Процесс твердения бетона Сооружение бетонных конструкций, полностью отвечающих расчётным характеристикам — настоящее искусство, которое невозможно постичь без понимания сложной и непрерывной последовательности преобразований, происходящих в структуре материала. Прообразы строительных вяжущих, отдаленно напоминающих современный цемент, появились ещё во 3–2 тысячелетии до н.э. Однако состав и соотношение компонентов таких смесей подбирались исключительно экспериментальным путём вплоть до конца XVIII века, когда был запатентован так называемый «романцемент». Это стало первой вехой в научном подходе к развитию строительного бетона.

Химическая природа твердения современного цемента весьма сложна, она включает длинную цепочку перетекающих друг в друга процессов, в ходе которых формируются сначала простейшие химические, а затем всё более прочные физические связи, приводящие к образованию монолитного камнеподобного материала. Подробно рассматривать эти процессы для человека, неискушённого в химии как науке, нет никакого смысла, гораздо полезнее оценка внешних признаков таких явлений и их практического смысла.

В современном строительстве используется преимущественно портландская цементная смесь, состоящая из обожжённой глины, гипса и известняка, а с точки зрения химии — из оксидов кальция, кремния, алюминия и железа. Первичное сырье проходит термическую обработку и тонкое измельчение, после чего компоненты смешиваются в точно определённой пропорции. Главная цель обработки в процессе производства — разрушить природные химические и физические связи веществ, которые впоследствии восстанавливаются в присутствии воды. Цемент, в отличие от необработанной глины и извести, твердеет вследствие не высыхания, а гидратации, поэтому его намокание после окончательного отверждения не приводит к размягчению и повышению вязкости.

В отличие от атмосферных вяжущих, быстро отвердевающих на воздухе, цемент твердеет практически весь срок эксплуатации бетонных конструкций. Связано это с тем, что в толще застывшего изделия остаются вещества, не успевшие вступить в реакцию с водой. В действительности при производстве бетонной смеси воду в нее добавляют в количестве, заведомо недостаточном для реагирования всех частиц минерального вяжущего. Связано это с тем, что повышенное содержание воды в бетоне приводит к его расслоению, значительной усадке при твердении и появлении внутренних напряжений. Тем не менее, остатки минеральных веществ продолжают реагировать, ведь в толще своей бетон имеет ненулевую влажность. Из-за этого его твердение происходит не мгновенно, а в течение продолжительного времени. Из всего срока твердения можно выделить наиболее интенсивный период, который для бетона на портландцементе составляет 28–30 дней. Если в течение этого времени бетонное изделие находится в соответствующих условиях, оно принимает 100% расчётной прочности. При этом всего за 6–8 дней твердения прочность бетона достигает 60–70% от марочной, а треть расчётной прочности изделие приобретает уже на 2–3 сутки.

Сезонная специфика Твердение смесей на цементном вяжущем сопровождается двумя процессами — незначительным увеличением объёма и выделением тепла. Из-за этого протекание реакций отверждения может существенно отличаться в зависимости от внешних условий.

Сначала нужно разобраться с увеличением объёма. Этот процесс имеет определённую практическую пользу: способствует более лёгкому отделению опалубки и предварительно растягивает арматуру, увеличивая качество сцепления и позволяя стали воспринимать растягивающую нагрузку практически сразу после её возникновения, минуя стадию упругой деформации. Негативные последствия от расширения возникают в ситуациях, когда бетон стеснён формой, например при заливке бетонных стяжек, шпонок в сборно-монолитных конструкциях и производстве изделий в жёсткой несъёмной опалубке. В подобных случаях обязательно требуется устройство сжимаемой оболочки, компенсирующей линейное расширение.

Выделение тепла может иметь как положительный, так и отрицательный эффект. Для начала нужно понимать, что нагрев твердеющей бетонной массы наиболее ярко выражен в первые 50 часов после приготовления смеси. Интенсивность нагрева возрастает соразмерно габаритам изделия, ведь из толщи бетона сложнее отводить тепло. Также нужно учесть, что бетон с высоким содержанием цемента будет нагреваться сильнее низкомарочного. При низких температурах воздуха способность бетона нагреваться в процессе твердения позволяет относительно легко поддерживать нормальный температурный режим. При том, что в обычных условиях минимальная температурная отметка для проведения бетонных работ составляет +5 °С, заливать изделия в несъёмную опалубку из пенополистирола можно даже при морозе до -3 °С: собственное выделение тепла позволит поддерживать необходимую температуру. Даже обычные бетонные конструкции можно защищать утепляющими материалами для поддержания нужного температурного режима или обустраивать тепляки, в которых просто сохраняется плюсовая температура. Важно отметить, что после набора бетоном 50–60% прочности мороз не оказывает разрушительного воздействия по той причине, что большинство воды уже успело вступить в реакцию. Однако скорость твердения при этом падает практически до нуля, что нужно учитывать при определении сроков выдержки.

В жаркую погоду естественный нагрев бетонной смеси оказывает негативное влияние. Вода с поверхности испаряется слишком быстро, к тому же нагрев провоцирует линейное расширение, сопровождающееся раскрытием трещин, что в процессе твердения бетона недопустимо. Поэтому массивные изделия, находящиеся под открытым солнцем, нужно постоянно увлажнять и охлаждать проточной водой хотя бы в первые 7–10 суток после заливки. Остаток срока выдержки бетон может оставаться под укрытием из полиэтиленовой плёнки. Ускорение схватывания и набора прочности В зависимости от марки, бетону достаточно 20–30 часов чтобы окончательно принять форму, после чего его можно обильно поливать водой, чтобы сделать процесс набора прочности более интенсивным. Высокая температура также способствует ускоренному твердению, но только при условии, что нагрев будет однородным по всей толщине отливаемого изделия. Так, на заводах ЖБИ твердение ускоряют, обдавая изделие паром при температуре 70–80 °С, но нужно помнить, что нагрев свыше 90 °С для твердеющего бетона губителен.

Обеспечить максимальную скорость набора прочности можно правильным водоцементным отношением приготовленной смеси, установленным ГОСТ 30515 2013. Также ускорить процесс можно внесением различных добавок: хлорида кальция, сульфата и хлорида натрия, углекислого натрия (соды). Но нужно помнить, что применение ускорителей схватывания ограничено их предельным содержанием, а также типом бетонной конструкции, маркой бетона и арматуры, типом используемого цемента. Больше ясности в этот вопрос может внести ГОСТ 30459–96. В заключение следует отметить, что в гражданском строительстве необходимость ускорить твердение бетона возникает крайне редко. Бетон приобретает большую часть марочной прочности достаточно быстро, поэтому в случае заливки перекрытий или армированных поясов продолжать строительные операции можно уже спустя 7–10 дней после выполнения монолитных работ. Если же речь идёт о фундаменте, то ускорять твердение не имеет практически никакого смысла: основание здания должно пройти усадку в течение года чтобы опорный слой грунта успел стабилизироваться и возможный перекос мог быть устранён корректирующим слоем или в процессе возведения коробки. #✔наЗаметку