Схватывание

Схватывание — это процесс начального твердения строительных растворов, бетонных смесей, вяжущих веществ (цемента, гипса, извести) и других материалов, характеризующийся потерей пластичности и переходом материала из жидкого или пастообразного состояния в твёрдое. В отличие от полного твердения, при схватывании материал ещё не набирает значительной прочности, но уже не поддаётся деформации без разрушения структуры.

Сущность процесса

Схватывание представляет собой первую стадию гидратации вяжущего вещества, при которой происходит образование кристаллизационной структуры. В случае цемента, при смешивании с водой начинается химическая реакция, в результате которой образуются гидратные соединения (гидросиликаты, гидроалюминаты кальция). Эти соединения, выделяясь из раствора в виде мельчайших кристаллов, срастаются между собой, образуя пространственную сетку — гель. Именно образование этой сетки приводит к потере подвижности смеси.

Процесс схватывания не является мгновенным. Он протекает во времени и делится на два условных этапа:

Начало схватывания — момент, когда смесь начинает густеть и терять пластичность. Паста или раствор перестаёт растекаться под собственным весом, но ещё сохраняет некоторую способность к деформации при приложении усилия.
Конец схватывания — момент, когда материал полностью теряет пластичность и превращается в твёрдое тело, хотя и с низкой прочностью. Дальнейшее деформирование материала приводит к разрушению его внутренней структуры.

Факторы, влияющие на схватывание

Скорость и продолжительность схватывания зависят от ряда факторов, которые необходимо учитывать при производстве строительных работ.

Температура окружающей среды и смеси

Температура является одним из главных катализаторов химических реакций гидратации. Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на 10°C ускоряет скорость химических реакций в 2–3 раза. Для бетонных смесей:

При температуре +20°C начало схватывания обычного портландцемента наступает через 1–2 часа, конец — через 4–6 часов.
При понижении температуры до 0°C процесс гидратации практически останавливается, а вода в смеси может замёрзнуть, что приводит к разрушению формирующейся структуры.
При повышении температуры до +30°C и выше схватывание может наступить уже через 20–40 минут, что создаёт проблемы при транспортировке и укладке бетона.

Водоцементное отношение (В/Ц)

Количество воды, добавленной в смесь, напрямую влияет на кинетику схватывания. При избытке воды (высокое В/Ц) частицы вяжущего разобщены, и для образования кристаллической сетки требуется больше времени. Схватывание замедляется. При недостатке воды (низкое В/Ц) гидратация может быть неполной, а схватывание — неравномерным.

Химический и минералогический состав вяжущего

Разные вяжущие вещества имеют различную скорость схватывания:

Гипс (строительный алебастр) схватывается очень быстро — начало через 4–6 минут, конец через 10–30 минут.
Портландцемент — умеренно быстрое схватывание (начало не ранее 45 минут, конец — не позднее 10 часов по ГОСТу).
Глинозёмистый цемент — быстрое схватывание (начало через 30–40 минут, конец через 3–4 часа).
Воздушная известь — медленное схватывание, которое может длиться несколько суток.

Наличие добавок

Для регулирования сроков схватывания в строительные смеси вводят специальные добавки:

Ускорители схватывания (хлорид кальция, сульфат алюминия, нитрат кальция) — сокращают время начала и конца схватывания, применяются при зимнем бетонировании или при необходимости быстрого распалубливания.
Замедлители схватывания (сахар, лимонная кислота, фосфаты, технические лигносульфонаты) — увеличивают время сохранения подвижности смеси, используются при транспортировке бетона на большие расстояния или при укладке в жаркую погоду.

Методы определения сроков схватывания

В лабораторных и производственных условиях сроки схватывания цементного теста определяют с помощью прибора Вика. Метод регламентируется ГОСТ 310.3-76 (Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объёма).

Прибор Вика представляет собой стойку с подвижным стержнем, на котором закреплён металлический пестик (игла). Игла погружается в цементное тесто нормальной густоты под действием собственного веса (300 г). Время начала схватывания фиксируется, когда игла не доходит до дна формы на 2–4 мм. Время конца схватывания — когда игла погружается в тесто не более чем на 1 мм.

Для бетонных смесей на практике часто используют более простые методы, например, определение момента, когда смесь перестаёт «схватываться» при нажатии пальцем или когда на поверхности бетона перестаёт оставаться след от вибрации.

Практическое значение в строительстве

Знание и контроль сроков схватывания имеют критическое значение для всех этапов бетонных и штукатурных работ.

Транспортировка и укладка. Бетонная смесь должна быть доставлена на объект и уложена до начала схватывания. Нарушение этого правила ведёт к браку: уложенный «схватившийся» бетон не уплотняется вибрацией, образуются пустоты и раковины, снижающие прочность конструкции.
Обработка швов. При бетонировании больших площадей (полы, дорожные покрытия) необходимо укладывать последующую порцию смеси до начала схватывания предыдущей. Если это невозможно, устраивают рабочие швы, которые требуют специальной обработки (очистка, насечка, промывка) для обеспечения сцепления старого и нового бетона.
Распалубливание. Сроки распалубливания (снятия опалубки) зависят от набора прочности, который начинается после окончания схватывания. Для несущих конструкций (балки, перекрытия) бетон должен набрать не менее 50–70% проектной прочности, что происходит значительно позже окончания схватывания.
Штукатурные работы. При нанесении штукатурных растворов необходимо выдерживать паузу между слоями (обрызг, грунт, накрывка) так, чтобы каждый предыдущий слой «схватился», но не высох полностью. Это обеспечивает монолитность покрытия.