Заливка бетону в холодну і жарку пору року вимагає особливих навичок і знань, тому що роботи з цементною сумішшю ускладнюються, а період її висихання різко зменшується або зростає. Зміна швидкості твердіння бетону в залежності від температури обумовлено уповільненням процесів гідратації і утриманням великої кількості рідини в товщі матеріалу.
Для прискорення застигання і попередження дефектів використовуються спеціальні будівельні прийоми, полімерні та протиморозні добавки.
Стадії набору міцності бетонною конструкцією
Схоплювання і твердіння розчинів на основі цементу обумовлено його хімічною взаємодією з водою. Силікати, алюмінати і алюмоферрити, які входять до складу портландцементу, забезпечують підвищення міцності на різних стадіях затвердіння.
Швидкість хімічних реакцій залежить від наявності каталізаторів (спеціальних добавок) і температури.
Стадія схоплювання
До складу цементного порошку входить трикальцієвий алюмінат (3СаО * Al2O3), трикальцієвий силікат (Аліт, 3СаО*SiO2), двокальцієвий силікат (білить, 2СаО*SiO2) і алюмоферрит. Аліт, який займає більшу частину маси портландцементу, бере участь в обох стадіях затвердіння. При замішуванні водою і на початку стадії схоплювання він виділяє тепло, яке збільшує швидкість реакції.
Однак більш активним компонентом цементу на етапі схоплювання є трикальцієвий алюмінат. Протягом 24 годин після змішування він інтенсивно реагує з водою, формуючи первинні зв'язки в бетоні. Після закінчення схоплювання алюмінат повністю втрачає вплив на міцність цементу.
Стадія схоплювання проходить в перші години після заливки опалубки. Швидкість початку реакції і тривалість процесу залежать від складу суміші і температури повітря. При нормальних температурах (+ 18 ... +22°С) бетон схоплюється через 2,5-3 години. З них 1,5-2 години проходить до початку реакції, а 1 година йде безпосередньо на схоплювання.
При зниженні температури початок реакції може відсунутися на 4-8 годин, а її тривалість — збільшитися до 15-20 годин.
У гарячому середовищі схоплювання відбувається активніше і починається більш швидко. Весь процес може зайняти менше 1-2 годин, з яких реакція - 15-20 хвилин.
Стадія твердіння
Стадія формування бетонного каменю починається по завершенні схоплювання. Твердіння матеріалу відбувається за рахунок видалення вільної води. Частина рідини випаровується в зовнішнє середовище, а інша — зв'язується з молекулами силікатів і алюмінатів, утворюючи стійкі комплекси. Щоб не порушити балансу між зв'язуючоюся і випаровуючоюся водою, потрібно забезпечити оптимальну вологість і температуру середовища.
Основним реагентом на стадії твердіння є Аліт. Аліт забезпечує поступове зміцнення матеріалу в процесі експлуатації: за рахунок його властивостей міцність матеріалу через 2-3 роки може становити до 250% міцності після твердіння.
Стандартний термін затвердіння бетону
Стандартний час застигання бетону становить 28-30 днів. Нормальні умови для затвердіння — температура +15...+22°С і вологість 60-100%. Тривалість затвердіння залежить від умов процесу, марки бетону і наявності додаткових добавок в розчині.
Залежність часу набору міцності від марки бетонної суміші
Підвищення міцності бетону на стиск корелює зі збільшенням в'язкості суміші. Це означає, що зі збільшенням марки матеріалу час схоплювання і твердіння скорочується.
Тривалість реакцій для бетону різних марок
| Марка матеріалу | Час схоплювання, годин | Час твердіння, діб |
| М100 | 3-3,5 | До 30 |
| М200 | 2-2,5 | 14-25 |
| М300 | 1,5-2 | 7-14 |
| М400 | 1-2 | 4-7 |
| М500 | <1 | 2-4 |
Тривалість набору міцності залежить від складу суміші, вологості, температури зовнішнього середовища і матеріалу.
Марка і призначення розчину визначають і критичну міцність бетонного каменю. Це значення, після досягнення якого конструкція продовжить тверднути після замерзання без втрати експлуатаційних властивостей. Даний показник залежить від марки наступним чином:
- для бетону М100 і М150 він відповідає 50%;
- для М200, М250, М300 і М350 — 40%;
- для М400, М450 і М500 — 30%;
- для навантажених конструкцій (незалежно від марки) — 70%.
Якщо в момент замерзання зразок має відповідний рівень міцності на стиск, то температурні перепади незначно вплинуть на його міцність. При замерзанні на ранніх стадіях твердіння без застосування протиморозних добавок міцність готової конструкції падає не менше ніж на 50%. Наприклад, для марки М200 критичною точкою міцності є 80 кгс/см2 або 8 МПа.
Найбільш часто для фундаментів і навантажених конструкцій використовуються марки бетону від М300. Зняття опалубки зі стандартних конструкцій допускається через 4-5 днів при наявності щілин між щитами форми і бетоном. Для перекриттів і сходів довжиною не більше 6 м час витримки продовжується до 14 днів, для довгих сходів — до 28 днів. Мости, дамби та інші відповідальні і важко навантажені конструкції витримуються у формі до 90 днів.
Спеціальні добавки
Стрімке або занадто повільне схоплювання і твердіння суміші знижує міцність бетону. Повільне застигання додатково збільшує витрати на догляд за конструкцією. Для корекції швидкості затвердіння застосовуються добавки, які регулюють кінетику процесу.
Існує два типи добавок, що регулюють процес твердіння розчину:
- Прискорювальні. Реагенти цього типу скорочують час до початку схоплювання на 30-40%, прискорюють затвердіння і покращують міцнісні властивості матеріалу. Вони додаються в суміш при промисловому штампуванні бетонних виробів, заливці фундаментів, перекриттів та інших будівельних конструкцій при знижених температурах. Найбільш дешеві прискорюючі добавки - це хлористий кальцій і поташ (вуглекислий калій). У перелік затребуваних будівельних складів для прискорення затвердіння входять: Релаксор, Адімент В3, Форт-УП2, Поззоліт-100, КОНКРІТ-Ф і ін.
- Сповільнювані. Пластифікатори і сповільнювачі схоплювання позитивно впливають на легкоукладальність і рухливість розчину. Вони застосовуються при доставці бетону в пересувних змішувачах, затримках в будівництві і заливці конструкцій при температурі вище +25...+30°С. Пластифікуючі властивості сповільнювачів дозволяють відмовитися від віброущільнення при укладанні бетону з малою рухливістю. Найбільш поширеними уповільнюючими добавками є НТФ-кислота, цитрат і глюконат натрію, Лінамікс, SikaPlast 520 N, Frem Linas 200 і ін.
При заливці в умовах низьких температур використовуються протиморозні реагенти. Вони знижують температуру замерзання води, перешкоджаючи її фазовим переходам при 0...+4°С.
Залежно від виду і концентрації добавок вони дозволяють працювати з бетонним розчином при температурі до -15...-25°С. До морозостійких реагентів відносяться нітрит натрію, нітрат-нітрит кальцію, карбамід та ін.
Набір міцності бетону в залежності від температури
Температура навколишнього середовища визначає швидкість реакцій, які формують бетонний камінь. Підвищена температура повітря зміщує баланс у бік випаровування рідини, а знижена — гальмує процеси гідратації в розчині.
При високих температурах
У сухому і гарячому повітрі випаровування води відбувається швидше, а залишившоїся рідини може не вистачити для повноцінної гідратації. В результаті знижується надійність конструкції, а її міцність на стиск у верхніх і центральних шарах істотно різниться.
Для профілактики нерівномірності і швидкого висихання в бетон додаються уповільнюючі добавки, а готова конструкція змочується в процесі застигання.
Висока температура і вологість застосовуються при виробництві стандартних бетонних виробів в автоклавах. Такі умови забезпечують швидке схоплювання і максимальне твердіння конструкцій.
В прохолодний час
При низьких температурах розчин довго схоплюється, а потім протягом тривалого часу залишається крихким в порівнянні з марочної міцністю. Хімічні реакції відбуваються до температури фазових перетворень води.
При негативній температурі
Коли температура середовища опускається нижче 0° С, вода замерзає, а гідратація в розчині-припиняється. При прогріванні повітря процес затвердіння відновлюється, але міцність конструкції після перерви може знизитися.
Набір міцності бетону при різних температурах
| Термін застигання, діб | Частка від 28-добової міцності, досягнутої при оптимальних умовах твердіння | |||||
| При -3°С | При 0°С | При +5°С | При +10°С | При +20°С | При +30°С | |
| 1 | 3 | 5 | 9 | 12 | 23 | 35 |
| 2 | 6 | 12 | 19 | 25 | 40 | 55 |
| 3 | 8 | 18 | 27 | 37 | 50 | 65 |
| 5 | 12 | 28 | 38 | 50 | 65 | 80 |
| 7 | 15 | 35 | 48 | 58 | 75 | 90 |
| 14 | 20 | 50 | 62 | 72 | 90 | 100 |
| 28 | 25 | 65 | 77 | 85 | 100 | |
У таблиці розглянуто набір міцності матеріалу марок М200 і М300.
Зниження в'язкості розчину
Під час схоплювання бетонний розчин зберігає свою пластичність. При русі в стаціонарній або рухомій бетономішалці суміш проявляє властивість тиксотропії-зменшення в'язкості складу при постійному динамічному навантаженні.
Занадто тривале перемішування призводить до "перетравлення" бетону і зниження конструктивної міцності готової конструкції. Щоб зберегти рухливість розчину і уникнути негативних ефектів, в суміш додаються пластифікатори. Вони подовжують періоди схоплювання і застигання.
Знизити в'язкість суміші на стадії затвердіння не можна. Механічний вплив на застигаючий бетонний камінь призводить до формування дефектів і розтріскування конструкції. До досягнення мінімально допустимого рівня міцності застигаючий бетон слід оберігати від ударів, вібрації та ін.
Залежність рівня набору міцності від показників температури матеріалу
Низька температура інгредієнтів негативно впливає на експлуатаційні характеристики бетонного каменю. Якщо для змішування використовується холодна вода і наповнювач, то подальший догляд за конструкцією не зможе забезпечити марочну міцність.
При температурі менше 10°С рекомендується підігрівати воду, яка застосовується для виготовлення. Якщо показник термометра відповідає -5 ... 0° С або нижче, то необхідно підігрівати і дрібний наповнювач (річковий пісок).
Для скорочення часу схоплювання і витрат на підігрів бетону в опалубці компоненти розігріваються до гранично допустимого рівня. Максимальне значення визначається складом і маркою портландцементу. При нагріванні вище цієї температури готова суміш буде реагувати менш інтенсивно, що позначиться на міцності конструкції.
Гранична температура компонентів бетонного розчину
| Вид цементу | Максимальна температура води для замішування, ° С | Гранична температура наповнювача, ° С | Максимальна температура бетонного розчину після вимішування, ° С |
| Глиноземистий | 40 | 20 | 25 |
Портландцемент марки М400 і вище Пуццолановий цемент марки М300 і вище | 60 | 40 | 35 |
Портландцемент марок М300 і М350 Цемент з пуццоланою М200 | 80 | 50 | 40 |
| Шлакопортландцемент М200 і М300 | 90 | 60 | 45 |
Рекомендації щодо прискорення процесу
Дотримати необхідні умови для заливки не завжди можливо: в жарку і холодну погоду температура відхиляється від оптимальної не менше ніж на 15-20°С, а вологість може становити нижче 60%.
Щоб уникнути згубного впливу низької вологості, високих і низьких температур, бетонщики вдаються до спеціальних методів догляду. До них відноситься обробка гарячим вологим паром, застосування теплих опалубок, закладка електродів і гріючих проводів в тіло бетонного виробу і ін.
При заливці фундаменту будівельники вдаються до заходів захисту бетону на етапі змішування, але рідко додатково підігрівають готову конструкцію. Це обумовлено тим, що основа будівлі повинна пройти етапи усадки і стабілізації грунту. В цьому випадку виниклі дефекти не позначаться на міцності будинку, а будуть усунені за допомогою додаткового шару бетону.