Твердение бетона и уход за ним

Время, необходимое для достижения бетоном после укладки и уплотнения определенной прочности и других качественных характеристик (плотности, устойчивости), зависит от ряда факторов, таких, как состав бетона и температура. Твердение может быть ускорено или замедлено с помощью добавок. Технология бетона позволяет регулировать время твердения в зависимости от применяемого метода.
Бетон в опалубке и определенное время после распалубки должен быть защищен от вредных влияний мороза, дождя или других воздействий Кроме того, нужно следить за тем, чтобы из него не испарялась вода, необходимая для твердения.

Строительные и технологические требования, процесс твердения

Бетон, обладая многими достоинствами, имеет также большой недостаток — он твердеет не так быстро, как это необходимо для некоторых технологических процессов и интенсивного строительства Если при строительстве из монолитного бетона, лак правило, вынуждены мириться с продолжительными сроками нахождения бетона в опалубке, то для бетонных заводов это неприемлемо, так как требует огромного количества форм и больших производственных площадей.
В некоторых промышленно развитых странах цементная промышленность выпускает так называемый быстротвердеющий цемент, который в начальной фазе твердеет значительно быстрее обычного портландцемента и поэтому требует незамедлительной переработки бетонной смеси. Из-за этого недостатка применение такого цемента ограничивается особыми случаями.

В связи с этим при изготовлении сборного бетона и еще в большей мере монолитного, когда применяется дорогая опалубка, необходимо искусственно ускорять твердение бетона на портландцементе К самому эффективному и поэтому наиболее распространенному методу ускорения твердения относится тепловая обработка бетона.
При зимнем строительстве нормальное или даже ускоренное твердение обеспечивается путем применения добавок, а также нагрева бетона или окружающей его среды (камеры).

Параметры монолитного бетона

До распалубки прочность бетона должна быть такой, чтобы после удаления опалубки и кружал бетон мог выдержать возникающие напряжения. Уже при достижении бетоном незначительной прочности можно отказаться от боковой опалубки, так как его деформация от собственной массы становится невозможной В противоположность этому поддоны или кружала можно удалить лишь после достижения бетоном прочности, обеспечивающей несущую способность изделия (нагрузку от собственной массы).
Поэтому основной параметр при изготовлении монолитного бетона — его распалубочная прочность, рекомендуемые значения которой приведены в табл. Если невозможно в связи с большими затратами в каждом отдельном случае определить распалубочную прочность бетона путем испытаний, то инженеру-строителю надлежит ориентироваться на установленные минимальные сроки твердения, гарантирующие эту прочность. Для необычных технологических схем или конструкций рекомендуется устанавливать эту величину особо.

Другим параметром служит требуемая для данной марки бетона прочность в возрасте 28 дней (Ria), свидетельствующая о способности выдерживать полную нагрузку, а для напряженного бетона—прочность при передаче на него напряжения Ru и прочность при предварительном напряжении Rv. При зимнем строительстве свежий бетон должен набрать до раннего замораживания минимальную прочность (прочность к моменту замораживания Rc) во избежание повреждений. Если к бетону предъявляются высокие требования в отношении морозостойкости или устойчивости в агрессивной среде, то независимо от его марки устанавливают верхнюю границу В/Ц, чтобы избежать проникания в бетон воды или агрессивного раствора.
При особых условиях может потребоваться ускорение или замедление схватывания и твердения монолитного бетона. В случае массивных конструкций необходимо ограничивать выделение бетоном собственного тепла, чтобы избежать образования трещин.

Параметры сборного бетона

При промышленном изготовлении бетона основной параметр — определенная минимальная прочность, обеспечиваемая принятым технологическим процессом. Непосредственно после тепловой обработки бетон должен иметь прочность, гарантирующую возможность распалубки изделий, их подъема и транспортирования в пределах предприятия на склад. Эта распалубочная прочность должна быть, с одной стороны, как можно ниже для обеспечения небольшой продолжительности тепловой обработки и, с другой — достаточно высокой, чтобы гарантировать безопасность работ, а также долговечность изделия и устойчивость его формы.
В случае подъема изделий на монтажных петлях прочность, например, при марке бетона, равной или ниже В160, должна быть не менее 65% заданной (например, 10,4 МПа для В160), а при марках от В225 до В600 не менее 15 МПа. В последнем случае при возможности дополнительной установки поперечных арматурных стержней, привариваемых к монтажным петлям, минимальная прочность бетона снижается до 9 МПа. Дополнительный расход металла окупается, если экономия в результате сокращения времени тепловой обработки превышает дополнительную стоимость металла. При других способах подъема и средств крепления распалубочная прочность согласовывается проектантом с изготовителем.

В случае производства изделии из предварительно напряженного бетона сразу же после тепловой обработки должна достигаться прочность, обеспечивающая передачу напряжений от арматуры на бетон (Ru),— передаточная прочность. Она, как правило, составляет 80% прочности бетона в возрасте 28 дней. На бетонных заводах при хранении под открытым небом изделия должны дополнительно твердеть до достижения требуемой отпускной прочности (около 70% от прочности в возрасте 28 дней). Эта прочность определяется транспортными и монтажными нагрузками. Если изделия монтируются без промежуточного хранения на складах, то их отпускная прочность должна соответствовать монтажной прочности, требуемой для данного строительства. Наряду с этими показателями прочности, вытекающими из технологического процесса, на бетонном заводе путем статистической обработки результатов испытаний по ASMW VW968 устанавливают, достиг ли бетон требуемой для данной марки контрольной прочности хк. Экономическая целесообразность применения статистического метода заключается в том, что яри незначительном разбросе значений прочности (наименьшее стандартное отклонение) можно сократить расход цемента.
При изготовлении определенных бетонных изделий, например дорожных, трамвайных и тротуарных плит, основным параметром служит морозо- и солестойкость. В этом случае к тепловой обработке предъявляются особые требования.

Факторы, влияющие на нарастание прочности

На нарастание прочности бетона в значительной степени влияют вид и марка цемента, состав бетонной смеси и температура. Кроме того, твердение бетона на начальной стадии можно замедлить или ускорить добавками. Технолога должны интересовать не только значения прочности, достигаемые к определенному моменту, но и факторы, влияющие на ход твердения бетона во времени.

Состав бетона, цемент

При твердении бетона образуется цементный гель. Этот процесс протекает тем быстрее, чем меньше воды, т. е. чем большую долю объема занимает цемент в цементном тесте и чем быстрее реагирует цемент. Из этой основной зависимости вытекают следующие закономерности:
при небольших значениях ВЩ цемент, а значит и бетон твердеют быстрее;
при прочих равных условиях (одинаковые значения В/Ц и тот же цемент) жесткая смесь с небольшим содержанием воды твердеет быстрее, чем смесь с высокие содержанием веды затворения;
при использовании цемента высокой марки, как правило, с высокой тонкостью помола и высоким содержанием реакционно-способных компонентов прочность бетона возрастает быстрее.

Рис. 1. Нарастание прочности бетона при нормальном твердении с различными значениями В/Ц и PZ 375. Исходная величина: R28 при В/Ц = 0,4 принята за 100%	Рис. 2. Нарастание прочности бетона различных марок

Первая закономерность представлена. Она лежит также в основе, так как для более высоких марок бетона требуется меньшее значение ВЩ.
Представленные зависимости могут, разумеется, служить только в качестве ориентировочных. В каждом конкретном случае возможны большие или меньшие отклонения от них в зависимости от других факторов (марки цемента, консистенции и т. д.).
На скорость твердения косвенно влияет также гранулометрический состав заполнителя (его водопотребность). Так, бетонная смесь с мелко-зернистым заполнителем при равной консистенции и значении В/Ц (т. е. при равных марках бетона) твердеет медленнее, чем смесь с крупнозернистым заполнителем, из-за более высокого содержания воды.
Влияние цемента на набор бетоном прочности можно количественно установить независимо от марки бетона. Бетон на портландцементе быстро набирает начальную прочность. Однако его способность к затвердеванию к моменту контрольных испытаний (28 дней) уже исчерпывается на 4/Б. Наоборот, нарастание прочности медленно твердеющего бетона на шлакопортландцеменге значительно и после 28 дней. Эти резервы твердения имеют особое значение, когда бетон до 28 дней не набрал требуемой прочности. Такие бетонные смеси могут быть использованы (при небольшом расходе цемента) в том случае, когда вследствие особых условий время контрольных испытаний сдвинуто на более поздний срок (например, в гидротехнике).

Таким образом, способность цемента к твердению проявляется быстрее в смеси с небольшим значением В/Ц (высокая марка бетона) и малым содержанием воды Бетон на портландцементе твердеет быстрее, чем на шлакопортландцементе.

Температура, время, степень зрелости

Гидратация цемента представляет собой химический процесс. Поэтому твердение бетона ускоряется при повышении температуры и замедляется при ее снижении. Ниже минус 10 — минус 20° С твердение не происходит. Сильное ускорение твердения бетона при высоких температурах используется при тепловой обработке бетона. При изготовлении монолитного бетона для установления кинетики твердения нужно знать зависимость нарастания прочности от сезонных колебаний температуры.

Рис. 3. Относительные значения нарастания прочности при сжатии бетона на портландцементе и шлакопортландцементе. В зависимости от вида цемента возможны отклонения до 15% 1 — бетон с PZ 375 до PZ 425; 2 — шлако- портландцемент ZZ 275	Рис. 4. Пример нарастания прочности бетона марки В300 на портландцементе в зависимости от температуры

При температурах ниже 0° С твердение возможно, если вода находится еще в жидком состоянии. Это достигается с помощью добавок, понижающих температуру замерзания. При низких температурах гидратация замедляется. Однако цемент еще гидратируется при температуре — —10° С*, но лишь в том случае, если бетон частично затвердевает до наступления сильных холодов и в результате содержит достаточное количество цементного камня. В его мельчайших порах вода не замерзает даже при —20° С, благодаря чему возможен процесс гидратации. Образующийся в небольшом количестве при низких температурах гель заполняет поры частично затвердевшего бетона, заметно повышая его прочность. Поэтому, бетон, затвердезший после предварительной тепловой обработки, способен к дополнительному твердению и при низких температурах.
В случае применения портландцемента низкие положительные температуры не оказывают отрицательного влияния на бетон, который, как правило, приобретает высокую прочность в поздние сроки, если он твердеет в состоянии «покоя». Аналогично влияют на процессы твердения бетона и добавки замедлители. Наоборот, при высоких температурах твердения, в результате укрупнения структуры цементного камня, конечная прочность бетона может быть ниже, чем при нормальном твердении.

Рис. 5. Нарастание прочности бетона марки 300 на портландцементе в зависимости от температуры бетона

Закономерности процесса твердения всегда относятся к нормальному твердению (выдерживание при 20° С). Так как на практике обычно температуры другие, то возникает необходимость пересчета прочностей. Большое значение в связи с этим имеет предложенное Заулем понятие «зрелость», представляющее собой произведение температуры на время твердения бетона и вывод о том, что бетоны одного и того же состава при равной степени зрелости (выраженной в °С-ч) имеют равную прочность. В основе вычисления зрелости, по Заулю, лежит предположение, что при температуре ниже —10° С бетон практически не твердеет:

М=(Т+ 10) t,
где М — степень зрелости, °С ч;
Т — температура бетона, °С;
t — время твердения, ч.

При графическом изображении степень зрелости выражается поверхностью между температурной кривой и абсциссой, соответствующей температуре —10° С. При неравномерном изменении температуры ее можно вычислить на миллиметровой бумаге.
Если известна прочность, достигаемая при определенных времени твердения и температуре (t1, T1), то, пользуясь правилом Зауля, можно вычислить время твердения tx, необходимое для достижения той же прочности бетона при других температурах твердения Тх.
Правило Зауля применимо с достаточной точностью при температурах до 40° С. Поэтому при изготовлении монолитного бетона как летом, так и зимой его можно прежде всего применять для определения сроков распалубки. В случае ускоренного твердения при высоких температурах предлагаются другие формулы. По нескольким значениям степени зрелости и соответствующим им прочностям строится кривая регрессии, позволяющая определять для данной степени зрелости соответствующее значение прочности.
Из сказанного можно сделать следующие выводы:

- при высоких температурах процесс твердения бетона значительно ускоряется, но это может привести к снижению конечной прочности изделий;
- при низких температурах процесс твердения бетона замедляется, однако это может привести к росту конечной прочности изделий;
- при температуре ниже —10° С бетон не твердеет по зависимости между прочностью и степенью зрелости бетона удается оценивать нарастание его прочности при различных температурах.

Влажностные условия

С незащищенной поверхности бетона может испариться значительное количество воды. Оно колеблется в зависимости от температуры и влажности воздуха, температуры бетона, солнечного излучения и скорости ветра от 100 до 1000 г с 1 м² в 1 ч.
Уже в первые дни после бетонирования на гидратацию цемента расходуется большое количество воды. Преждевременное обезвоживание нарушает или прерывает твердение и поэтому особенно опасно для молодого бетона. Испарение воды не только влияет на набор прочности, но и ведет к высокой водопро-ницаемости бетона, которая, в свою очередь, понижает его устойчивость к действию агрессивных сред, морозостойкость и способность защищать от коррозии арматуру. Кроме того, твердение нарушается, прежде всего, в поверхностной зоне, непосредственно подвергающейся выветриванию, а в некоторых сооружениях также механическому или динамическому воздействию. На недостаточную влажность указывает отделение песка от поверхности бетона. Кроме того, в результате быстрого испарения воды на поверхности могут возникнуть усадочные трещины, снижающие прочность и долговечность бетона. По сравнению с выдерживанием в воде такие бетоны уже после 90 дней отличаются от бетонов нормально-влажного хранения значительным недобором прочности, тем большим, чем раньше бетон начали хранить в воздушно-сухой среде. Поэтому бетон необходимо хранить во влажном состоянии при нормальных температурных условиях не менее 7 дней после бетонирования, а при высоких температурах твердения—АО достижения прочности, составляющей 50—70% прочности в возрасте 28 дней.
Итак, только при достаточно длительном выдерживании бетона во влажном состоянии можно полностью использовать его способность к твердению и приобретению коррозионной стойкости; недостаточный уход должен компенсироваться более высоким расходом цемента.

Добавки к бетону

Схватывание и твердение бетона можно замедлить или ускорить с помощью добавок. При нормальном твердении большое значение для технологии имеют добавки-замедлители. Чаще всего с этой целью применяют фосфорную кислоту или фосфаты, действующие уже в небольшой дозе (например, 0, 03—0,06% фосфата натрия от массы цемента).
Так как более высокие дозы можно измерить точнее, то такие высокоактивные добавки растворяют в воде или гомогенизируют с цементом или инертными материалами так, чтобы их содержание составляло около 1 % от массы цемента. В товарном продукте Родозал VZ замедлитель уже гомогенизирован с цементом.

Замедлители дают следующие преимущества:
- время переработки бетонной смеси (обычно 1—2 ч) удлиняется в несколько раз, в исключительных случаях до 24 ч и более;
- при многочасовом перерыве можно продолжать бетонирование без выполнения дополнительных рабочих швов;
- воздействие на кружала и опалубку прекращается до начала твердения и поэтому не вызывает опасных напряжений;
- можно противодействовать нежелательному ускорению твердения при высоких температурах бетона. В случае массивного бетона предотвращается опасный перегрев теплом, выделяющимся при гидратации цемента;
- возможно выравнивание бетонной поверхности по истечении длительного времени.
При нормальном твердении ускорители применяются только для особых целей (например, при торкретировании). Необходимое в производстве сборного бетона ускорение твердения не может быть достигнуто только применением ускорителей твердения. Чаще они применяются в качестве морозозащитного средства.

Эффективный ускоритель схватывания и твердения — хлористый кальций (СаС12); при введении его в количестве 0,5—2% от массы цемента через сутки вызывает ускорение твердения на 100%. Часто через 6 дней достигается требуемая прочность. Однако в связи с опасностью коррозии арматуры применение хлоридов в железобетоне и предварительно напряженном бетоне запрещается. Оно возможно лишь в неармированном бетоне. Нежелательное побочное явление — выцветы на бетоне. Несмотря на многочисленные исследования неагрессивных в отношении арматуры ускорителей твердения, они имеются в продаже лишь в некоторых странах.

Из сказанного следует, что ускорители твердения применяются преимущественно при зимнем строительстве. Хлорид кальция в качестве ускорителя не пригоден для железобетона и предварительно напряженного бетона.