Набор прочности бетона

Бетон, как самый распространенный стройматериал в современном мире, требует к своему производству особенного отношения. И главным этапом его изготовления является набор прочности бетона. Это сложный физико-химический процесс, в ходе которого бетонная смесь превращается в твердый и прочный материал. Он начинается сразу после перемешивания компонентов раствора и может продолжаться в течение длительного времени, хотя наиболее интенсивно он протекает в первые дни и недели после заливки.

Факторы, влияющие на набор прочности бетона

На набор прочности бетона влияет множество факторов:

• марка, тип и качество цемента;
• водоцементное соотношение;
• влажность и температура окружающего воздуха;
• состав бетонного раствора;
• наличие добавок;
• методы ухода за бетоном.

Сам процесс – это твердение раствора в течение времени.

Процесс твердения

Состоит из двух основных этапов: схватывания и собственно затвердевания.

Схватывание

Это кратковременная стадия, происходящая в первые сутки после заливки бетонной смеси. В этот период материал переходит из пластичного состояния в твердое, теряя подвижность и приобретая начальную прочность.

Процесс проходит в четыре этапа.

1. Сразу после смешивания компонентов бетонная смесь находится в пластичном состоянии и легко поддается формованию.
2. Через 1-6 часов после заливки смеси, начинается гидратация цемента, и раствор постепенно теряет пластичность. Хотя в этом время смесь еще остается относительно податливой.
3. Выделяется избыточная вода, которая перестает участвовать в образовании и формировании кристаллических структур.
4. Окончательный этап, когда раствор становится твердым и начинает набирать прочность.

На схватывание бетона влияют разные факторы. Например, при температуре +20°C схватывание занимает около 1 часа. При 0°C может растянуться до 15–20 часов.

Более высокие марки схватываются быстрее. Например, М200 – за 2-3 часа, М300 – за 2 часа, а М400 – за 1,5 часа. Более тонкий помол цемента ускоряет процесс за счет увеличения активной поверхности цементных зерен.

Избыток воды замедляет схватывание, так как зерна цемента и коллоидные частицы оказываются разделенными большими прослойками жидкости. Специальные добавки могут ускорить или замедлить процесс.

Время схватывания можно продлить путем постоянного перемешивания бетонной смеси. Это свойство используется при транспортировке раствора на большие расстояния. При производстве железобетонных изделий в пропарочных камерах процесс может происходить за 10-20 минут из-за высокой температуры. Важно не допускать замерзания, так как это приводит к потере прочности. Оптимальная влажность для схватывания составляет минимум 90%.

Твердение бетона

После схватывания начинается процесс затвердевания, во время которого бетон постепенно набирает прочность. Процесс может продолжаться несколько недель или даже месяцев, хотя основная часть характеристики достигается за 28 дней.

В первые 7 дней бетон набирает около 60-70% своей проектной прочности. К 28 дню достигается 95%. Твердение продолжается и после 28 дней, но гораздо медленнее: примерно 1-2 МПа в год.

Оптимальный температурный режим для твердения составляет +20±2°C. При температуре ниже +18°C процесс замедляется. Ниже +5°C гидратация цемента практически останавливается. Температура 0°C и ниже может привести к «замораживанию» бетона, что негативно скажется на его конечной прочности.

Оптимальная влажность – 90%-100%. Недостаточная влажность может привести к преждевременному высыханию бетонного раствора и снижению его прочности. Тип и качество используемого цемента, водоцементное соотношение, наличие добавок – все эти факторы также влияют на процесс затвердевания.

Существует несколько способов ускорить процесс твердения:

• используются химические добавки-ускорители;
• применяется паровое отверждение или тепловая обработка;
• используется ультразвуковая обработка;
• применяется высокое давление.

График набора прочности

График обычно имеет S-образную форму. В первые дни происходит быстрый набор, затем процесс замедляется. Типичный график времени набора прочности бетона:

• 3 дня: 30-40% от марочной прочности;
• 7 дней: 60-70%;
• 28 дней: 95-100%.

Таблица набора прочности бетонной смеси от температуры

Температура окружающего воздуха влияет на скорость набора прочности бетона.

Температура	7 дней	28 дней
+5°C	40%	80%
+20°C	70%	100%
+30°C	80%	100%

Набор прочности по суткам

Набор прочностной характеристики по суткам выглядит так:

• 1 сутки: 15-20%;
• 3 суток: 30-40%;
• 7 суток: 60-70%;
• 14 суток: 80-90%;
• 28 суток: 95-100%.

От чего зависит скорость набора прочности

Есть несколько условий и факторов, от которых бетонная смесь набирает прочность быстрее или медленнее.

Тип и качество цемента

Различные типы цемента обеспечивают разную скорость, поэтому их делят на три группы: медленнотвердеющие, нормальнотвердеющие, быстротвердеющие. Чем мельче помол цемента, тем быстрее и интенсивнее нарастает прочность.

Наличие определенных компонентов в цементе влияет на скорость. Например, содержание углерода и серы определяет развитие прочности в течение 28 дней. Свежий цемент обеспечивает лучший набор прочностных характеристик. При длительном хранении, особенно в условиях высокой влажности, активность материала снижается.

Водоцементное соотношение

Высокое содержание воды в смеси может привести к снижению прочности бетонного камня. Причина –избыточная вода, не вступившая в реакцию с цементом, остается в массе раствора в виде пор или испаряется, оставляя пустоты. Такие изъяны снижают плотность и прочность. Низкое водоцементное соотношение приводит к получению более плотного и долговечного бетона, но при укладке требуется больше усилий – материал становится тяжелым.

Факторы окружающей среды

Здесь, как и в случае со схватыванием. +20°C – оптимальная температура. Все что ниже негативно влияет на процесс твердения. Влажность – не ниже 90%, при низком показателе прилагаются все усилия, чтобы его повысить, используя любые способы.

Состав бетонной смеси

Состав бетонной смеси с классической рецептурой: цемент 13%, щебень 54%, песок 26%, вода 7%, может влиять на прочность бетона. Пропорции можно изменять в зависимости от требуемых характеристик раствора. Больше цемента – не значит высокая прочность бетона. Первый в большом количестве вызывает быструю усадку, что приводит к растрескиванию бетонного камня.

Заполнители должны иметь шероховатые зерна с неправильной формой. Это обеспечит лучшее сцепление, соответственно повышается прочность. Чистота песка и щебня тоже очень важна. Любые минеральные или органические примеси – это слабые участки.

Применение добавок

Пластификаторы и суперпластификаторы наиболее часто используются для повышения прочностной характеристики бетонного изделия. Они:

• повышают активность цемента и способствуют более полному вовлечению его компонентов в реакции гидратации;
• позволяют повысить удобоукладываемость смеси без увеличения доли воды;
• уменьшают количество пор и капилляров в готовом растворе;
• увеличивают прочность до 140% от номинальной.

Водоредуцирующие добавки уменьшают содержание воды, обеспечивают повышенную плотность, улучшают долговечность и морозостойкость. Микрокремнезем улучшает стойкость к воздействию влаги, кислот, высоких температур. Эта добавка сэкономит до 30% цемента.

Ускорители твердения увеличивают раннюю прочность на 20-40%, повышают марочную прочность на 15-20%. Некоторые добавки обеспечивают достижение марочной прочности за 7-10 дней вместо стандартных 28.

Как ускорить твердение бетона

Срок набора прочности бетона можно снизить, используя технологические приемы или внося добавки:

• использование химических добавок-ускорителей твердения: сульфат натрия, хлористый кальций, поташ, тринатрийфосфат, которые ускоряют набор прочности на 80% и повышают морозостойкость до 300 циклов;
• применение тепловой обработки или парового отверждения;
• использование быстротвердеющих цементов;
• оптимизация состава бетонной смеси;
• обеспечение условий твердения: температура и влажность.

При ускорении твердения нужно соблюдать баланс между скоростью набора прочности и конечными характеристиками бетона, чтобы обеспечить надежность конструкции.