За какое время происходит схватывание цемента?

Цемент является одним из основных материалов, используемых строительстве.

Ни один вид ремонта, проводимого в доме либо квартире, не обходится без использования цемента. И естественно, что вопрос, затрагивающий сроки схватывания цемента, волнует многих людей. Можно с уверенностью сказать, что период застывания цемента напрямую зависит от многих различных факторов и условий, в которых происходит высыхание.

Схема производства бетонных блоков.

К факторам, влияющим на застывание цементного раствора, можно отнести марку используемого цемента, вид и качество песочной составляющей. Особое место среди факторов, влияющих на время застывания цемента, занимает температура воздуха, при которой происходит высыхание.

Краткая характеристика

Для получения различных бетонных растворов используется цемент, это известно многим. Естественно, что для получения бетона (искусственного каменного материала) необходимо присутствие в смеси и других составляющих, таких как песок, щебень, вода.

Для приготовления бетонного раствора понадобятся цемент, вода, песок и щебень, которые смешиваются в определенной пропорции.

Для получения качественного изделия из бетона необходимо точно соблюдать технологию и последовательность выполнения работ, которые начинаются с выбора и смешивания составляющих, а заканчиваются осуществлением правильного ухода за раствором в процессе его отвердевания.

Цементный состав после приготовления и заливки в опалубку начинает постепенно твердеть, увеличивая свою прочность по прошествии определенного времени. Сразу после схватывания бетон не будет обладать характеристиками, которые позволят продолжить дальнейшие строительные работы. В самом начале процесса бетон легко поддается разрушению даже при воздействии минимальных нагрузок.

На сегодняшний день создан целый ряд различных добавок для цементного раствора, которые позволяют значительно улучшить качества бетонных изделий. Например, они могут наделить их такими свойствами, как пластичность, высокая прочность, морозоустойчивость, водонепроницаемость и другими.

Использование современных добавок позволяет проводить работы по бетонированию, даже когда на улице довольно низкая температура (в зимний период времени), не используя оборудование специального назначения.

Отрывок, характеризующий Гидратация цемента

Наташа видела, что бояться нечего, и потому не побоялась и Марьи Дмитриевны. – Марья Дмитриевна? какое мороженое! Я сливочное не люблю. – Морковное. – Нет, какое? Марья Дмитриевна, какое? – почти кричала она. – Я хочу знать! Марья Дмитриевна и графиня засмеялись, и за ними все гости. Все смеялись не ответу Марьи Дмитриевны, но непостижимой смелости и ловкости этой девочки, умевшей и смевшей так обращаться с Марьей Дмитриевной. Наташа отстала только тогда, когда ей сказали, что будет ананасное. Перед мороженым подали шампанское. Опять заиграла музыка, граф поцеловался с графинюшкою, и гости, вставая, поздравляли графиню, через стол чокались с графом, детьми и друг с другом. Опять забегали официанты, загремели стулья, и в том же порядке, но с более красными лицами, гости вернулись в гостиную и кабинет графа. Раздвинули бостонные столы, составили партии, и гости графа разместились в двух гостиных, диванной и библиотеке. Граф, распустив карты веером, с трудом удерживался от привычки послеобеденного сна и всему смеялся. Молодежь, подстрекаемая графиней, собралась около клавикорд и арфы. Жюли первая, по просьбе всех, сыграла на арфе пьеску с вариациями и вместе с другими девицами стала просить Наташу и Николая, известных своею музыкальностью, спеть что нибудь. Наташа, к которой обратились как к большой, была, видимо, этим очень горда, но вместе с тем и робела. – Что будем петь? – спросила она. – «Ключ», – отвечал Николай. – Ну, давайте скорее. Борис, идите сюда, – сказала Наташа. – А где же Соня? Она оглянулась и, увидав, что ее друга нет в комнате, побежала за ней. Вбежав в Сонину комнату и не найдя там свою подругу, Наташа пробежала в детскую – и там не было Сони. Наташа поняла, что Соня была в коридоре на сундуке. Сундук в коридоре был место печалей женского молодого поколения дома Ростовых. Действительно, Соня в своем воздушном розовом платьице, приминая его, лежала ничком на грязной полосатой няниной перине, на сундуке и, закрыв лицо пальчиками, навзрыд плакала, подрагивая своими оголенными плечиками. Лицо Наташи, оживленное, целый день именинное, вдруг изменилось: глаза ее остановились, потом содрогнулась ее широкая шея, углы губ опустились. – Соня! что ты?… Что, что с тобой? У у у!… И Наташа, распустив свой большой рот и сделавшись совершенно дурною, заревела, как ребенок, не зная причины и только оттого, что Соня плакала. Соня хотела поднять голову, хотела отвечать, но не могла и еще больше спряталась. Наташа плакала, присев на синей перине и обнимая друга. Собравшись с силами, Соня приподнялась, начала утирать слезы и рассказывать. – Николенька едет через неделю, его… бумага… вышла… он сам мне сказал… Да я бы всё не плакала… (она показала бумажку, которую держала в руке: то были стихи, написанные Николаем) я бы всё не плакала, но ты не можешь… никто не может понять… какая у него душа. И она опять принялась плакать о том, что душа его была так хороша. – Тебе хорошо… я не завидую… я тебя люблю, и Бориса тоже, – говорила она, собравшись немного с силами, – он милый… для вас нет препятствий. А Николай мне cousin… надобно… сам митрополит… и то нельзя. И потом, ежели маменьке… (Соня графиню и считала и называла матерью), она скажет, что я порчу карьеру Николая, у меня нет сердца, что я неблагодарная, а право… вот ей Богу… (она перекрестилась) я так люблю и ее, и всех вас, только Вера одна… За что? Что я ей сделала? Я так благодарна вам, что рада бы всем пожертвовать, да мне нечем… Соня не могла больше говорить и опять спрятала голову в руках и перине. Наташа начинала успокоиваться, но по лицу ее видно было, что она понимала всю важность горя своего друга.

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.

Гидратация как пространственный процесс

Цементные частицы в виде дробленых зерен затвердения, окружены водой, объём которой относительно велик (50—70 объёмных процентов). Этот объём заполняется новообразованиями, чтобы возникла прочная структура (цементный камень). Благодаря химическим реакциям с водой уже через несколько минут как на поверхности зерен, так и в воде возникают иглообразные кристаллы. Через 6 часов образуется уже так много кристаллов, что между цементными зернами возникают пространственные связи. Через 8—10 часов весь объём между постепенно уменьшающимися зернами цемента заполнен скелетом иглообразных кристаллов. Его также называют «алюминатной структурой», так как он возникает из 3CaO*Al2O3. Будучи до сих пор пластичной, масса начинает застывать, при этом происходит быстрое нарастание прочности. В оставшихся пустотах возникают одновременно (но поначалу не слишком интенсивно) продукты гидратации клинкерных минералов 2(3CaO*SiO2) и 2(2CaO*SiO2). Последние образуют гомогенный чрезвычайно тонкопористый ворс из малых кристаллов (так называемую «силикатную структуру»). Значение этой структуры вce более увеличивается. Она становится носителем прочности цементного камня и приблизительно через сутки начинает вытеснять алюминатную структуру. Через 28 суток (обычный срок испытания цемента и бетона) обнаруживается только силикатная структура.

Возникновение продуктов гидратации рассматривают как гелеобразование, а продукты гидратации — как гель. Скорость, с котором протекают эти процессы, зависит от:

• крупности цементных зерен (толщины помола цемента);
• минерального состава клинкера цемента;
• количества воды, которым замешивается цемент;
• температуры гидратации;
• введения добавок

Для полной гидратации цементного зерна необходимо присутствие 0,4-кратного (по массе) количества воды. Из неё только 60 % (то есть 0,25 массы цемента) связывается химически. Остальные 40 % исходной воды остаются слабо связанными в порах геля. Размер гелевых пор около 3-5 нм. Их образование неизбежно, именно они определяют тонко-пористое строение гелевой массы.

Гидратация цементов как химический процесс. Фазовый состав продукции твердения

При гидратации алита протекает реакция, которая в общем виде может быть записана следующим образом:

3 CаO SiO2 + (3 ¸ x) H2O = (З¸x) Ca(OH)2 + x СаО y SiO2O m H2O.

Значения коэффициентов x, y, m меняются в зависимости от внешних условий протекании реакций гидратации, главным образом от температуры. Гидратация белита протекает по аналогичной схеме с образованием гидросиликатов того же состава:

2 CаO SiO2 + (2 + x) H2O = (2¸x) Ca(OH)2 + x СаО y SiO2O m H2O.

При нормальной температуре продуктом гидратации алита и белита является один и тот же гидросиликат, обозначаемый СН(П) или С2SН2. Кроме гидросиликата в достаточно большом количестве образуется кристаллический Са(OН)2, причем при гидратации алита его образуется значительно больше, чем при гидратации белита. При повышении температуры до 100-110°С образуется тот же гидросиликат СSН(П), но с более высоким содержанием оксида кальция. При 70-80°С основность (отношение числа молей CaO к SiO2) гидросиликатов достигает предельного значения, равного 2. Гидросиликат CSH(П) — первая гидросиликатная фаза, образующаяся при более высоких температурах. Затем он превращается в гидросиликат, обозначенный C2SH(А), или a — гидрат C2S. Температурный интервал устойчивости этого гидросиликата — I25 -175°С. При более высоких температурах он переходит в гидросиликат C2SH(С) (g — гидрат С2). При температурах, выше 160°C может образовываться гидросиликат C3SH2. При температурах выше 125°С также образуется гидросиликат С2SН(B), называемый гиллебрандитом. Размеры гидросиликатов, образующихся при повышенных температурах, более крупные, чем размеры кристаллов, образующихся при низких температурах.

Таким образом, при гидратации силикатных клинкерных минералов образуется, главным образом, высокоосновные гидросиликаты кальция, имеющие мольное отношение Cao/SiO2 более 1,5. Однако эти гидросиликаты обладают большей растворимостью и высокой константой скорости растворения, поэтому в плане обеспечения долговечности крепи скважины они не являются оптимальными.

При повышенных температурах растворимость кремнеземистых компонентов возрастает, и растворенныйSiO2 связывает гидрооксид кальция с образованием, гидросиликатов пониженной основности. Уменьшение содержания свободного гидрооксида кальция в растворе также способствует снижению основности. Уменьшение содержания свободного гидрооксида кальция в растворе также способствует снижению основности продуктов твердения и повышению их долговечности и прочности. Поэтому для крепления интервалов с высокими температурами требуется введение в состав тампонажных портландцементов кремнеземсодержащих материалов, шлаков, золы, молотого песка и т.д.

Согласно схемы, предложенной Я. Скальни и Дж. Янгом, механизм гидратации трехкальциевого силиката представляется следующим образом: C2S реагируют c dодой сразу же при контактировании. Во время: индукционного периода происходит обмен ионов между раствором и твердым непрогидратированным веществом, способствуя автокаталитическому увеличению скорости реакции. При этом большое количество продуктов гидратации с низкой плотностью и увеличенным объемом по сравнению с негидратированной фазой осаждается на покрытую водой поверхность минерала. Это обусловливает общее увеличение пористости, системы, что, в свою очередь, снижает перенос ионов на поверхность раздела между твердым веществом и жидкостью, замедляя процесс гидратации. Этот период рассматривается как контролируемая диффузией стадия гидратации.

В начале, гидратации происходит реакции:

где: «C2S» это структура C3S .с, дефицитом гидрооксида кальция.

В конце индукционного периода — реакции:

В целом механизм гидратации разделен на пять отдельных стадий.

Стадия 1. При контакте С2 с водой имеет место гидролиз сопровождающийся переходом протона О2- в OH-, в и Са2+в Са2+ + а q. Гидролиз происходит в основном на активных участках. В результате перехода в раствор Са2+ на этих участках минерала образуется поверхностный слой продуктов реакции, представляющих собой группировки силикатных ионов и , связанных между собой водородными связями и несколькими ионами кальция. Образовавшийся аморфный слой имеет тенденцию к всасыванию воды и набуханию, подобно осмотическому процессу. Равновесие заряда поддерживается переходом ионов Са2+ и ОН- в раствор, компенсируя ионы Н+ имеющиеся в растворе при гидролизе воды. Между подвижным ионом — Са2+ и неподвижной поверхностью силикатные ионов образуют двойной электрический слой, обеспечивая хемосорбцию.

Стадия 2. Вследствие дальнейшего перевода в раствор ионов Са2+ и OН- с образовавшийся на 1 стадии поверхностный слой продолжает разрываться. Образующийся двойной электрический слой замедляет скорость его развития. Из находящихся в растворе групп атомов будут формироваться зародыши кристаллов Са(OН)2 или C-S-H.

Стадия 3. По мере перевода ионов в раствор, содержание их становится достаточные для роста зародышей кристаллов. Первоначально рост отмечается при пресыщении раствора относительно гидрооксида кальция. Вследствие возникающих больших сопротивлений через слой новообразованного диоксида кремния на поверхности образуются слаборазвитые кристаллы C-S-H.

Стадия 4 и 5. На этих стадиях продолжается дальнейший рост изообразныхкристаллов C-S-H. При этом образующиеся на ранее сформированных кристаллах C-S-H новые кристаллы будут отличаться по морфологии, поскольку содержание ионов в растворе меняется. Это и обуславливает наличие различных модификаций гидросиликатов.

Механизм гидратации b — С2S аналогичен и отличается в уменьшении степени пересыщения раствора ионами Са2+ относительно Са(ОН)2 и низкой экзотермией процесса гидратации.

Общий состав и морфология С — S — Н, формирующихся из b — С2S и C3S оказываются сходными. Низкая степень насыщения раствора гидрооксидом кальция при гидратации b — С2S обуславливает формирование более крупных кристаллов Са(ОН)2 по сравнении с кристаллами, образующимися при гидратации C3S.

Гидратация С3А. Процесс гидратации С3А определяется скоростью диффузии жидкой фазы через слой сформировавшихся в начальной стадии гидратов С4АН13 и С2АН8. Так как гидратация СА сопровождается большим выделением теплоты, указанные гидраты быстро переходят в С3АН6.

Образовавшиеся гидраты С4АН13, С4АС5Н12 и их твердые растворы создают изолирующий слой на поверхности зерен С3А, который резко замедляет, но не прекращает, переток реагирующих ионов и молекул воды. Этот поток не обеспечивает растворение нижнего слоя, контактирующего с поверхностью, и поэтому; последовательное образование С4АН13 истощает раствор, находящийся в контакте с зернами С3А относительно ионов Са2+, тем самым способствует осаждению Аl(ОН)3. Этот процесс выражается:

Разрушение изолирующего слоя вследствие превращения С4АН13 и С2АН8 в С2АН6 будет вызывать при высоком содержании в растворе ионов Са+ и ОН- также и разрушение, слоя Аl(ОН)3,что будет обуславливать дальнейшую гидратацию С3А. Последовательность этих реакций следующая:

;

;

.

Состав продуктов гидратации алюминатных составляющих цемента также зависит от температуры окружающей среды. При нормальной температуре взаимодействие с водой трехкальциевого алюмината происходит по схеме:

.

В реакцию вступает гидрооксид кальция, выделяющийся при гидратации силикатных минералов. При повышенных температурах (более 50 — 60°С) основным продуктом гидратации является шестиводный гидроалюминат:

.

При пониженных температурах (ниже 10° С) при гидратации алюминатов предпочтительно образование низкоосновных гидроалюминатов

и .

Гидратация алюмоферритной фазы. При температуре ниже 20°С гидратация алюмоферритов кальция сопровождается образованием гидрата четырехкальциевого алюмоферрита кальция.

При температурах свыше 20 °С данный кристаллогидрат превращается в кубический,

,

а при температурах выше 50°С только в кубический. Присутствующий в растворе гидрооксид кальция замедляет переход гексагональной формы кристаллогидрата в кубическую.

Реакции взаимодействия алюмоферритов кальция различного состава выражаются следующим образом:

Твердые растворы трехкальциевых гидроалюмоферритов кристаллизуются в кубической сингонии и по своей структуре подобны минералам гранатовой группы — гроссуляру и андрадиту .

При взаимодействии с водой полиминеральных цементов, содержащих силикаты, алюминаты и ферриты кальция, образуются твердые растворы гидроалюмоферритов и алюможелезистых гранатов по сложной системе:

В этих твердых растворах одна молекулаSiO2 замещается двумя молекулами Н2О и поэтому растворы называются гидрогранатами. Вся группа соединений имеет общую формулу:

или . Гидрогранаты повышают долговечность тампонажного камня, т. к. имеют большую стойкость ко многим видам пластовых вод.

Кроме указанных минералов портландцемент содержит в своем составе сульфат кальция в виде гипса, вводимого для замедления скорости схватывания цементного теста. Механизм замедления представляется следующим образом.

Продукт гидратации алюмината и алюмоферрита кальция — шестиводный гидроалюминат кальция в присутствии гипса образует гидросульфоалюминат кальция трехсульфатной формы по реакции:

,

который можно записать как . Это соединение называется эттрингитом и для него характерно сильное приращение объема и высокая удельная поверхность. Быстрообразующийся эттрингит покрывает зерна клинкерных минералов, затрудняя к ним доступ воды. Процесс гидратации замедляется. После того, как весь гипс расходуется на химическую реакцию и концентрация ионов в растворе понижается эттрингит становится термодинамически неустойчивым и переходит в моносульфатную форму гидросульфоалюмината кальция. Доступ воды к минералам клинкера открывается и процесс гидратации интенсифицируется.

Ферритные составляющие в присутствии гипса образуют гидросульфоферриты моно- и трехсульфатной формы, аналогичные гидросульфоалюминатам кальция с общими формулами:

и

При высоких температурах (выше 50°С) высокосульфатные формы указанных соединений переходят в моносульфатные, которые, в свою очередь, при температурах выше 100°С разлагаются с выделением гипса и гидрогранатов.

Изложенные ранее материалы позволяют заключить, что процесс гидратации, является частным случаем сольвации и представляет собой процесс взаимодействия веществ с водой, при котором молекулы воды присоединяются к веществу, не разрушаясь.

Образующиеся соединения определенного состава в этом случае называются кристаллогидратами. Гидратация вызвана в основном донорно — акцепторным, диполь — дипольным, ион — дипольным взаимодействием между частицами, а также образованием водородных связей.

Различают гидратацию твердых веществ с образованием гидратов, гидратацию оксидов, гидратацию электролитов в растворах, гидратацию молекул в растворах, а также гидратацию органических и высокомолекулярных соединений. В процессе гидратации происходит выделение тепла — теплота гидратации. Она вызвана смачиванием и реакцией.

В составе кристаллогидратов молекулы воды входят в виде индивидуальных частиц и поэтому в химических формулах воду обычно пишут отдельно, например, , и т.д.

Известные кристаллогидраты подразделяются на кристаллогидраты определенного состава и неопределенного. Во-первых на одну молекулу вещества приходится определенное количество молекул воды, например, . Для вторых характерно неопределенное число молекул воды, приходящихся на одну молекулу вещества, изменяющихся в зависимости от температуры, давления водяных паров в пространстве, концентрации растворенного вещества и т.д. Вода, находящаяся в составе кристаллогидратов, называется кристаллизационной. Она располагается в определенном порядке. Вода, заполняющая пустоты и пространства кристалла и удерживаемая им электрическими силами называется цеолитной. Ее удаление сопровождается разрушением кристалла. Вода, пошедшая на образование гидрооксидов называется конституционной. При их образовании происходит разложение молекул воды.

Схватывание и твердение бетона

Цемент — это вещество, которое при смешивании с водой начинает твердеть и превращаться в материал, похожий на камень. Стандартный бетонный раствор содержит цемент в качестве вяжущего элемента. В роли остальных наполнителей чаще всего выступают щебень, песок и вода. Таким образом, можно сделать вывод о том, что суть процесса бетонирования состоит в понимании причин и технологии отвердевании вяжущего вещества бетонной смеси. Осознание сути всех физических стадий бетона позволяет учёным придумывать всё новые и новые добавки, которые воздействуют на процесс затвердевания этого замечательного материала. На сегодняшний день существует огромное количество разнообразных добавок, однако это совершенно другая история. Если необходимо приготовить нужное количество бетонной смеси определённой марки, подобрать компоненты поможет расчёт бетона.

Итак, суть бетонирования состоит в наборе прочности бетоном. Сам же процесс набора прочности делиться на две главные стадии, это — схватывание бетона и твердение бетона.

Первой стадией процесса является, так называемое, схватывание бетона. Схватывание происходит в начальные сутки существования бетона. Самое интересное, что время, за которое бетон будет подвержен данному процессу, напрямую зависит от температуры окружающей среды. Причём, чем выше температура воздуха — тем быстрее произойдёт схватывание бетонной смеси. Если температура держится в пределах 20 градусов, то схватывание начнётся уже спустя 2 часа после создания смеси, и продлится 1 час. В случае же, если температура держится в пределах 0 градусов, то схватывание может длиться до 20 часов и начнётся спустя 6-10 часов после замешивания смеси. В определённых условиях можно добиться схватывания за очень короткое время (пару десятков минут), однако для этого понадобятся специальные высокотермальные камеры.

На протяжении процесса схватывания бетон остаётся в подвижном состоянии, что делает возможным оказание физического воздействия на него. В этот момент в полной мере проявляется тиксотропность данного материала. Смысл тиксотропии заключается в способности материала уменьшать свою вязкость под влиянием физического воздействия, и увеличивать её в состоянии бездействия. Иными словами, пока мешается бетон, он не перейдёт в стадию твердения, что позволить продлить стадию схватывания на необходимый срок. Именно поэтому доставку бетона обычно осуществляют в специальных вертящихся резервуарах, которые не дают бетону выйти из данной стадии до момента бетонирования.

Сразу же после процесса схватывания, наступает процесс твердения бетона. Данный процесс, в равной мере с процессом набора прочности любой железобетонной конструкции, не смотря на установленный срок в 28 дней, длится не один или два месяца, а годы. График процесса набора бетоном прочности является абсолютно нелинейным, и наибольшей динамичностью отличается лишь на начальных стадиях (первые две недели).

rasschitai.ru