Czas wiązania rozpoczyna się od chwili połączenia cementu z wodą. Musi to być na tyle długi okres, by przygotowane betony i zaprawy nie utraciły plastyczności przed wyrobieniem i ułożeniem. Jakie czynniki mają wpływ na długość tego procesu?
Proces wiązania zaczynu
Wiązanie spoiwa cementowego wynika z reakcji chemicznych i procesów fizycznych, które zachodzą po zmieszaniu cementu z wodą. Proces dojrzewania zaczynu cementowego jest taki sam dla każdego cementu zawierającego klinkier portlandzki. Różnice dotyczą jednak szybkości i kolejności poszczególnych etapów. Wiązanie i twardnienie wiąże się z rozpuszczeniem niektórych minerałów w wodzie, rozpadem minerałów na części składowe pod wpływem reakcji chemicznej z wodą (hydroliza) oraz chemicznym przyłączeniem wody przez minerał. Wszystkie te zjawiska w praktyce określa się hydratacją. Przyjmuje się, że ten proces trwa od chwili zmieszania cementu z wodą aż do uzyskania założonego produktu. W teorii całkowity czas wynosi 28 dni, w praktyce może to być nawet kilka lat. Wynika to z tego, że wybrane uwodnione minerały przybierają formy kryształów, inne są amorficzne, jeszcze inne przyjmują obie formy. Każdy z minerałów reaguje z wodą osobno.
Czynniki wpływające na wiązanie
Czas wiązania zależy od wielu czynników, m.in. składu mineralnego cementu, jego stopnia zmielenia, temperatury czy ilości wody zarobowej. Klinkier cementowy, który nie ma gipsu, wiąże szybko. Normalny czas wiązania otrzymuje się za pomocą dodatku gipsu dwuwodnego. Najbardziej reaktywny z wodą jest glinian trójwapnia, a w obecności gipsu reaguje on z wodą poprzez utworzenie etryngitu. Na powierzchni powstaje warstwa nieprzepuszczalna dla wody. Zwiększenie zawartości glinianu trójwapnia w cemencie powoduje przyspieszenie czasu wiązania, a jego zmniejszenie opóźnia ten proces. Wyczerpanie gipsu skutkuje reakcją pozostałego glinianu z wodą z utworzeniem glinianów uwodnionych. Hydratacja krzemianów wapnia zachodzi przez krzemiany uwodnione oraz wodorotlenek wapnia. Podczas wiązania dochodzi do tego, że stwardniały zaczyn cementowy spaja ziarna kruszywa w beton lub zaprawę o odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej.
Czas wiązania wydłuża się także przez nieregularny i gruboziarnisty cement portlandzki. Obecnie stosuje się drobniej zmielony cement, który przyspiesza cały proces i powoduje szybszy przyrost wytrzymałości bez wpływu na współczynnik woda/cement. Działanie odwrotne opóźnia wiązanie.
Domieszki przyspieszające czas wiązania
Regulację szybkości wiązania zaczynu cementowego dokonuje się poprzez stosowanie odpowiednich domieszek w ilości nieprzekraczającej 5% masy cementu w betonie. Przyspieszanie i twardnienie betonu odbywa się poprzez:
- zmiany równowag jonowych w fazie ciekłej zaczynu cementowego,
- katalityczne przyspieszanie reakcji zachodzących podczas wiązania,
- powstawanie zarodków fazy C-S-H na skutek reakcji zachodzących z udziałem domieszek.
Choć największą skuteczność wykazuje chlorek wapnia, domieszki z tym składnikiem wyeliminowano ze względu na zagrożenie korozją stali zbrojeniowej. Obecnie stosuje się azotany, azotany sodu, azotany potasu, azotany wapnia, węglany sodu i potasu, siarczany, tiosiarczany sodu i potasu, rodanki, gliniany, krzemiany, fluorokrzemiany oraz wodorotlenki metali alkaicznych.
Domieszki opóźniające czas wiązania
Zadaniem tych domieszek jest przedłużenie czasu przechodzenia mieszanki betonowej do stanu sztywnego co najmniej o 90 minut w stosunku do betonu kontrolnego. Zakończenie wiązania nie powinno wydłużyć się o więcej niż 360 minut. Tego rodzaju modyfikatory działają przede wszystkim poprzez blokowanie powierzchni ziaren cementu, co utrudnia dostęp wody i rozpuszczanie składników spoiwa. Mogą one także wpływać na zmiany równowag jonowych w ciekłym zaczynie. Opóźniaczami nieorganicznymi są związki fosforu, boru, fluoru, chromu i arsenu oraz tlenki ołowiu, cynku, wanadu i cyny. Natomiast wśród związków organicznych są to przede wszystkim glukoza, sacharoza, skrobia, celuloza oraz ich pochodne. 0,05% cukru w stosunku do masy cementu pozwala na opóźnienie wiązania o około 4 godziny. Jednak dodanie tego środka w ilości 1% może całkowicie zatrzymać wiązanie. Najpowszechniejszymi dodatkami, które opóźniają wiązanie cementu portlandzkiego, są sole wapnia i sodu kwasów lignosulfonianowych, czyli polimery otrzymywane z pulpy drzewnej. Wykorzystuje się je w ilościach od 0,1 do 1,5% w stosunku do masy cementu. Środkami opóźniającymi są także kwasy karboksylowe.
