, которые либо ускоряют реакцию, либо замедляют ее.

Застывание цемента: рис. а) – повышение прочности цемента в зависимости от времени; рис. б) – взаимодействие цемента с водой: 1 – зерна цемента; 2 – вода; 3 – гидратные новообразования; 4 – воздушные поры.

Не забудьте, что все время схватывания раствор цемента сохраняет подвижность. Иначе говоря, он все еще поддается различным воздействиям. А осуществление каких-либо действий с еще не схватившимся цементом увеличивает период первоначального процесса (схватывания).

Следующая стадия, характерная для бетонных растворов – твердение. Она наступает сразу же после окончания первой стадии (схватывания). Можно считать, что этот процесс может тянуться в течение нескольких лет.

Срок, например, 28 суток, указанный в инструкции, говорит лишь о том, что на этот период времени гарантируется достижение определенной марки бетона. Первые несколько дней твердения бетона отличаются динамичностью и нелинейностью. Чтобы понять причину этой особенности, необходимо изучить данные, описывающие процесс гидратации.

Что такое гидратация цемента и для чего нужно знать процессы, происходящие с ним

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.

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

Водоцемементное соотношение

Основным параметром замеса бетонной смеси является водоцементное соотношение. Это относительная величина (по массе) количества чистого цемента в замесе к воде, которой смесь затворяют.

От этого соотношения напрямую зависят прочность, водонепроницаемость и подвижность готового бетона

. Конечно, на итоговые характеристики бетона влияет не только количество воды, но и её качество.

Очень частой причиной падения прочности бетона, замедления и даже остановки процесса его твердения является химический состав воды, на которой замешан раствор.

Данный стандарт выставляет следующие требования к воде замеса:

1. Вода не должна содержать примесей минеральных веществ, следов нефтепродуктов, жиров и органических остатков.
2. Содержание органических ПАВ, фенолов и сахаров не должно превышать 10 мг / дм3.
3. Уровень pH должен быть в пределах от 4 до 12,5
4. Окисляемость не должна превышать 15 мг / дм3.

Понятно, что все эти требования легко соблюдать в лабораторных условиях. Но, как быть с замесом бетона дома или на даче, где не всегда есть возможность измерить химические показатели.

В этом случае, мы настоятельно рекомендуем придерживаться простого правила – замешивайте на питьевой (или условно питьевой) воде. Это может быть вода из скважины, колодца, водопровода, либо природная, но прошедшую очистку. Грубейшей ошибкой загородной стройки является использование воды из ближайшего пруда, канавы или лужи. Даже при внешней прозрачности и чистоте, такая вода, чаще всего, перенасыщена органическими и минеральными загрязнителями, которые будут препятствовать нормальному процессу гидратации бетона и пагубно повлияют на его качество.

Акриловый герметик

Преимущества герметиков на водной основе (в сравнении с герметиками на основе растворителей):

• не выпускают вредных паров в атмосферу;
• намного безопаснее для применения, особенно в помещении;
• их легче и дешевле наносить, т. к. можно распылять с помощью дешевого пластикового садового опрыскивателя, и они не высыхают в жаркую погоду;
• устраняют или уменьшают большинство проблем герметиков, включая пузыри и следы от роликов;
• часто более долговечны;
• доступны с глянцевой или матовой отделкой;
• не затемняют поверхность так же сильно, как герметики на основе растворителей, поэтому поверхность выглядит намного естественнее. Для некоторых это является преимуществом при установке декоративного бетона.

Нельзя не отметить, что герметики на водной основе имеют и некоторые недостатки:

• их очень трудно удалить;
• плохо работают при температуре ниже +10 градусов по Цельсию;
• герметики на водной основе замерзнут и станут непригодными для использования гораздо быстрее, чем акриловые краски на основе растворителей;
• не создают эффекта потемнения, который особенно важен при работе с декоративным бетоном;
• не подходят для регионов и помещений с высокой влажностью.

Уход за бетоном после заливки: основные цели и методы

Процессы, связанные с проведением мероприятий, которые предшествуют распалубке, содержат несколько технологических приемов. Цель выполнения таких мероприятий одна – создание железобетонной конструкции, максимально соответствующей по своим физико-техническим свойствам параметрам, которые заложены в проект. Основополагающим мероприятием, безусловно, является уход за уложенной бетонной смесью.

Уход заключается в выполнении комплекса мероприятий, которые призваны создать условия, оптимально соответствующие происходящим в смеси физико-химическим преобразованиям, во время набора прочности бетона. Неукоснительное следование предписанным технологией ухода требованиям позволяет:

• свести к минимальным значениям усадочные явления в бетонном составе пластического происхождения;
• обеспечить прочностные и временные значения бетонного сооружения в параметрах, предусмотренных проектом;
• предохранить бетонную смесь от температурных дисфункций;
• препятствовать прелиминарному отвердению уложенной бетонной смеси;
• предохранить сооружение от различного происхождения воздействий механического или химического генеза.

Процедуры ухода за свежеобустроенной железобетонной конструкцией следует начинать непосредственно по окончании укладки смеси и продолжаться до тех пор, пока ей не будет достигнуто 70 % прочности, предусмотренной проектом. Это предусматривается требованиями, изложенными в пункте 2.66 СНиПа . Распалубку можно провести и в более ранние сроки, если это обосновано сложившимися параметрическими обстоятельствами.

После окончания укладки бетонной смеси следует провести осмотр опалубочной конструкции. Цель такого осмотра – выяснение сохранения геометрических параметров, выявление протечек жидкой составляющей смеси и механических повреждений элементов опалубки. С учетом того, сколько времени застывает бетон, точнее сказать – с учетом времени его схватывания, проявившиеся дефекты необходимо устранить. Среднее время, за которое может схватиться свежеуложенная бетонная смесь, составляет около 2-х часов, в зависимости от температурных параметров и марки портландцемента. Конструкцию необходимо предохранять от любого механического воздействия в виде ударов, сотрясений, вибрационных проявлений столько, сколько времени сохнет бетон.

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.

Гидратация цемента

Термин гидратация цемента означает процесс, при котором происходит твердение (увеличивается прочность) раствора вследствие его взаимодействия с влагой.

Гидратация цемента — процесс, при котором происходит твердение раствора вследствие его взаимодействия с влагой.

Принято считать, что данный процесс продолжается минимум на протяжении первых 14 дней после приготовления. Если в указанный промежуток времени происходит замерзание или же высыхание влаги, то гидратация прекращается.

Любой человек знает, что при взаимодействии цемента с водой, через некоторое время он превращается в цементный камень, но мало кто задумывается над тем, почему это происходит и как можно контролировать указанный процесс, который называется гидратация цемента.

Ученые постоянно изучают процессы гидратации цемента и благодаря этому создаются специальные добавки, которые помогают контролировать сроки схватывания цемента. На сегодняшний день есть возможность контролировать начало и конец схватывания раствора, что позволяет улучшить такие показатели бетона как водонепроницаемость, морозостойкость, коррозийную выносливость и другие.

Для получения качественного гидратированного цемента с потерей влаги необходимо бороться. В зависимости от погодных условий существуют разные методы сохранения влаги в растворе. Если погода жаркая, то рекомендуется накрывать уложенный бетон полиэтиленовой пленкой, а также необходимо поливать его водой, делается это на протяжении первых 5 дней.

Замерзание цемента может быть не только в зимний период, но и в осенне-весенний. Чтобы этого не происходило, необходимо проводить либо обогрев, либо использовать строительную химию, тогда схватывание будет происходить постепенно и бетон получится высокого качества.

Время затвердевания цементного раствора

Применение противоморозных добавок позволяет работать и при отрицательной температуре.

1. Применение противоморозных добавок, в таком случае можно проводить работы и при наличии отрицательных температур. Только после того как настанет потепление, начнется застывание цемента, но в этом случае, использовать конструкцию можно только после полной гидратации цемента.
2. Применение электроподогрева также позволяет защитить от замерзания воды, но недостатком указанного способа является то, что требуется доставка и монтаж дополнительного оборудования, а также возникают дополнительные расходы на потребляемую им энергию.

Если на протяжении суток возникают перепады температуры, то для периодического обогрева можно использовать тепловую пушку, источником тепла в ней может быть газ, дизельное топливо или электричество.

Этапы затвердевания раствора

На первой стадии затвердевания раствора происходит схватывание цемента, это длится на протяжении первых суток.

На первой стадии происходит схватывание цемента, это длится достаточно быстро, на протяжении первых суток. Время застывания цемента зависит от температуры окружающего воздуха. Если температура воздуха порядка 20С, то данный процесс начинается приблизительно через два часа и длится около часа. Если же температура воздуха около 0С, то он начинается только через 6-8 часов и может длиться до 20 часов. Использование специальных добавок может как ускорить, так и замедлить данный процесс.

Чтобы началось схватывание приготовленного раствора, он должен быть неподвижным. Если проводить его постоянное перемешивание, то эта процедура оттягивает начало схватывания. Именно на этом принципе и работают все бетоносмесители, что позволяет на протяжении некоторого периода времени сохранять свойства раствора. Процесс перемешивания в смесителе может происходить на протяжении нескольких часов, бывают случаи, что миксеры перемешивают содержимое до 10-12 часов, при этом затвердевание цемента не происходит. Если указанный период затягивается, то начинает снижаться качества бетона, особенно это ощущается в летний период, когда благодаря высоким температурам застывание смеси значительно ускоряется.

На второй стадии происходит твердение цемента. Принято считать, что данный процесс заканчивается через 28 дней, но это время, за которое определенная марка бетона приобретает заявленные для нее свойства. Если говорить конкретнее, то стадия твердения может длиться долго и растянуться на годы. Процесс приобретения раствором прочности происходит неравномерно, в первый дни и недели он более динамичен, затем постепенно замедляется.

Ускорители схватывания цемента

В зависимости от конкретных условий строительства и ремонта застройщику необходимо ускорить начало и период времени схватывания. Например, близится холодное время года и стоит задача максимально ускорить все виды строительных работ, Ускорить схватывание цемента можно с помощью внесения в бетонную смесь специальных присадок.

Популярные присадки для ускорения схватывания цемента:

• Ускоритель твердения для бетона «УП2М», Россия, средняя цена 43 руб/кг.
• Ускоритель твердения для бетона «Форт Ускорин», Россия, средняя цена 24 руб/кг.
• Супер пластификатор ускоритель твердения «Реламикс Т-2», Россия, средняя цена 98 руб/кг.

Указанные и другие присадки для ускорения схватываемости цемента вносятся в момент затворения и начала перемешивания бетонного раствора. В общем случае при стандартных условиях (температура окружающей среды 20 градусов Цельсия, относительная влажность воздуха 75-80%) с помощью указанных видов присадок можно укорить период схватывания и набора марочной прочности в три раза без потери прочности и долговечности конструкции.

Особенности реакции, как влияют компоненты

Основой цемента любой марки составляют 4 минеральных соединения в разных пропорциях входящие в строительную смесь:

• C3S трёхкальциевый силикат;
• C3A трёхкальциевый алюминат;
• C2S двухкальциевый силикат;
• C4AF четырёхкальциевый алюмоферрит.

Любой из них вступая в контакт с водой по-своему влияет на химический процесс в отдельных временных отрезках нелинейного графика превращения раствора в каменный монолит.

Трехкальциевый силикат C3S активно участвует в процессе кристаллизации раствора в монолит на всем его протяжении. Эта химическая реакция носит изотермический характер, и соединение C3S с водой обеспечивает выделение тепла при замесе, затем снижение нагрева при перемешивании. В период схватывания энергия выделяется интенсивно и в дальнейшем, на этапе нормального твердения, 28 суток постепенно снижается.

Трехкальциевый алюминат C3A отвечает за процесс схватывания раствора. Именно его взаимодействие с водой приводит к выделению тепла при схватывании в первое время после заливки. По мере набора прочности активность минерала слабеет, и он прекращает работу.

Двухкальциевый силикат C2S включается в работу при выходе процесса нормального твердения на финиш (90% набора прочности бетона), то есть примерно через месяц соединения цементной смеси с водой. Его действие продолжает укреплять изделия из бетона после достижения заявленной прочности. Введение пластификаторов в смесь может сократить месячный промежуток времени и заставить работать этот компонент раньше без потери качества.

Четырехкальциевый алюмоферрит C4AF работает как катализатор на финишном отрезке твердения бетона. Взаимодействуя с водой, двухкальциевым силикатом C2S, а также модифицирующими добавками он существенно улучшает характеристики бетона.

Гидратация цемента — это длительный процесс взаимодействия его с водой, каждый ингредиент в нем играет основную роль на своем отрезке времени.

Марки цементных растворов

Вначале нужно сделать два уточнения.

Первое: в строительстве цементом называется целая группа вяжущих смесей, несмотря на значительные различия в их составе. Наиболее широко используется портландцемент, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, а также глиноземистый цемент. В эту группу входят расширяющиеся цементные и еще многие другие смеси.

Второе: непрофессионалы часто путают цементный и бетонный составы. Это ошибка, поскольку цементный раствор готовится путем смешивания в определенных пропорциях цемента и песка, а для приготовления бетонного в состав добавляется еще гравий или щебень.

График отношения воды к цементу для цементов разных марок.

Хороший цемент должен обладать хорошей вяжущей способностью. В подавляющем большинстве случаев для приготовления растворов из цемента используют марки М200, М300, М400, М500, М600. Чем выше марка, тем приготовленный цементный раствор будет качественнее и прочнее.

В зависимости от используемого цемента и количества добавляемого в смесь песка растворы цемента тоже делятся на марки. В частном строительстве обычно используются марки 15, 25, 50, 75, 100, 150 и 200. В промышленном строительстве для придания возводимой конструкции сверхпрочности иногда используется цементный раствор М300.

В отличие от бетонной смеси, которую при больших объемах рациональнее покупать в готовом виде на специализированных заводах, цементный раствор практически всегда готовится на строительной площадке. Чтобы получить нужную марку, необходимо смешать в определенной пропорции цемент и песок.

Например, для приготовления состава М100 можно использовать цемент М300 и песок в пропорции 1:3, при использовании цемента М400 эти пропорции будут 1:4, а при использовании цемента М500 — 1:5. Для приготовления раствора М200 эти пропорции будут такими: при использовании М400 — 1:2; при использовании М500 — 1:2,5; при использовании М600 — 1:3.

В приведенных примерах несложно заметить, что расход цемента, независимо от его марки, всегда остается одинаковым, а изменяется только количество расходуемого песка. Поэтому, соблюдая нужные пропорции, несложно приготовить цементную смесь практически любой марки

Очень важно при этом не зацикливаться на марке используемого для приготовления вяжущего, а добиваться нужной марки окончательного продукта