Domieszki do betonów

Modyfikacja betonu dokonuje się niemal od chwili jego wynalezienia i zastosowania w XIX w.
W obecnym czasie można, a szczególnie w ostatnich 20 - 30 latach można zaobserwować szczególny postęp w rozwoju i zmiany wielu jego cech fizycznych i mechanicznych. Wszystkim tym zmianom towarzyszy zastosowanie wielu substancji modyfikujących beton, dodawanych tak do mieszanki betonowej jak również powlekanie czy nasączanie już stwardniałego betonu. Porównanie wzrostu zastosowania modyfikatorów, obrazuje dosyć dobitnie rysunek 1, na którym wyszczególniono wzrost zużycia domieszek na przestrzeni 16 lat w Niemczech, w przeliczeniu na zużytą 1 tonę cementu.
Taki rozwoju betonu uzasadnia szczególny postęp jaki następuje w rozwoju konstrukcji betonowych, w tym wielu zapór wodnych, budynków wysokich, autostrad i dróg. W artykule przybliżono obecnie istniejące dodatki i domieszki warunkujące rozwój budownictwa betonowego, oraz wskazano zalety i wady ich stosowania. Wśród przedstawionych modyfikatorów znajdują się domieszki uplastyczniające i upłynniające ( plastyfikatory i superplastyfikatory ), domieszki opóźniające, przyspieszające wiązanie, napowietrzające i uszczelniające oraz pyły krzemionkowe, i mikrozbrojenie.

Rys. Zużycie domieszek w poszczególnych latach w przeliczeniu na 1 tonę cementu

Plastyfikatory i superplastyfikatory. Plastyfikatory to należą do domieszek obniżających napięcie powierzchniowe wody zarobowej w takim stopniu aby doprowadzić do jej redukcji o ok. 10% przy zachowaniu tej samej konsystencji mieszanki betonowej. Superplastyfikatory umożliwiają powstanie tzw. podwójnej warstwy jonowej wokół ziaren cementu, którego konsekwencji jest znaczna redukcję sił tarcia i intensywne zdyspergowanie zaczynu cementowego. Dzięki superplastyfikatorom możliwa jest redukcja wody zarobowej przy zachowaniu stałej konsystencji o ok. 30 - 35 %. Rolą plastyfikatorów i superplastyfikatorów jest przede wszystkim możliwość obniżenia wskaźnika wodno-spoiwowego przy jednoczesnej poprawie konsystencji ( redukcja ilości wody w projektowanych betonach ), zmniejszenie wodożadności mieszanki betonowej ( mniejsza ilość wody w mieszance powoduje, że beton ma mniejsze tendencje do tworzenia rys skurczowych ), umożliwia uzyskanie dobrej urabialności, uplastycznienia i transportu mieszanki betonowej w tym zwłaszcza pompowalności betonu.

Do innych zadań tych domieszek poprawiających walory betonu należą przed wszystkim umożliwienie dobrego zagęszczenia mieszanki betonowej, poprawę odporności na działanie czynników agresywnych ( poprzez większą szczelność betonu ), poprawę trwałości konstrukcji betonowych, podwyższenie wytrzymałości końcowej, poprzez napowietrzenie mieszanki betonowej - zwiększenie mrozoodporność betonu. Umożliwiają również szybsze rozszalowanie oraz poprawiają stabilność mieszanki betonowej i jakość betonu.

Rys. Wzrost wytrzymałości poprzez zastosowanie domieszek i dodatków

Główne składniki plastyfikatorów i superplastyfikatorów. Do produkcji tych domieszek stosuje się: sole sulfonowanych melaminowo-formaldehydowych polimerów ( SMF), sole sulfonowanych naftalenowo-formaldehydowych polimerów (SNF), sulfonaty ligninowe oraz ich mieszaniny. Głównie do produkcji betonów wysokowartościowych stosuje się superplastyfikatory SMF i SNF. Domieszki te korygują wahania min. niejednorodności uziarnienia, zmiennego zawilgocenia kruszywa. Najczęściej dozowane są w dawkach 1 - 5 % ilości spoiwa ( masowo ). Maksymalną dawką powodują jednak zwiększenie napowietrzenia mieszanki betonowej i w konsekwencji opóźnienie czasu wiązania cementu.

Mechanizm działania plastyfikatorów i superplastyfikatorów polega na działaniu zmniejszenia tarcia wewnętrznego mieszanki, dając w efekcie mieszankę bardziej plastyczną, zmniejsza napięcie powierzchniowe wody a tym samym umożliwia cząstką wody łatwiejsze zwilżanie stałych cząstek mieszanki betonowej, tym samym uplastyczniając ją oraz ładując jednoimiennie cząstki mieszanki betonowej powodując większą ruchliwość mieszanki na skutek odpychania cząstek siłami elektrostatycznymi.

Dozowanie powyższych domieszek może następować w 3 czasach:

1. przed dodaniem wody do mieszanki - uzyskuje się jednak najsłabszy efekt działania domieszki,

2. dozowanie łącznie z wodą,

3. dozowanie po dodaniu wody ( w przypadku transportu samochodowego zapobiega w ten sposób segregacji składników mieszanki. Część domieszki dodaje się w trakcie wykonywania mieszanki w celu łatwego wymieszania, a resztę chwilę przed betonowaniem umożliwiając tym samym lepszą konsystencję ).

Na efektywność uplastycznienia mieszanki betonowej mają wpływ takie czynniki jak:

1. rodzaj domieszki i ilość dozowania

2. rodzaj i ilość cementu ( klasa wytrzymałościowa, rozdrobnienie )

3. ilość wody ( konsystencja )

4. jakość i rodzaj kruszyw

Stosowanie domieszek uplastyczniających i upłynniających takich jak plastyfikatory i superplastyfikatory wiąże ze sobą wiele korzyści płynących dla zakładów produkujących beton, zakładów prefabrykacji i przedsiębiorstw budowlanych wykonujących prace betonowe.

Wśród tych korzyści można wymienić korzyści tak ekonomiczne ( obniżenie zużycia cementu, wody, energii ), produkcyjne ( krótszy czas produkcji, mieszania, zagęszczania ), wykonawcze ( efektywność wykorzystania form, skrócenie czasu pielęgnacji ) jak i jakościowe ( jednorodność betonu, szczelność, wodoszczelność, mrozoodporność ). Zalety te potwierdziły liczne na świecie zastosowania oraz badania naukowe.

Domieszki napowietrzające. Stosowane najczęściej jako domieszki zapobiegające działaniu destrukcyjnemu mrozu, podwyższające trwałość betonu, zmniejszające nasiąkliwość betonu. Poprzez redukcję napięcia powierzchniowego wody zarobowej wprowadzają na granicy faz ciecz - gaz, pory powietrzne w kształcie kuleczek o średnicy 0 - 0,3 mm. Zastosowanie tej domieszki powoduje przerwanie istniejącego systemu kapilarnego betonu.

Zastosowanie tych domieszek w betonach pozwala wykonywać trwałe i odporne na działania klimatyczne oraz agresywność środowiska elementy takie jak: płyty chodnikowe, krawężniki, kanały odwadniające, podjazdy garażowe, stopnie schodów, mury betonowe, zbiorniki w oczyszczalniach ścieków.

Rys. Działanie domieszki napowietrzającej: I - bez domieszki, II - beton z domieszką.

Domieszki regulujące wiązanie ( opóźniające i przyspieszające wiązanie ).

Rolą domieszek opóźniających jest tworzenie na powierzchni ziarn klinkieru, zawartego w cemencie, otoczki, która hamuje dostęp wody oraz blokuje powstawanie zarodków krystalizacji, na których powstają produkty hydratacji. Domieszki te wytwarzane są na bazie fosforanów, cukrów i tlenków metali. Stosowane w ilości 0,2 do 2,0 % pozwalają zaoszczędzić ilości wody do 10 % i opóźnić czas wiązania od 3 - 24 godzin.

Przy stosowaniu domieszek opóźniających występuję liczne działania uboczne wśród których należy wymienić:

1. niebezpieczeństwo powstawania rys skurczowych w powierzchniowej warstwie betonu ( w wyniku wydłużenia czasu między początkiem a końcem wiązania betonu ),

2. zmniejszenie wytrzymałości początkowych poprzez opóźnienie czasu twardnienia ,

3. przy stosowaniu opóźniaczy organicznych w połączeniu z niektórymi cementami może nastąpić efekt odwrotny do ich działania - gwałtowne przyspieszenie wiązania,

4. w przypadkach wysokiej temperatury, przedozowanie może doprowadzić do powstania niekontrolowanych porów powietrznych, które obniżają wytrzymałość,

5. korzystniejsze jest stosowanie opóźniaczy na bazie nieorganicznej.

Stosowanie domieszek opóźniających jest uzależnione od kilku czynników do których można zaliczyć: cementy, kruszywo, konsystencję, temperaturę, czas i intensywność mieszania oraz występowanie innych domieszek.

Zastosowanie domieszki opóźniającej przy cementach hutniczych jest bardziej efektywne niż przy cementach portlandzkich przy tej samej ilości domieszki. Również kruszywo lekkie ogranicza działanie domieszki w wyniku jej absorpcji. Proces opóźnienia zachodzi korzystniej w betonach lepiej upłynnionych. Domieszki takie działają również plastyfikująco. Nie jest korzystna dla tych domieszek wyższa temperatura przyspieszająca reakcję hydratacji. Zaleca się stosowanie krótszego czasu mieszania, co ma zapobiegać zniszczeniu działania otoczki utworzonej przez domieszkę, a jednocześnie zapewni właściwą urabialność w trakcie transportu. Stosowanie domieszek opóźniających z innymi domieszkami powinno być zastrzeżone w instrukcji producenta. Nie wszystkie bowiem domieszki mogą wspólnie kształtować mieszankę. Domieszki opóźniające stosuje się głównie w celu dłuższego transportu betonu, zapobiegając tym samym rozpoczęcia procesu wiązania.

Przeciwnością domieszek opóźniających jest stosowanie domieszek przyspieszających twardnienie. Stosowane są głównie w betonach natryskowych ( naprawy przez torkretowanie, budownictwo górnicze, tunelowe ), w betonach szybkowiążących, uszczelniających i wodoszczelnych. Domieszki te w elementach wykonywanych z betonu skracają czas rozszalowania i są bardzo doceniane przy produkcji wyrobów betonowych. Stosowane w ilościach 0,5 do 5,0 % w stosunku do masy cementu pozwalają osiągnąć maksymalną wytrzymałość betonu już po 6 godzinach.

Uboczne działanie tych domieszek to głównie: uzyskiwane niższe wytrzymałości końcowe, zwiększenie skurczu przy wysokim dozowaniu, efekty uzależnione od rodzaju cementu.

Rys. Wcześnie osiągane wysokie wytrzymałości pozwalają na szybsze rozszalowanie i efektywniejsze wykorzystanie deskowań

Domieszki uszczelniające. Z uwagi na cenę tych domieszek ( należą do jednych z droższych ) ich zastosowanie jest mniejsze anieżeli np. domieszek upłynniających oraz technologii betonów wodoszczelnych, gdzie wskaźnik wodno-spoiwowy jest bardzo niski. Domieszki uszczelniające, pozwalają uzyskać szczelną strukturę betonu (zmniejsza się ich nasiąkliwość) poprzez hydrofobizacje systemu kapilar w betonie. Poprzez swoje działanie plastyfikujące, pozwalają uzyskać szczelną strukturę betonu, prowadząc do poprawy trwałość betonu na agresywne działanie środowiska.

Pyły krzemionkowe. Pyły krzemionkowe ( często nazywane mikrokrzemionką ) pozyskuje się jako produkt uboczny przy redukcji kwarcu w łuku elektrycznym. Drobne, aktywne cząstki SiO₂ , stosowane są głównie jako dodatek lub zamiennik cementu, dozowany w ilości do 15 % ilości cementu. W literaturze panuje pogląd o niekorzystnym wpływie tego dodatku w ilościach przekraczających 12 %. Najczęściej jednak dodatek ten dozuje się do 10 % w stosunku do masy cementu. Pyły krzemionkowe pozwalają uzyskać odporny i trwały kompozyt cementowy. Dzięki swoim wymiarom, mikrokrzemionka powoduje wypełnienie przestrzeni międzyziarnowych i zmniejsza tym samym wielkości porów w zaczynie. Szerokie badania nad zastosowaniem między innymi tego dodatku, przeprowadzone przez autora artykułu, potwierdzają wiele jego zalet zastosowań w technologii betonu, a także pozwalają zauważyć jego korzystny wpływ wraz z połączeniem z plastyfikatorami i superplastyfikatorami

Rys. Wytrzymałość na ściskanie betonów w zależności od ilości procentowej zastosowanej mikrokrzemionki

Mikrozbrojenie. Do najczęściej stosowanych dodatków mikrozbrojeniowych zalicza się min. włókna polipropylenowe oraz stalowe zbrojenie rozproszone.

Włókna polipropylenowe.Włókna polipropylenowe o długości od 6 do 19 mm i średnicy 30,5m m o pełnej odporności chemicznej bardzo dobrze redukują formujące się rysy skurczowe i mikropęknięcia na skutek osiadania plastycznego, eliminując konieczność stosowania przeciwskurczowych siatek stalowych, zmniejszają nasiąkliwość i wodoprzepuszczalność, ograniczają penetrację betonu przez chemikalia, ograniczają korozję betonu oraz stali zbrojeniowej, zwiększają mrozoodporność, odporność na ściskanie, rozciąganie przy zginaniu, zwiększają urabialność oraz poprawiają trwałość. Głównym jednak celem stosowania włókien polipropylenowych jest zapobieganie tworzeniu się mikrospękań podczas twardnienia betonu oraz powstawaniu rys skurczowych w stwardniałym betonie. Zaleca się dozowanie w ilości 0,9 kg na m³ mieszanki betonowej. Włókna stosuje się głównie w budownictwie drogowym ( autostrady, parkingi, chodniki ),

Widukt drogowy ( w trakcie budowy - Niemcy ). Potężne konstrukce i monolity betonowe wymagają
zastosowania dodatków zmniejszających ciepło hydratacji oraz nadające betonom wysokiej wytrzymałości i trwałości.

 

Duża część dróg w Stanach Zjednoczonych jest wykonana z betonów.
Ich duże walory techniczne ( wytrzymałość, trwałość ) stawiają je wyżej anieżeli drogi asfaltowe.
Na zdjęciu droga betonowa na przedmieściach Las Vegas, USA.

budownictwie hydrotechnicznym ( tunele, oczyszczalnie ścieków ), budownictwie przemysłowym ( odporne posadzki, parkingi, nawierzchnie lotnisk ), pracach wykończeniowych.

Wiele tam na świecie wzniesionych po okresie wzmożonych badań nad modyfikacją betonu,
jest utworzonych właśnie z zastosowaniem domieszek i dodatków.
Na zdjęciu jedna z tam w stanie Montana w USA.

( po lewej ) Kładka betonowa dla bezobsługowej kolejki torowej.
Przekrój poprzeczny kładki o bardzo małej grubości wymagał zastosowania odpowiedniego zbrojenia
jak również zastosowania betonów modyfikowanych.
(po prawej) Jedna z pierwszych wież żelbetowych. Stuttgard, Niemcy.

Rozproszone zbrojenie stalowe. Wykorzystywane głównie w budownictwie drogowym ale również przemysłowym, zbrojenie charakteryzuje się: wysoką wytrzymałością w betonie na rozciąganie przy zginaniu, redukcją skłonności do rys skurczowych, zwiększoną odpornością zmęczeniową, ekonomicznością ( oszczędność betonu i robocizny, skrócenie czasu budowy ). Szczególnie jest wykorzystywany przy betonie natryskowym.

Nieustannie prowadzone są na świecie badania nad stworzeniem nowych domieszek
i dodatków do betonów, pozwalających na coraz to dowolniejsze i śmielsze kształtowanie struktury betonu, a w konsekwencji konstrukcji i obiektów betonowych. Postęp związany ze zmieniającą się technologią wykonania betonów wciąż dokonuje się na naszych oczach.

 

---