Ciepło hydratacji, czyli beton ogrzeje się sam

Cement podczas procesu wiązania, czyli hydratacji (gdyż w tym procesie bierze udział woda) wydziela ogromne ilości ciepła. Im lepszy, im czystszy cement (czyli im mniejsza rzymska cyfra po oznaczeniu CEM), tym ta ilość jest większa. Zwykle wiąże się to z faktem, że markowe cementy o wyższej wytrzymałości mają najczęściej oznaczenie R w nazwie. Ta litera mówi nam, że początkowe przyrosty wytrzymałości następują bardzo szybko. Niczym nadzwyczajnym nie jest fakt, że 80 lub więcej procent wytrzymałości uzyskują one już po 7 dniach, kiedy norma daje im czas na osiągnięcie pożądanych parametrów aż 28 dni.

Białe cementy niemal z definicji należą do lepszych, co oznacza, że ilość ciepła, jaką wydzielają jest naprawdę duża. Ma to dwie poważne konsekwencje:

• latem lub w okresie, kiedy jest szczególnie gorąco, ten fakt wymusza szczególnie troskliwe dbanie o beton, polegające zwykle na chłodzeniu wylanej warstwy betonu, by nie stwardniała za szybko; jeżeli taki cement użyty jest do zapraw czy tynków, może zaistnieć konieczność kontroli tempa przyrostu wytrzymałości, by nie okazało się, że stwardniały za szybko
  
• drugą, o wiele istotniejszą cechą, jest możliwość prowadzenia prac budowlanych w okresach późnojesiennych lub nawet wczesnozimowych, a także już od późnej zimy. W tym wypadku wystarczy zwykle tylko zabezpieczyć beton nieprzepuszczalnym materiałem, np. plandeką. Reszty dokona on za nas. Po prostu ciepło, jakie zacznie wydzielać sprawi, że będzie się on sam ogrzewał. Wydzielane ciepło sprawi, że woda zawarta w betonie, wykorzystywana do procesów wiązania, nie zamarznie
  

Osoby pracujące na węzłach betoniarskich, gdzie wykorzystywane są cementy typu R, mają często do czynienia ze zjawiskiem parowania betonu, nawet w czasie lekkich mrozów. Ta para to potężne ilości ciepła oddawane przez cement, który zaczyna wiązać się z wodą.

Te same właściwości wykorzystywane są przez ekipy pracujące na zewnątrz murujące różne ogrodzenia, obkładające domy cegłą czy kamieniem. Doświadczeni fachowcy doskonale wiedzą, że niewielkie ujemne temperatury nie zaszkodzą procesom wiązania. Dzieje się tak z prostego powodu - w zaprawach, jakich używają składnikiem jest biały cement - najczęściej klasy 52,5 oznaczony literą R.

Wydawać się może, że skoro mimo tego, że ciepło jest wydzielane, lecz sam beton nie sprawia wrażenia ciepłego czy choćby gorącego, nie ma go zbyt wiele. To jest tylko złudzenie...

W czasie całego, pełnego procesu hydratacji zwykły, czysty cement portlandzki wydziela ok. 400 kJ energii. Cementy o wytrzymałości ok. 60 MPa w temperaturze ok. 5C potrafią w ciągu pierwszych 6 godzin wydzielić niemal 25 kJ energii. Dużo to czy mało?

1 kaloria to niecałe 4,19 J energii, czyli 1 kcal równa jest odpowiednio 4,19 kJ. Około 80 kcal potrzeba by zagotować 1 litr wody z temperatury pokojowej. 25 kJ to ok. 6 kcal, czyli ilość ciepła, jaką wydziela 13 kg cementu o wytrzymałości ok. 60 MPa w temperaturze 5C pozwoliłaby zagotować 1 litr wody w ciągu 6 godzin...

Ilość energii, jaką wydziela 100 kg cementu portlandzkiego tej samej klasy w ciągu owych 28 dni ma w przybliżeniu podobną wartość, co 1,5 kg (ok. 1 litra) benzyny.

Jak wyraźnie zostało zaznaczone, te ogromne ilości ciepła wydzielane są przez cement bez dodatków o wysokiej wytrzymałości końcowej. Im cement ma szybsze przyrosty wytrzymałości początkowej, tym ilość owej energii, jaka zostaje wydzielona, jest większa. To ta energia sprawia, że mimo niesprzyjających warunków można betonować, murować, wykonywać roboty budowlane, którym warunki pogodowe w teorii zaprzeczają i powinny je uniemożliwić. A wystarczy tylko lekko pomóc po prostu szczelnie nakrywając wylany beton, aby reszta dokonała się sama.

Kubik, czyli 1 m³ betonu, wedle najbardziej klasycznych założeń składa się z około 400 kg cementu. Ilość ciepła, jaka zostanie wydzielona w temperaturze 5C przy wyżej wspomnianych założeniach zagotowałaby po owych 6 godzinach w granicach 30 litrów wody, albo pozwoliłaby po niemal miesiącu (28 dni) na wytworzenie energii równej 4 litrom benzyny.

W chłodne lub zimne dni można przyśpieszyć wiązanie cementu dodając do zaprawy lub betonu ciepłej lub nawet bardzo ciepłej wody, wówczas początek procesu, jak i pierwsze godziny wiązania nastąpią o wiele szybciej, niżby wynikało to z niskiej temperatury otoczenia. To zaś sprawi, że ilość wydzielonego ciepła nie pozwoli, by nawet ujemne temperatury sprawiły nam problemy.

Przyjmuje się, że bezpieczna wytrzymałość betonu lub zaprawy na przemarzanie w sytuacji, kiedy proces wiązania nie został zakończony (czyli temperatura spada poniżej zera, a nie upłynęło jeszcze min. 28 dni) dla cementów bez dodatków (oznaczenie CEM I) wynosi 5 MPa. Oznacza to, że wydzielają one tyle ciepła, że po przekroczeniu tej wytrzymałości beton sam z siebie nie przemarza, lub aby to nastąpiło muszą nastąpić bardzo duże mrozy. Aby uświadomić sobie, po jak krótkim okresie czasu to następuje, wystarczy wspomnieć, że są na rynku dostępne białe cementy typu CEM I, które po 24 godzinach osiągają wytrzymałości ponad 20 MPa, przyjmując zaś, że początek procesu wiązania następuje po ok. 2 godzinach, jest to tempo wręcz piorunujące.

Trzeba nauczyć się wykorzystywać ten potencjał i te możliwości, jakie daje cement wysokiej klasy, by nie bać się betonować, murować czy tynkować nawet w chłodniejsze dni. Ilość ciepła emitowana w trakcie wiązania sprawi, że nie będzie problemów, wystarczy tylko wiedza, ile wody zostało użyte do betonu lub zaprawy oraz jaki cement został wykorzystany i w jakiej ilości. Reszta dokona się niejako "za naszymi plecami".