Твердение бетона и уход за ним

Приготовленный и уложенный в форму (опалубку) бетон набирает прочность постепенно, по мере твердения цементного камня. В начальный период (первые несколько суток) нарастание прочности происходит интенсивно, а далее постепенно замедляется. При этом скорость нарастания прочности зависит от температуры и влажности среды. Нормальными условиями для твердения цементного бетона считаются: температура 202 ⁰С и относительная влажность воздуха до 100%. В таких условиях под влиянием химических реакций минералы, из которых состоят цементные частицы, постепенно превращаются в новые стабильные образования – гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция. Этот процесс самотормозящийся и может длиться годами. Поэтому устанавливают и определяют сроки твердения бетона, после которого его можно подвергать расчетной нагрузке, например, марочная прочность обычного бетона достигается за 28 суток нормального твердения.

В некоторых случаях можно допустить более долгий срок твердения бетона – при возведении морских сооружений, дамб, плотин, набережных, мостов и других гидротехнических сооружений. Они строятся медленно, а поэтому полная нагрузка может быть приложена и бетону через довольно долгое время. Поэтому марку гидротехнического бетона определяют в возрасте не 28, а 180 суток. При строительстве гидротехнических сооружений можно также учитывать 90-суточную прочность бетона, которая примерно на 20% выше 28-суточной.

Бетон продолжает твердеть и набирать прочность (хотя и медленно) и после установленного контрольного срока. Этот процесс медленного твердения бетона в расчетах не учитывается. Прирост прочности во времени за пределами установленных контрольных сроков идет как бы в запас надежности конструкций.

С повышением температуры скорость химических реакций взаимодействия цемента с водой увеличивается и твердение бетона ускоряется, но при обязательном условии обеспечения влажности среды. При испарении влаги из бетона его твердение практически прекращается. При этом в обезвоженном бетоне образуются трещины и снижается прочность. Поэтому при бетонировании в жаркое время необходимы специальные меры защиты свежеуложенного бетона.

Сумма мероприятий, обеспечивающих благоприятные условия твердения уплотненной бетонной смеси, а также способы, предохраняющие бетон от повреждения в раннем возрасте факторами окружающей среды, составляет систему ухода за твердеющим бетоном. Уход должен быть организован сразу после укладки и уплотнения бетонной смеси и прежде всего нужно защитить поверхность от высыхания.

Пока температура не превышает 20-25^оС, бетону необходима лишь влага. Поэтому впервые две недели бетон поливают водой и закрывают от ветра рогожей или матами. Если же температура воздуха повышается выше 35^оС, то уже необходимы дополнительные меры защиты.

Одним из эффективных методов ухода за свежеуложенным бетоном в гидромелиоративном и дорожном строительстве является покрытие его поверхности пленкообразующими веществами (битумные эмульсии, латексы и др.). Наряду с этим, горизонтальные поверхности после схватывания бетона покрывают песком или опилками и периодически увлажняют.

Высокая температура (порядка 80-100^оС) при обеспечении влажности среды значительно ускоряет химические реакции в бетоне.

Так, например, если бетон пропарить, т.е. прогреть его во влажной паровой среде при такой температуре в течение 12-16часов, то можно получить бетон с прочностью порядка 70% от марочной (28-суточной) прочности. Именно так и поступают при заводском изготовлении плит, балок, колонн и других сборных железобетонных конструкций.

Если еще больше повысить температуру, то при 170-180^оС за те же

2-16 часов прочность бетона превысит годичный уровень его прочности при твердении в нормальных условиях. Однако при таком сильном прогреве бетон очень быстро высыхает и перестает твердеть, если не обеспечить влажность среды. Это возможно при обработке бетона паром высокого давления (порядка 0,8-1,2 МПа или 8-12 атм.) в специальных аппаратах – автоклавах. Такой технологический процесс называется автоклавной обработкой. В условиях автоклавной технологии цемент можно заменить известью, а крупный заполнитель песком без существенного ущерба для прочности и качества изделий. По такой технологии получают силикатный кирпич и силикатные бетоны.

С понижением температуры скорость химических реакций твердения замедляется. Бетон очень чувствителен к холоду на стадии его раннего твердения. Так, например, при снижении температуры с 20^оС до 5^оС схватывание бетона замедляется в 2-5 раз, а скорость нарастания прочности снижается на порядок. Еще резче это замедление проявляется при дальнейшем снижении температуры до 0^оС. Однако, если восстановить после охлаждения нормальную температуру, то твердение вновь принимает обычные темпы.

При температуре ниже 0^оС твердение прекращается полностью, так как вода в бетоне замерзает, и реакции твердения прекращаются из-за отсутствия свободной воды. Замерзая в бетоне, вода увеличивается в объеме примерно на 9%. В результате этого в порах бетона развивается большое давление, которое разрушает структуру еще не затвердевшего в достаточной мере бетона. Кроме того, вода при замерзании на поверхности зерен крупного заполнителя образует тонкую ледяную пленку, препятствующую сцеплению заполнителя с цементным камнем.

При оттаивании бетона замерзшая свободная вода снова превращается в жидкость и твердение бетона возобновляется. В нем происходят те же процессы, что и до замораживания, но уже при изменившейся поврежденной структуре. Конечная прочность бетона будет тем ниже, чем раньше бетон подвергся замораживанию. Поэтому бетон, укладываемый зимой, предохраняют от замерзания в течение срока, необходимого для приобретения им порядка 30-50% проектной прочности.

Обеспечение нормальных условий твердения бетона зимой до набора требуемой прочности достигается двумя способами: использованием внутреннего тепла бетона и дополнительным обогревом бетона подачей тепла извне.

Внутренний запас тепла в бетонной смеси создают путем подогрева воды, песка и щебня или гравия. Их нагревают до такой степени, чтобы температура бетонной смеси на выходе из бетономешалки не превышала 30⁰С, так как при более высокой температуре смесь быстро густеет и теряет удобоукладываемость. Воду затворения можно подогревать до 80^оС, заполнители – до 40^оС, цемент подогревать не разрешается. Подогретую бетонную смесь защищают от охлаждения во время транспортировки к месту укладки, используя обогреваемые или утепленные средства транспортировки. На месте зимнего бетонирования конструкций бетонную смесь укладывают в утепленную опалубку и укрывают отформованные изделия сверху теплоизоляционным материалом (опилками, шлаком, камышитом и др.). Толщина покрытия определяется теплотехническим расчетом. Этот способ зимнего бетонирования называется «термос». Он особенно эффективен при бетонировании массивных конструкций при отношении площади охлаждающейся поверхности к объему (модуль поверхности) не более 6.

При зимнем бетонировании тонких конструкций свежеуплотненную бетонную смесь подогревают снаружи паром или электрическим током.

Пар обычно подают между стенками двойной опалубки; иногда пар пропускают по трубам, уложенным внутри бетона. Такой способ позволяет через 1-2 суток получить 60-70% марочной прочности.

Электропрогрев бетона производят переменным током с применением поверхностных и внутренних электродов. При изготовлении железобетонных конструкций одним из электродов служит арматура. За счет прохождения тока в бетоне выделяется тепло, в результате чего он разогревается (не свыше 60^оС из-за возможной местной пересушки бетона) и быстро твердеет.

Иногда можно осуществлять зимнее бетонирование и без подвода внешнего тепла, а только за счет собственного тепловыделения при взаимодействии цемента с водой. Если бетонной смеси много, а поверхность конструкции невелика, при использовании высокоактивных цементов (алитового портландцемента, глиноземистого цемента и др.), бетон саморазагревается настолько, что может твердеть на морозе без обогрева.

При бетонировании в зимних условиях конструкций с большой поверхностью охлаждения (покрытия дорог, облицовки каналов и т.д.) в бетонную смесь вводят специальные противоморозные добавки, понижающие температуру замерзания воды и ускоряющие твердение бетона при отрицательных температурах. Такими добавками могут служить хлористый кальций, нитрит натрия, аммиачная вода и др. Бетон с такими добавками, не требующий подвода тепла для твердения на морозе, называется холодным бетоном. Так же как и бетон, изготавливаемый с подогревом, холодные бетоны распалубливают только после окончания заданного срока твердения, обеспечивающего набор требуемого уровня прочности, определяемого проектом сооружения.

На практике часто используют одновременно несколько способов ускорения твердения бетона и ухода за ним, что позволяет получить значительный технико-экономический эффект.

Загрузка конструкций может производиться только после того, когда бетон достигнет прочности, установленной проектом. Это определяется по результатам испытаний контрольных образцов бетона.

Одно из важнейших условий получения прочного и долговечного бетона – правильно организованный контроль качества бетонных работ на всех стадиях технологического процесса изготовления бетонных конструкций. Производственный контроль включает испытания и выбор материалов для бетона, оценку технологических параметров их дозирования и перемешивания, укладки и уплотнения бетонной смеси, ухода за твердеющим бетоном, а также определение прочности затвердевшего бетона испытанием контрольных образцов и всех предусмотренных проектом или стандартом нормируемых показателей качества бетона.