Cement jest popularnym materiałem budowlanym wytwarzanym sztucznie. Jest to drobny proszek, który po interakcji z wodą zamienia się w plastyczną masę, która może zestalić się nawet w warunkach wysokiej wilgotności. Fizykochemiczny proces interakcji cementu z wodą nazywa się hydratacją. W wyniku jego przepływu roztwory i mieszanki wykonane na bazie spoiwa cementowego po utwardzeniu uzyskują wysoką wytrzymałość, wodoodporność i odporność na ekstremalne temperatury.
Hydratacja cementu-cechy procesu
Hydratacja to nieodwracalny proces, w którym cząsteczki wody łączą się z cząsteczkami minerałów, które tworzą cement. W wyniku takich interakcji powstaje masa plastyczna, która po zestaleniu zamienia się w ciało stałe podobne do kamienia.
Dokumentacja regulacyjna wskazuje dopuszczalne proporcje cementu wodnego, które zależą od marki użytego cementu i niezbędnych właściwości uzyskanych produktów. Przy wystarczającej ilości około 25% wody wiąże się chemicznie, reszta cieczy zamienia się w stan fizycznie związany. Wprowadzenie do materiału wody w ilości mniejszej niż dopuszczalna prowadzi do niepełnego nawodnienia, a większej niż dopuszczalna prowadzi do powstawania porów. W obu przypadkach właściwości wytrzymałościowe konstrukcji są zmniejszone.
Główne etapy nawodnienia
Pierwszym etapem hydratacji spoiwa cementowego jest wiązanie, które występuje w pierwszych godzinach po ugniataniu suchych składników wodą. Czas rozpoczęcia wiązania i szybkość tego procesu determinują następujące czynniki:
- Temperatura otoczenia. Im wyższy, tym szybszy proces. W temperaturze pokojowej trwa do trzech godzin, w wysokich temperaturach powstałych w komorach parowych-do 20 minut. W temperaturze 0 °C Wiązanie może trwać do 20 godzin.
- Skład spoiwa-nomenklatura i stosunek składników mineralnych, stosowane dodatki. Zgodnie z GOST 30515-2013 wyróżnia się szybkość wiązania w standardowych warunkach (+20 °C, wilgotność względna – 75 %) trzy kategorie cementów: wolno wiążące (początek procesu – 2 godziny po ugniataniu), normalnie wiążące (początek wiązania – od 45 minut do 2 godzin po ugniataniu), szybko wiążące (początek wiązania – do 45 minut po ugniataniu cementu wodą).
- Drobność mielenia – im drobniejszy proszek, tym szybsze Wiązanie.
Mieszanie materiału z tworzywa sztucznego pozwala na krótkie odłożenie początku wiązania. W lepkim produkcie, nawet podczas mieszania, po pewnym czasie rozpoczynają się nieodwracalne procesy, które negatywnie wpływają na wytrzymałość utwardzonego elementu. Budowniczowie nazywają to zjawisko „spawaniem betonu”. Szybkość wiązania, a następnie krzepnięcia można zmienić, wprowadzając plastyfikatory i inne dodatki do roztworu lub betonu.
Kolejnym dłuższym etapem po związaniu jest utwardzenie cementu. Ten proces, który zwykle rozpoczyna się w ciągu jednego dnia po rozpoczęciu nawodnienia może przebiegać przez kilka lat. W ciągu pierwszych 7 dni stworzona konstrukcja zyskuje około 70% wytrzymałości. 28 dni po wylaniu roztwór lub mieszanina nabierają rocznika. Jest to około 90-95% maksymalnego wskaźnika, który zajmuje kilka lat.
Aby uzyskać wysokiej jakości produkt końcowy, zapewniają normalne warunki krzepnięcia cementu. Aby to zrobić, musisz:
- Chroń konstrukcję przed najmniejszymi wpływami mechanicznymi, ponieważ wiązania utworzone na początkowych etapach hydratacji są słabe. Łatwo ulegają zniszczeniu i nie można ich odbudować.
- Pierwsze 2-3 tygodnie dla normalnego przepływu w nawodnieniu tworzą wilgotne środowisko i chronią konstrukcję przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych.
- Nie dopuścić do nagłych zmian temperatury. Aby to zrobić, konstrukcja jest pokryta niewielką warstwą piasku lub trocin, przykryta matami izolacyjnymi.
Takie środki podjęte podczas utwardzania cementu zmniejszą skurcz konstrukcji, unikną pęknięć i deformacji.
Zależność procesu hydratacji od składu chemicznego cementu
Mechanizmy wiązania i utwardzania cementu zależą od nazewnictwa i procentu składników spoiwa. Niektóre z nich zaczynają wchodzić w interakcje z wodą na początkowym etapie nawodnienia, inne po pewnym czasie.
W skład cementu portlandzkiego wchodzą:
- C2S krzemian dwuwapniowy. Ten składnik reaguje z wodą nie natychmiast, ale około miesiąc po ustawieniu produktu o Markowej wytrzymałości. Ma pozytywny wpływ na wytrzymałość betonu w dłuższej perspektywie. Zastosowanie plastyfikatorów przyspiesza wejście krzemianu dwuwapniowego do reakcji utwardzania cementu.
- C3S krzemian trójwapniowy. Składnik ten bierze udział w interakcji z wodą od samego początku przygotowania mieszaniny lub roztworu i przez cały okres nawodnienia. Ale największy wkład wnosi w okres rekrutacji Markowej wytrzymałości materiału.
- C3A glinian trójwapniowy. Przyczynia się do wzrostu wytrzymałości materiału w pierwszych dniach utwardzania. W późniejszym okresie przestaje działać.
- C4AF czterokalcowy glinoferyt. Wchodzi w życie już podczas utwardzania. Poprawia właściwości betonu w późniejszych okresach przyrostu wytrzymałości.
Jak można przyspieszyć lub spowolnić wiązanie i krzepnięcie cementu
Podczas prac budowlanych często zdarzają się sytuacje wymagające skrócenia czasu wiązania i utwardzania cementu, zastosowanie specjalnych dodatków pozwala rozwiązać ten problem. Będą potrzebne podczas betonowania w warunkach zimowych lub w razie potrzeby w celu zwiększenia tempa budowy.
Najpopularniejsze dodatki-przyspieszacze utwardzania cementu:
- 4% Azotan wapnia lub azotan sodu, azotyn-Azotan wapnia lub chlorek wapnia, azotyn-azotan siarczanu sodu;
- 2% siarczan sodu;
- 2% chlorek wapnia-stosowany do konstrukcji zbrojonych;
- 3% chlorek wapnia-przeznaczony do niezbrojonych elementów betonowych.
Opóźniacze hydratacji cementu są stosowane głównie przy wznoszeniu konstrukcji na dużą skalę-dużych fundamentów, misek basenowych, obiektów hydrotechnicznych i podziemnych.
Funkcje moderatorów pełnią plastyfikatory i hiperplastyfikatory. Zastosowanie takich dodatków pozwala zachować mobilność zapraw betonowych i ich właściwości robocze przez 24-48 godzin po ugniataniu spoiwa wodą.
Hydratacja cementu jest ważnym procesem, który musi odbywać się zgodnie z zasadami określonymi przez przepisy rządowe i dokumentację projektową dla konkretnego obiektu budowlanego. Dzięki opracowaniu szerokiej gamy dodatków możliwe stało się dostosowanie w szerokim zakresie początku i szybkości wiązania materiału z tworzywa sztucznego, jego mobilności, wytrzymałości na różnych etapach utwardzania, odporności na korozję i innych cech.
