Время схватывания бетона: химическая и физическая модели. Время протекания реакций

За какое время схватывается бетон? Какие процессы протекают в нем во время превращения полужидкого раствора в твердый материал? Как на эти процессы влияет температура атмосферного воздуха? Давайте разбираться.

Выгрузка бетона.

Схватывание: химия и физика

Для начала давайте выясним, что это за процесс — схватывание бетона, как он протекает с точки зрения химических реакций и физической модели (см.также статью «Бетонные столбики – важный элемент строительства»).

Уточним: все процессы в бетоне, строго говоря, правильнее называть гидратацией цемента. По понятным причинам куда более стойкие химически кварцевый песок и щебень в реакцию не вовлекаются.

Химическая модель

При контакте портландцемента с водой одновременно запускается несколько химических процессов, сводящихся к превращению окисей и солей алюминия и кальция в, соответственно, гидроалюминаты и гидросиликаты.

Основные реакции имеют следующий вид:

3CaO*Al2O3+6H2O -> 3CaO*Al2O3*6H2O.
Ca2SiO4+H2O -> Ca2SiO4*H2O.
3CaO*SiO2+H2O -> 3Ca2SiO4*H2O+Ca(OH)2.

Все три реакции протекают с выделением незначительного количества тепла. Полная гидратация цемента требует его смешивания с водой в пропорции 1:0,4; при этом в собственно химические процессы вовлекается примерно 60% от общего количества воды. Остальная жидкость остается запертой в ячейках будущего бетона, формируя его пористую структуру; она будет испаряться в течение нескольких недель или даже месяцев.

Параллельно с гидратацией составляющих цемент минералов в массе бетона протекает несколько более медленных реакций, которые постепенно приводят к набору бетоном марочной прочности:

Гашеная известь Ca(OH)2 в союзе с углекислотой постепенно превращается в прочный и слаборастворимый карбонат кальция CaCO3.

Несколько минералов, большей частью состоящих из карбоната кальция.

Присоединение к этой реакции двуокиси кремния порождает не менее прочные и стабильные силикаты кальция.

Физическая модель

Как процесс выглядит с точки зрения происходящих в массе бетона физических процессов?

Время от начала гидратации	Протекающие процессы
5 минут	Поверхность зерен цемента покрывается иглообразными кристаллами алюмината кальция 3CaO*Al2O3.
6 часов	Кристаллы разрастаются настолько, что начинают образовывать общую кристаллическую решетку. Между цементными зернами возникают первые пространственные связи.
8-10 часов	Лавинообразно ускоряющийся рост кристаллической структуры создает между зернами сплошную решетку. Прочность бетона стремительно растет. Одновременно внутри кристаллической структуры начинается рост более мелких кристаллов — своеобразного «ворса» из силикатов кальция.
24 часа	Силикаты кальция начинают вытеснять решетку алюмината, образуя собственную прочную сеть между твердыми наполнителями.
28 суток	Цементный камень полностью состоит из кристаллов силикатов кальция. Алюминаты вытеснены.

Схематическое изображение разных этапов гидратации цемента.

Время протекания реакций

В общем-то, сколько времени схватывается бетон — понятно из предыдущей таблицы. Через 6 часов его масса перестает быть подвижной; через сутки она утрачивает пластичность, но остается хрупкой. Полная марочная прочность набирается материалом примерно за месяц.

Справка: марочная прочность соответствует максимальному усилию на сжатие, которое бетон способен выдержать без разрушения. Усилие измеряется в килограммах на квадратный сантиметр. Так, бетон марки М200 обязан выдерживать 200 кгс/см2, М300 — 300 кгс/см2, М400 — 400 кгс/см2 и так далее.

Однако приведенная выше таблица верна для так называемых нормальных условий : +18-22С при относительной влажности около 60%. Что произойдет при отклонениях в ту или иную сторону?

Отклонение	Оказываемое влияние
Понижение температуры	При низких температурах (от 0 до +18) скорость протекания реакций замедляется; схватывание может занять до 5-7 суток. При падении температуры бетона ниже 0 градусов вода кристаллизуется, и гидратация портландцемента полностью останавливается.
Повышение температуры	До определенного предела реакции ускоряются; однако при 90С и выше вода начинает испаряться их растущей кристаллической структуры быстрее, чем вступает в реакцию с ней. В результате набор прочности опять-таки останавливается.
Понижение влажности	В сухом воздухе вода быстро испаряется из поверхностного слоя бетона, что приводит к падению его прочности и появлению трещин.
Повышение влажности	При нормальной температуре оно приводит лишь к увеличению итоговой прочности бетона при отсутствии трещин. При повышенной до +80С температуре в насыщенной водяным паром атмосфере набор 60-70% прочности занимает всего 16 часов.

Набор прочности при разных температурах.

Как нивелировать отклонения от нормального режима?

В жару и сухую погоду конструкцию в опалубке укрывают мокрой мешковиной, влажными опилками или поливают водой два-три раза в сутки.

Поливка плитного фундамента.

При температурах до -5 С достаточно укрыть и по возможности теплоизолировать молодой бетон. Выделяющееся при гидратации тепло не даст воде замерзнуть.
При более низких температурах требуется его подогрев. Альтернатива — использование зимних марок бетона, способных благодаря специальным добавкам схватываться при отрицательных температурах.

Полезно: благодаря противоморозным добавкам цена кубометра увеличивается всего лишь на 100-300 рублей за куб. Собственно, зимний бетон несложно приготовить и своими руками: инструкция сводится к добавке в него специальных антиморозных присадок (например, Антифриз ДС) в количестве 1% от массы цемента.

Полезные мелочи

Итоговая прочность может превышать марочную. В нормальных условиях прочность бетонной конструкции за 3 месяца достигает 120%.
Снимать опалубку и ходить по монолиту можно через 3-4 дня. Обработка, возведение стен на бетонном фундаменте и т.д. возможно через 10-14 дней.
До набора полной прочности нежелательно использовать ударные инструменты. Если обработка необходима, предпочтительна резка железобетона алмазными кругами и алмазное бурение отверстий в бетоне: в этом случае можно не бояться трещин и сколов.

На фото — алмазная дисковая пила.

Заключение

Надеемся, что предложенная вниманию читателя информация будет полезна ему при ремонте или строительстве (см.также статью «Фибропенобетон: особенности и область применения»).

Как обычно, видео в этой статье содержит дополнительные материалы. Успехов!