Í Ï Î

Transkrypt

Í Ï Î

4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów
4.
Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów
1
Í Ï Î
4.1 Przesłanki do stosowania plastyfikatorów i superplastyfikatorów
Pierwsza publikacja o dużym znaczeniu, w której omówiono wpływ małych ilości niektórych związków organicznych na zwiększenie urabialności kompozycji cementowych ukazała się już w 1932 r. Podkreślano wówczas skuteczność w tej roli soli sulfanowych kwasów naftaleno−formaldehydowych. Impuls
ten nie przyniósł oddźwięku w postaci badań, prób zgłębienia tematu i informacja ta długo nie została
wykorzystana. Jednakże w latach trzydziestych i czterdziestych, w praktyce budowlanej rozpowszechniło
się stosowanie związków lignosulfonowych, w wielu krajach używanych do dziś. W latach pięćdziesiątych jako domieszki uplastyczniające wprowadzono sole kwasów hydroksykarboksylowych. Natomiast
czas domieszek o znacznie większej skuteczności oddziaływania, tzw. superplastyfikatorów,
w niektórych krajach nastał na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych [44].
Dziś stosowanie domieszek i dodatków do betonu jest bardzo rozpowszechnione w wysoko uprzemysłowionych krajach świata. Dla przykładu ilość betonów zawierających dodatki w stosunku do całej ich
produkcji wynosi: w Niemczech − 60%, USA − 70%, a w Japonii aż 80% i co ważne są to dane z początku lat dziewięćdziesiątych, a dynamika wzrostu w tej mierze jest znaczna [39]. Przykładem może być
Austria, gdzie udział betonów modyfikowanych plastyfikatorami i superplastyfikatorami przed 10 laty
wynosił 40%, przed 5 laty już 50−60%, aktualnie szacuje się na ponad 70%. Interesująca jest też struktura
użycia środków plastyfikujących, czy upłynniających. Te pierwsze na rynku austriackim stanowią 70%,
drugie około 20%, pozostałe to głównie reduktory wody, czy domieszki napowietrzające. W dużej mierze
plastyfikatory są popularniejsze od superplastyfikatorów ze względu na niższą cenę. Stosuje się je na ogół
w celu poprawy urabialności. Superplastyfikatory zapewniają zarówno upłynnienie, jak i redukcję wody
zarobowej [17].
W przypadku gdy stosujemy domieszkę utrzymując założoną wartość W/C mieszanki betonowej −
czynimy ją bardziej ciekłą, co znacznie ułatwia szczelne ułożenie betonu. Zwłaszcza szczelne zagęszczenie dużych ilości mieszanki betonowej stanowi zawsze pracochłonne zadanie. Uciążliwość jest tym większa, gdy stosuje się kruszywo łamane oraz gdy ze względu na wymaganą jakość betonu nie można zwiększyć ilości wody zarobowej [43]. W innym przypadku wprowadzanie domieszki umożliwia zmniejszenie
ilości wody zarobowej, przy jednoczesnym zachowaniu założonej konsystencji mieszanki betonowej, co
prowadzi do zwiększenia wytrzymałości, wodoszczelności, mrozoodporności i w ogóle trwałości betonu.
Przy niedużym zmniejszeniu ilości wody można uzyskać efekt będący wypadkową obydwu tych oddziaływań [44].
Sens zastosowania środków uplastyczniających i upłynniających graficznie oddaje wykres zmian konsystencji w funkcji wartości stosunku wodno−cementowego W/C w obszarze dwóch krzywych, obrazując
pole manewru technologicznego [76].
Rys. 4.1. Pole manewru technicznego przy zastosowaniu środków plastyfikujących, lub upłynniających [76]
Innym efektem zastosowania domieszki uplastyczniającej, lub superplastyfikatora, z jednoczesnym
zmniejszeniem ilości wody zarobowej, może być oszczędność cementu dla uzyskania danej klasy betonu
J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami
Alma Mater
2
przy zachowaniu konsystencji mieszanki i wytrzymałości betonu. Te trzy przesłanki do stosowania plastyfikatorów i superplastyfikatorów zostały tutaj jedynie zasygnalizowane, a szczegółowo zostaną omówione w dalszym toku pracy [44].
Spróbujmy odpowiedzieć jeszcze na pytanie o technologiczne cele stosowania plastyfikatorów oraz
superplastyfikatorów. Pierwszym niech będzie ułatwienie pracy na placu budowy. Firmy budowlane
oczekują tak zaprojektowanego betonu, aby ten oznaczał się dobrą urabialnością i którego zabudowanie
nie nastręcza kłopotów. Domieszki uplastyczniające i upłynniające ułatwiają wbudowywanie betonu o
podwyższonej plastyczności (aż do konsystencji ciekłej) czasem w kombinacji z domieszkami spowalniającymi szybkość utraty konsystencji i proces wiązania cementu. Podczas całego czasookresu wbudowywania betonu należy także utrzymać tą samą konsystencję, co stanowić może pewne utrudnienie, zwłaszcza wobec krótkotrwałego oddziaływania superplastyfikatorów, lecz nie jest to w praktyce budowlanej
problemem, a zagadnienie dotyczące korelacji dozowania domieszki i reologii mieszanki betonowej stanowić będzie tematykę odrębnego rozdziału opracowania [76].
Kolejnym technologicznym celem stosowania domieszek tu omawianych jest konieczność produkcji betonu o powtarzalnych własnościach. Produkcja takiego betonu wymaga jednorodnego cementu o
powtarzających się właściwościach (charakterystyka wytrzymałościowa, wodożądność, szybkie wiązanie
i twardnienie), utrzymania stałych źródeł zaopatrzenia w kruszywa i przede wszystkim utrzymania stałej
zawartości wody w recepturze. Ostatni aspekt nie jest łatwy do utrzymania, ponieważ zmienna charakterystyka piasku oznacza zmienną wodożądność, podobnie jak niejednorodny przemiał cementu, także za
duży udział frakcji 4/8 zwiększa zapotrzebowanie wody.
Następnym celem jest wymóg dotrzymania wymagań wytrzymałościowych przy możliwie niskiej
zawartości cementu. Domieszki upłynniające i uplastyczniające pozwalają obniżyć zużycie cementu
z możliwością redukcji wody bez uszczerbku dla końcowej wytrzymałości betonu. Obniżenie W/C pozwala osiągnąć kolejny technologiczny cel stosowania domieszek. Jest to skrócenie czasu pielęgnacji
świeżego betonu i ograniczenie kosztów z tym związanych [76].
Plastyfikatory i superplastyfikatory pozwalają ponadto zmniejszyć skłonność do występowania zarysowań i spękań, poprzez zmniejszenie wodożądności mieszanki betonowej, także przy zastosowaniu
miałkich cementów. Mniejsza ilość wody w mieszance betonowej powoduje, że beton posiada mniejszą
skłonność do tworzenia rys. Coraz większego znaczenia nabiera także wygląd powierzchni betonu, który
przy betonach architektonicznych często staje się dla inwestora kryterium oceny jakości prac. Nawet zabarwienie betonu zależy nie tylko od surowców, ale między innymi od stosunku W/C (niższe W/C daje
beton ciemniejszy). Niski poziom tego wskaźnika daje możliwość uzyskania zamkniętych powierzchni betonu, bez porów, pęcherzyków powietrza, wżerów, jam itp. Rzutuje to także na kolejny cel stosowania plastyfikatorów i superplastyfikatorów, czyli na trwałość konstrukcji betonowej. Domieszki te pozwalają na zaprojektowanie betonu odpornego na agresję wody, mrozu, soli odladzających, dwutlenku węgla
i innych chemicznych odczynników. Obniżenie W/C poprawia szczelność betonu, jego struktura jest bardziej zwarta i nieprzepuszczalna dla czynników zewnętrznych [76].
Zwróćmy jeszcze uwagę na dziedzinę, w której zastosowanie zwłaszcza superplastyfikatorów jest nieodzowne i rodzi szerokie możliwości rozwoju, czyli technologię betonów wysokiej wytrzymałości. Superplastyfikatory stosowane łącznie z mikrowypełniaczami, są podstawą technologii otrzymywania betonów wysokiej wytrzymałości. Obecność upłynniaczy jest jednym z podstawowych warunków do ujawnienia unikalnych właściwości mikrokrzemionki w układzie z cementem. Nawiasem mówiąc przy zastosowaniu samego tylko dodatku superplastyfikatora i odpowiedniej kontroli składu ziarnistego cementu,
można otrzymać betony wysokich wytrzymałości, nawet do pułapu B100, co przy użyciu samego tylko
pyłu krzemionkowego nie jest możliwe. Świadczy to o dużych możliwościach modyfikacji struktury betonów wysokowartościowych przy użyciu tych dodatków i domieszek [30].
Efektywność działania superplastyfikatora zależy od wielu czynników takich, jak dawka domieszki,
jej rodzaj i moment dozowania, poziom wskaźnika wodno−cementowego, rodzaj i skład chemiczny cementu, dawka pyłu krzemionkowego, itd. Zatem ze względu na złożoność i szereg wzajemnych oddziaływań wyżej wymienionych czynników konieczne jest doświadczalne sprawdzenie, w konkretnych warunkach, wpływu domieszki upłynniającej na właściwości reologiczne mieszanki betonowej BWW [65].
Problematyka ta zostanie przybliżona w dalszej części tego rozdziału.
Alma Mater
3
4.2 Charakterystyka i podział plastyfikatorów i superplastyfikatorów
Domieszki do betonów można podzielić na kategorie według:
• mechanizmu ich oddziaływania na główne składniki betonu,
• składu chemicznego,
• podstawowego efektu technologicznego uzyskiwanego wskutek zastosowania odpowiedniej domieszki.
Z punktu widzenia praktyki budowlanej najbardziej istotne są efekty technologiczne, więc stanowią
one podstawę klasyfikacji w normatywach. Jako kryterium zaliczania domieszki do danego rodzaju,
przyjmuje się spełnianie przez nią wymagań dotyczących podstawowego efektu działania na mieszankę
betonową i/lub stwardniały beton. W przypadku gdy domieszka modyfikuje wyraźnie więcej niż jedną
cechę betonu, zalicza się ją do domieszek dwufunkcyjnych (kompleksowych) [44].
Pierwszą normą dotyczącą domieszek ustanowioną w Polsce była PN−85/B−23010 „Domieszki do
betonu. Klasyfikacja i określenia”. Przyjęto w niej układ klasyfikacyjny obejmujący ok. 20 grup domieszek. Interesujące nas domieszki modyfikujące właściwości reologiczne mieszanki betonowej oraz zawartość w niej powietrza ujęto w jednej grupie podzielonej na:
• domieszki uplastyczniające i upłynniające (superplastyfikatory),
• domieszki zagęszczające,
• domieszki zwiększające ilość wody.
W grupie tej w kręgu zainteresowań wynikającym z tematyki tego rozdziału znajdą się te pierwsze −
powodujące, w różnym stopniu uplastycznienie mieszanki betonowej oraz zaprawy. Są to substancje
chemiczne, zwłaszcza związki powierzchniowo czynne o działaniu hydrofilowym, a także inne związki wielkocząsteczkowe, wywierające działanie dyspergujące, smarne lub zmniejszające napięcie powierzchniowe wody. Głównym celem ich użycia jest: zwiększenie ciekłości mieszanki betonowej lub zaprawy, bez zmiany składu (W/C = const.), lub zwiększenie wytrzymałości betonu (efekt redukcji wskaźnika W/C przy zachowaniu konsystencji wyjściowej), czy wreszcie niższe zużycie cementu bez
uszczerbku dla wytrzymałości i urabialności mieszanki betonowej (z jednoczesną redukcją ilości wody
zarobowej) [56].
Odrębną kategorię stanowią domieszki kompleksowe uplastyczniające lub upłynniające
− przyspieszające. Te z kolei mają na celu zwiększenie ciekłości mieszanki betonowej w takim stopniu,
jaki uzyskuje się w przypadku domieszek uplastyczniających czy upłynniających, lecz bez negatywnego
wpływu na wytrzymałość betonu. Drugą możliwością jaką dają te domieszki jest zwiększenie wytrzymałości, zwłaszcza początkowej, betonu w stopniu większym niż uzyskuje się stosując domieszki uplastyczniające (przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości wody zarobowej w betonie, przy zachowaniu
jednakowej konsystencji mieszanki betonowej) [57].
Ogólna klasyfikacja oraz definicje wszystkich obecnie istniejących rodzajów domieszek w Europie
zostają aktualnie kodyfikowane w normie EN 934 „Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu”. Część
pierwsza jest w stadium projektu, a część druga zostanie w najbliższej przyszłości przyjęta i wdrożona. W
odróżnieniu od Polskiej Normy, koncentruje się na kilku zaledwie, najpowszechniej używanych, rodzajach domieszek do betonu, podobnie jak czynią to Amerykanie w normach ATSM [44].
Wracając do kręgu zagadnień związanych z systematyką dodatków uplastyczniających
i upłynniających spróbowano odpowiedzieć sobie na pytanie: gdzie przebiega granica podziału między
plastyfikatorami i superplastyfikatorami? Otóż superplastyfikatory zwiększają ciekłość mieszanki betonowej w znacznie większym stopniu, niż zwykłe domieszki uplastyczniające lub alternatywnie: umożliwiają zdecydowanie większe zmniejszenie ilości wody zarobowej w mieszance, co w konsekwencji powoduje wyraźnie większy wzrost wytrzymałości betonu. To właśnie wielkość tych głównych efektów
oddziaływania stanowi kryterium, na podstawie którego daną domieszkę zalicza się do plastyfikatorów
lub upłynniaczy. Należałby sprecyzować podstawy, na których opiera się wyżej wymienione rozgraniczenie. Dla szerszego ujęcia zagadnienia posłużę się danymi zawartymi w Polskiej Normie
PN−90/B−06243 „Domieszki do betonu. Domieszki uplastyczniające i upłynniające. Wymagania i badanie efektów oddziaływania na beton” oraz propozycjami wspomnianego już projektu normy
EN 934-2:1994. Pamiętać należy, że efekty oddziaływania domieszki wykorzystywanej w celu upłynnienia (uplastycznienia) mieszanki betonowej ocenia się porównując właściwości betonu zawierającego badany produkt oraz betonu kontrolnego, wykonanych z mieszanek o jednakowym W/C. Jeśli z kolei domieszka ma być wykorzystywana w celu zwiększenia wytrzymałości betonu, jej oddziaływanie ocenia się
Alma Mater
4
przez porównanie właściwości betonu zawierającego badany produkt oraz betonu kontrolnego, wykonanych z mieszanek o jednakowej konsystencji, co oznacza zmniejszoną ilość wody zarobowej w mieszance
z domieszką. Zaznaczyć należy, że w EN przewidziano stosowanie plastyfikatorów tylko w celu zwiększenia wytrzymałości betonu [44].
Podejście do sklasyfikowania omawianych domieszek jest jednak bardzo zróżnicowane, czego najlepszym przykładem są normatywy niemieckie. Dla plastyfikatora BV (Betonver−flüssiger) kryterium badania stanowi warunek: koniec wiązania zaczynu cementowego przy podwojonym maksymalnym dozowaniu domieszki powinien nastąpić w czasie krótszym, niż 16 godzin. Badanie przeprowadza się na 16 cementach. Tak ustawione kryterium powoduje, że poziom dozowania plastyfikatorów jest niewielki i leży
w granicach 0,2÷0,5% w stosunku do masy cementu. Natomiast w przypadku superplastyfikatora FM
(Fliessmittel) Niemcy badają efekt jego działania mierząc zmiany w średnicy rozpływu stożka, która powinna się zwiększyć o minimum 8 cm, po dodaniu domieszki. W efekcie jedna domieszka może mieć
jednocześnie obydwa niemieckie dopuszczenia na rynek, tak jako plastyfikator, jak i superplastyfikator,
np. Addiment BV6/FM6, czy inny produkt tego producenta BVF/FMF.
Biorąc pod uwagę kłopoty z jednoznacznym rozstrzygnięciem specyfikacji parametrów technologicznych plastyfikatorów wiele krajów nie wprowadziło tego podziału środków plastyfikujących, lub przyjęło
inne kryteria oceny [76]. W dotychczasowych rozważaniach ujęcie klasyfikacyjne było przyporządkowane efektowi technologicznemu uzyskiwanemu wskutek zastosowania odpowiedniej domieszki.
Spójrzmy teraz na domieszki uplastyczniające i upłynniające przez pryzmat ich budowy i składu chemicznego. Zgodnie z powyższym plastyfikatory można uszeregować w sposób następujący: [44,76]
a) Sole kwasów lignosulfonowych (lignosulfoniany wapniowe, potasowe, sodowe) np. Klutan A, Klutan
P, Addiment BV1, Addiment BV3. Związki lignosulfonowe powstają jako produkt uboczny przy produkcji celulozy z drewna metodą siarczynową. Nawiasem mówiąc to właśnie te związki w latach
30−tych dały początek stosowaniu jakichkolwiek domieszek do betonów. Problemem są tu cukry
znajdujące się w wywarze posiarczynowym, w ilości do 30% w przeliczeniu na substancje stałe podczas, gdy domieszka tego typu nie powinna zawierać więcej niż 12% cukrów. Wywar przeznaczony
do produkcji domieszki zostaje więc poddany odcukrzeniu [43]. Nieoczyszczony surowiec opóźnia w
dużym stopniu, reaguje zmiennie i powoduje osiadanie grubej warstwy szlamu, nie daje powtarzalnych wyników, co go dyskwalifikuje [76]. Lignosulfoniany wprowadzają zwykle małe ilości powietrza (2−3%) i wykazują także działanie opóźniające. Opóźnienie wiązania wzrasta znacznie,
gdy dodatek plastyfikatora jest zbyt duży [34]. Opóźniający wpływ na początek wiązania zachodzi w
sytuacji, gdy nie zmniejszamy ilości wody zarobowej. Natomiast, gdy redukujemy ilość wody mając
na celu podniesienie wytrzymałości − proces wiązania ulega przyspieszeniu (np. w przypadku Klutenu
P. o około godzinę) [44].
b) Sole kwasów hydroksykarboksylowych (Ca, Na, trietanoloaminy) np. kwas glikonowy. Związki z
tej grupy nie wykazują działania napowietrzającego, także opóźniają wiązanie, co również znacznie
wzrasta w przypadku zbyt dużych dawek domieszki. Do domieszek grupy a) i b) wprowadza się dodatki modyfikujące ich działanie, a mianowicie zwiększające wpływ napowietrzający lub przyspieszający wiązanie [34].
Alma Mater
Porównanie podstawowych wymagań PN−90/B−06243 i prEN 934-2:1994
dla domieszek uplastyczniających i upłynniających stosowanych
w celu zwiększenia ciekłości mieszanki betonowej [44]
Wyszczególnienie
Wymagania wg
PN−90/B−06243
prEN 934−2:1994
DOMIESZKI UPLASTYCZNIAJĄCE
5
Tablica 4.1
Zwiększanie
(poprawa)
cie−kłości mieszanki betonowej z
domieszką; zmiana konsystencji mieszanki o składzie wzorco- ≥ 70 mm
wym z wartości , stożka opadowego 30±10 mm do wartości
Zmniejszenie ciekłości mieszanki betonowej z domieszką (w
funkcji czasu) − zmiana konsystencji po upływie 30 min od
wprowadzenia domieszki
nie więcej niż o 60% w porównaniu z konsystencją tej
samej mieszanki, zmierzoną
po 10 min od wprowadzenia
domieszki
norma nie określa wymagań dla
domieszek uplastyczniających
stosowanych w celu zwiększenia
ciekłości mieszanki betonowej
Zawartość powietrza w mieszance
nie większa niż 2%
betonowej z domieszką
Wytrzymałość na ściskanie betonu z domieszką w porównaniu z ≥ 90%
betonem kontrolnym2) po 28
dniach
DOMIESZKI UPŁYNNIAJĄCE
Zwiększanie (poprawa) ciekłości mieszanki betonowej
z domieszką − zmiana konsystencji mieszanki o składzie wzorco- ≥ 150 mm
wym1) z wartości stożka opadowego 30±10 mm do wartości
Zmniejszenie ciekłości mieszanki betonowej z domieszką (w
funkcji czasu) − zmiana konsystencji po upływie 30 min od
wprowadzenia domieszki
nie więcej niż o 60% w po- do wartości nie mniejszej niż
równaniu z konsystencją tej wartość wyjściowej konsystensamej mieszanki, zmierzoną cji mieszanki kontrolnej
po 10 min od wprowadzenia
domieszki
Zawartość powietrza w mieszance
nie większa niż 2%
betonowej z domieszką
Wytrzymałość na ściskanie betonu z domieszką w porównaniu z ≥ 90%
betonem kontrolnym2) po 28
dniach [%]
1)
2)
≥ 150 mm
wzrost nie większy niż o 2% w
porównaniu z mieszanką kontrolną
≥ 90%
skład betonów wzorcowych wg PN−90/B−06040 i prEN 480−1:1994,
beton z domieszką i beton kontrolny wykonuje się z mieszanek o jednakowym W/C.
Alma Mater
Porównanie podstawowych wymagań PN−90/B−06243 i prEN 934-2:1994
dla domieszek uplastyczniających i upłynniających stosowanych
w celu zwiększenia wytrzymałości betonu [44]
Wyszczególnienie
Wymagania wg
PN−90/B−06243
prEN 934−2:1994
DOMIESZKI UPLASTYCZNIAJĄCE
Zmniejszanie ilości wody zarobowej w mieszance z domieszką ≥ 8%
w porównaniu z mieszanką kontrolną1)
Zawartość powietrza w mieszance nie większa niż 2%
z domieszką2)
Wytrzymałość na ściskanie betonu z domieszką w porównaniu z
betonem kontrolnym:
• po 1 dniu
≥ 115%
nie określa się
• po 7 dniach
≥ 105%
• po 28 dniach
6
Tablica 4.2
≥ 5%
wzrost nie większy niż 2%
w porównaniu z mieszanką kontrolną
nie określa się
≥ 110%
≥ 110%
DOMIESZKI UPŁYNNIAJĄCE
Zmniejszanie ilości wody zarobowej w mieszance z domieszką ≥ 16%
w porównaniu z mieszanką kontrolną1) o
Zawartość powietrza w mieszance nie większa niż 2%
z domieszką2)
Wytrzymałość na ściskanie betonu z domieszką w porównaniu z
betonem kontrolnym:
• po 1 dniu
≥ 135%
• po 28 dniach
≥ 115%
1)
2)
≥ 12%
wzrost nie większy niż 2%
w porównaniu z mieszanką kontrolną
≥ 140%
≥ 115%
Beton z domieszką i beton kontrolny wykonuje się z mieszanek o jednakowej konsystencji,
Wymaganie jest podane jako podstawowe tylko w prEN 934−2:1994.
c) Związki karbominowe
d) Polimery hydroksylowe (np. ze skrobi)
e) nonylofenyle oksyetylowane
Superplastyfikatory dzielą się na:
a) Sulfonowany kondensat melaminowo−formaldehydowy (SMF) np. Addiment FMF i FM1, Sikament FF; związek ten buduje także domieszkę kompleksową SKP-26 [44]. Są to syntetycznie wyprodukowane polimery z żywicy melaminowej. Osiągają pełną skuteczność dopiero przy wyższym dozowaniu. Nie zauważa się ubocznych działań typu napowietrzającego, czy opóźniającego. Produkty te
nadają się najlepiej do wyrównania wahań jakości betonu występujących z powodu zmiennych właściwości technologicznych piasku (niejednolitość uziarnienia, zmienne zawilgocenie) [76]. Uważa się,
że szybkość utraty płynności maleje ze wzrostem stężenia superplastyfikatora, a jednak beton z superplastyfikatorem SMF mimo wysokiego poziomu dozowania, bardzo szybko traci płynność utrzymując
urabialność na stałym poziomie przez zaledwie 15 minut. Nawet przy wielokrotnym dozowaniu
wzrost lepkości jest tu najintensywniejszy, lecz zagadnienie to zostanie omówione szerzej w punkcie
4.5 [44]. Upłynniacze tej grupy nadają betonowi pewnej kleistości, działając stabilizująco, a w połączeniu z domieszkami napowietrzającymi zapewniają utrzymanie porów powietrznych w betonie
[76].
b) Sulfonowany kondensat naftalenowo-formaldehydowy (SNF) np. Addiment FM9, Sikament NN,
Betoplast 1, Betoplast 6. Sulfonaty naftalenowe są to, podobnie jak żywice melaminowe, polimery
Alma Mater
7
wyprodukowane syntetycznie z naftalenu (produkt przeróbki węgla i ropy naftowej). Związki te już w
niewielkich ilościach działają plastyfikująco na beton. Naftaleny działają skutecznie przy wysokiej
zawartości środków wiążących, przy zastosowaniu drobnego piasku, lub przy wysokim udziale w kruszywie miałkich frakcji [76]. Superplastyfikatory na bazie naftalenu są efektywniejsze w dyspergowaniu cementu i mają pewne właściwości opóźniające [39]. Upłynniacze naftalenowe SNF okazują się
także skuteczniejsze w oddziaływaniu na właściwości reologiczne mieszanki betonowej (granicę płynięcia i lepkość pozorną) w stosunku do upłynniaczy melaminowych SMF. Różnica ta jest tym większa, im bardziej jest opóźnione dozowanie superplastyfikatora [65].
c) Mieszaniny sulfonatów melaminowo-naftalenowych np. Addiment FM6. Ponieważ dla uzyskania
betonu ciekłego dozowanie preparatów melaminowych jest stosunkowo wysokie, kombinacja melaminowo-naftalenowa daje ten sam efekt przy o połowę niższym dozowaniu. Efekt działania superplastyfikatora zanika w czasie najszybciej dla preparatów melaminowych (ok. 20 min), najwolniej dla
preparatów naftalenowych (ok. 60 min). Mieszaniny tych dwóch związków dają efekt dokładnie wypośrodkowany [76].
d) Modyfikowane sole kwasów lignosulfonowych
e) Inne: polimery o nie zbadanych szerzej właściwościach, których charakterystykę podają tylko wytwórcy, np. wielkopierścieniowe sulfoniany, kwasy alkiloarylosulfonowe, sulfonowane polistyreny
i inne [34].
Domieszki uplastyczniające i upłynniające można wreszcie uszeregować z punktu widzenia mechanizmu ich oddziaływania na główne składniki betonu, o czym dokładnie mowa będzie już w następnym
punkcie podczas omawiania idei działania tych domieszek.
4.3 Idea działania domieszek plastyfikujących i upłynniających
Domieszki takie są wytwarzane z różnych substancji chemicznych, wywierających działanie dyspergujące, smarne i zmniejszających napięcie powierzchniowe wody, powodujących utrzymanie się w mieszance betonowej początkowo znacznych ilości wolnej wody na skutek opóźnienia tworzenia się etryngitu i/lub zmniejszenie ilości wody utrzymywanej w otoczkach solwatacyjnych wokół ziaren cementu
i pyłów (cząstek wielkości do 0.125 mm). Powstający z opóźnieniem etryngit wiąże znaczne ilości wody
i konsystencja mieszanki betonowej stopniowo zwiększa się (mieszanka gęstnieje). Zanim to nastąpi zwiększa się ciekłość oraz urabialność zaprawy, lub mieszanki betonowej [44].
W tym miejscu należałoby zaprezentować mechanizmy oddziaływań zachodzących podczas uaktywniania się domieszek plastyfikujących i upłynniających.
4.3.1 Działanie dyspergujące
W grupie domieszek uplastyczniających i upłynniających występują także związki organiczne charakteryzujące się wyłącznie działaniem dyspergującym i nie będące związkami powierzchniowo czynnymi.
Takie domieszki zwiększają ciekłość mieszanki betonowej, natomiast nie mają działania napowietrzającego i zwilżającego. Są to np. sole kwasów hydroksykarboksylowych, sulfonaty melaminowe, czy sulfonaty naftalinowe [44].
Mechanizm oddziaływania tych związków na właściwości świeżej zaprawy oraz mieszanki betonowej
polega na adsorpcji cząsteczek upłynniaczy na powierzchni ziarn cementu i cząstek pyłu, co neutralizuje
ładunki powierzchniowe i wywołuje siły odpychania pomiędzy ziarenkami cementu. Zaadsorbowane cząsteczki o charakterze anionowym nadają powierzchniom ładunek ujemny. Na pograniczu faz, to jest wokół ziarn cementu i cząstek pyłów, tworzy się podwójna warstwa elektryczna, tzw. warstwa Helmholza-Sterna i potencjał elektrokinetyczny dzeta. W wyniku powstawania znacznych sił odpychających, następuje rozpad aglomeratów cząstek cementu na drobniejsze fragmenty. Powietrze i woda zamknięte
w tych aglomeratach zostają uwolnione, co schematycznie zaprezentowano na rysunku 4.2.
Stopień dyspersji cementu w wodzie zwiększa się, co powoduje znaczny wzrost ciekłości mieszanki
betonowej lub zaprawy i poprawę jej urabialności [34,44]. Rodzaj superplastyfikatora ma naturalnie
wpływ na adsorbcję, natomiast wraz ze wzrostem dawki domieszki maleje potencjał elektrokinetyczny.
Łatwo powstają wokół ziarn cementu otoczki wody. Ponadto cząsteczki superplastyfikatora przeciwdziałają adhezji cząstek cementu, w wyniku czego uzyskuje się znaczną deflokulację (tj. rozsegregowanie)
Alma Mater
8
zawiesiny. Działanie deflokulacyjne jest zróżnicowane dla różnych frakcji ziarnowych, a uwidacznia się
szczególnie wyraźnie dla ziarn grubszych.
Rys. 4.2 Schemat działania dyspergującego: [44]
a − cząsteczka cementu (aglomerat), b − woda uwolniona
Zwróćmy jeszcze uwagę na wyraźnie zarysowaną różnicę w wielkości i charakterze adsorpcji między
omawianymi superplastyfikatorami naftalenowymi i melaminowymi, a związkami powierzchniowo
czynnymi − zwłaszcza lignosulfonianami. Otóż plastyfikatory powodują zmniejszenie napięcia powierzchniowego na granicy faz ciecz - powietrze, czego jednym z efektów jest umiarkowane napowietrzenie mieszanki betonowej. Superplastyfikatory prawie nie zmniejszają napięcia powierzchniowego,
natomiast znacznie zmniejszają energię międzyfazową na granicy ciało stałe - ciecz, w efekcie czego
praktycznie brak będzie jakiegokolwiek napowietrzenia mieszanki betonowej, przy jednocześnie intensywnym działaniu dyspergującym tych domieszek. Zwiększenie zaś liczby cząsteczek cementu przyspiesza jego hydratację [34].
4.3.2
Działanie zmniejszające napięcie powierzchniowe wody
Istnieje wyraźna zależność między właściwościami poszczególnych związków powierzchniowo czynnych, a ich oddziaływaniem na cechy mieszanki betonowej oraz betonu. Związki te odznaczają się w różnym stopniu zdolnością zmniejszania napięcia powierzchniowego wody i poprawy jej zdolności do zwilżania oraz działania dyspergującego, co powoduje w konsekwencji zróżnicowany wzrost ciekłości mieszanki betonowej. Zmniejszanie napięcia powierzchniowego wody jest związane z dipolową budową cząsteczek substancji powierzchniowo czynnych. Większość z nich jest wydłużona asymetrycznie:
na przeciwległych końcach ma biegun dodatni i ujemny, czemu towarzyszy stały moment dipolowy. Jedną część cząsteczki stanowi zwykle naładowana dodatnio hydrofobowa grupa węglowodorowa, drugą:
naładowana ujemnie grupa hydrofilowa. Związki powierzchniowo czynne, które w środowisku wodnym
przyłączają koordynacyjne cząsteczki wody nazywa się hydrofilowymi, a te które cząsteczki wody odpychają − hydrofobowymi [44].
W roztworze wodnym cząsteczki te ustawiają się na granicy faz woda − powietrze, prostopadle do
powierzchni granicznej, orientując się częścią hydrofilową do wody, a częścią hydrofobową, odpychaną
przez wodę, na zewnątrz tzn. w kierunku powietrza. W konsekwencji czego na powierzchni wody tworzy
się warstwa adsorpcyjna, często jednocząsteczkowa. Jest ona mniej, lub bardziej szczelna, zależnie od
stężenia związku powierzchniowo czynnego w wodzie. Tworzenie się zorientowanych warstw adsorpcyjnych stanowi warunek zmniejszenia napięcia powierzchniowego na granicy faz w wyniku działania sił
międzycząsteczkowych (tzw. sił Van der Waalsa). Wynikiem tego jest właśnie poprawa ciekłości zaprawy lub mieszanki betonowej, uzyskiwana przez zmniejszenie sił oddziaływania między cząsteczkami wody w warstwie granicznej stykających się z powierzchnią stałych cząsteczek cementu
i pyłów, na których został zaadsorbowany związek powierzchniowo czynny domieszki.
W zależności od zdolności do dysocjacji elektrolitycznej w roztworach wodnych, substancje powierzchniowo
czynne
dzielimy
na
jonowe
i niejonowe.
Jeśli w
wyniku
dysocjacji cząsteczki hydrofobowy łańcuch stanowi anion (reszta węglowodorowa), wówczas substancja jest
czynna anionowo, jeśli zaś kation − jest czynna kationowo [44]. W wyniku wprowadzenia do zaczynu
niejonowych domieszek powierzchniowo czynnych, ziarna cementu nabierają właściwości hydrofilowych, analogicznie jak w obecności związków anionowo czynnych. Nie wpływa to więc na
przebieg hydratacji. Także zmiany właściwości stwardniałego betonu przy użyciu związków niejonowych
są bardzo zbliżone do wpływu związków anionowo czynnych. Zbyt duży dodatek związku powierzchJ.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami
Alma Mater
9
niowo czynnego nie pociąga za sobą tak negatywnych skutków, jak w przypadku środków napowietrzających.
4.3.3 Działanie smarne
Uplastycznienie mieszanki może być także spowodowane działaniem smarnym warstewek domieszki zaadsorbowanej na ziarnach cementu i kruszywa. Wytwarzający się poślizg między cząsteczkami powoduje zmniejszenie tarcia wewnętrznego w mieszance betonowej. Schematycznie zobrazowane to
zostaje poniżej [44].
Rys. 4.3 Schemat działania smarnego [44]
4.4 Funkcje domieszek uplastyczniających i upłynniających
4.4.1
Zmiana konsystencji mieszanki betonowej przy stałym W/C
Istnieją trzy możliwości uzyskania z betonu o konsystencji gęstoplastycznej, wymagającego do właściwego zagęszczenia wibracji, betonu miękkiego, łatwo przerabialnego, o konsystencji półciekłej. Jest
to:
• zwiększenie ilości zaczynu cementowego,
• zastosowanie plastyfikatora,
• zastosowanie superplastyfikatora (możliwość upłynnienia mieszanki).
Zwróćmy uwagę na pierwszą z możliwości. Aby zmienić konsystencję betonu i poprawić jego płynność, mierzoną średnicą rozpływu stożka o ok. 1 cm, potrzeba dodatkowo wprowadzić do betonu 1.5 do 2
litrów wody. Beton o konsystencji półciekłej potrzebowałby od 10 do 13 litrów wody więcej, niż beton
plastyczny. Dla wyrównania straty wytrzymałości konieczne jest wprowadzenie do betonu dodatkowo 20
kg cementu (inna możliwość to wprowadzenie dodatkowo popiołów lotnych) [76].
Taka droga, chociaż pozornie atrakcyjna dla użytkownika wykazuje pewne niebezpieczeństwa: [76]
• beton o podwyższonej zawartości cementu będzie wykazywał skłonności do segregacji składników i wydzielania wody; trwałość betonu, odporność na agresję chemiczną i ochrona korozyjną
zbrojenia pozostaje praktycznie bez zmian,
• zmiana ta wyraźnie negatywnie odbija się na wielkości skurczu (wzrost skurczu nawet o 25%),
• pojawienie się niebezpieczeństwa wystąpienia rys temperaturowych,
• obniżenie ścieralności, itp.
Biorąc pod uwagę powyższe mankamenty wynikające ze zwiększenia ilości tak wody, jak i cementu w
kręgu zainteresowań. jeśli chodzi o zmianę konsystencji mieszanki betonowej, pozostaje użycie plastyfikatorów i superplastyfikatorów. Ich działanie, ponieważ jest uzależnione od znacznej ilości czynników
zewnętrznych, zostanie tutaj przybliżone w odniesieniu do konkretnych produktów, zastosowanych w
określonych warunkach. Natomiast pewne prawidłowości zachodzące podczas stosowania plastyfikatorów i superplastyfikatorów np. wpływ rodzaju i ilości cementu na działanie domieszek, czy też wpływ
momentu i sposobu dozowania na właściwości reologiczne mieszanek betonowych, zostaną tutaj zasygnalizowane, a szczegółowo omówione w dalszej części tego rozdziału pracy.
Zaczynając od domieszek uplastyczniających − na przykład lignosulfoniany: Addiment BV3 i BVT
poprawiają ciekłość i urabialność mieszanki bez zmiany jej składu, także zmniejszają co ważne jej podatność na segregację. Stwardniały beton ma wówczas bardziej jednorodną i szczelną strukturę. Wobec czego np. dla mieszanki betonowej, gdzie W/C=0.59, przy użyciu cementu portlandzkiego CP35 w ilości
Alma Mater
10
300 kg/m3 i dawce domieszek rzędu 0.2% wagi cementu, udało się zwiększyć opad stożka z 8.5 cm (beton kontrolny) do 14.5 cm uzyskując mieszankę ciekłą [44].
W przypadku zastosowania krajowego plastyfikatora np. Klutanu P bez zmniejszania ilości wody zarobowej, powoduje się silne uplastycznienie mieszanki betonowej o jeden, a nawet o dwa stopnie konsystencji. Efekt uplastyczniający zwiększa się wraz ze wzrostem ilości domieszki, naturalnie w określonych
granicach. Dla wskaźnika W/C=0.53 poziom opadu stożka zmienił się odpowiednio z 1.5 cm (beton kontrolny) do 5.5 cm − 5% Klutanu P. oraz do 8.5 cm przy dawce domieszki rzędu 0.9%. Wytrzymałość betonu wykonanego z mieszanek o zwiększonej ciekłości praktycznie nie zmniejsza się w porównaniu z
betonem kontrolnym: spadek R28 nie przekracza 5%, czyli jest mniejszy niż wartość dopuszczalna Polską
Normą. Co ciekawe, dawka 0.7% Klutanu P. w celu zwiększenia płynności przy stałym W/C, podnosiła
wytrzymałość betonu, zwłaszcza wczesną (1−dniową) nawet o 15% [43,44]. Dodać należy także, że zaczyny cementowe wykonywane przy opóźnionym dozowaniu domieszki, charakteryzowały się większą
ciekłością niż te, w których domieszka stosowana była razem z wodą zarobową [43].
Omawiając wpływ plastyfikatorów na urabialność betonów zwrócono uwagę na to, iż maleje ona
zwykle z temperaturą, lecz w przypadku użycia domieszki może się różnie kształtować. Są plastyfikatory,
przy których udziale beton nie wykazuje zmian urabialności ze wzrostem temperatury (np. sole sodowe
kwasów karboksylowych poliakryloarylowych). Po modyfikacji ich składu można nawet uzyskać plastyfikator powodujący wzrost urabialności betonu ze wzrostem temperatury [34].
Przejdźmy teraz do wpływu superplastyfikatorów. Są one domieszkami o znacznie silniejszym działaniu od plastyfikatorów zwykłych, przy czym działanie to jest bardziej ograniczone w czasie (z wyjątkiem
superplastyfikatorów o działaniu opóźniającym). Za przykład ilustrujący te prawidłowości niech posłużą
produkty firmy „Sika Chemie”. Rysunek 4.4 obrazuje przykładowe działanie plastyfikatora Plastiment 40
i superplastyfikatorów Sikament (uwaga: Sikament 10 jest właśnie upłynniaczem o charakterze opóźniającym) [21].
Rys. 4.4 Wpływ superplastyfikatorów i plastyfikatora na konsystencję mieszanki betonowej w czasie [21]
Dobre superplastyfikatory charakteryzują się natychmiastowością działania (pełny efekt już podczas
mieszania, a nie np. dopiero po zawibrowaniu mieszanki), możliwością dozowania w dowolnym momencie do mokrej mieszanki (np. dozowanie pierwotne i wtórne), ponadto nie powinny wpływać negatywnie
na skurcz i zawartość powietrza w betonie. Superplastyfikatory dają efekt samozagęszczenia się mieszanki i usuwania z niej nadmiaru powietrza, spełniają więc równocześnie funkcję domieszek zagęszczających [21].
Pierwszym superplastyfikatorem, którego wpływ na zmianę konsystencji mieszanki betonowej przybliżono, jest Betoplast 1. Wpływa on silnie dyspergująco, zmniejszając napięcie powierzchniowe wody
poprawia jej zdolności zwilżające. Zależność ilości Betoplastu 1 i skuteczności jego oddziaływania badaJ.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami
Alma Mater
11
no stosując beton kontrolny wykonany z cementu portlandzkiego marki 35 oraz kruszywa naturalnego o
uziarnieniu do 20 mm, przy zawartości cementu 300 kg/m3, W/C=0.53 i konsystencji mieszanki kontrolnej (wg Ve−Be) − 4s.
Zwróćmy uwagę jak kształtuje się konsystencja w zależności od ilości superplastyfikatora.
Rys. 4.5 Konsystencja mieszanki betonowej przy stałym W/C, zależnie od ilości Betoplastu 1 [44]
Zastosowanie Betoplastu 1 bez zmian podstawowego składu betonu powoduje silne uplastycznienie
mieszanki: dla 1% domieszki uzyskujemy konsystencję półciekłą (opad stożka: 7 cm), przy zawartości
1.5% − konsystencję ciekłą (opad stożka: 12 cm) i wreszcie dla 3% Betoplastu 1 nastąpił całkowity rozpływ mieszanki (25 cm opadu stożka ) [44]. Z kolei na podstawie doświadczeń z betonami zawierającymi
różne ilości cementu należy podkreślić, że upłynnienie wyraźnie zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości cementu. I tak np. mieszanka zawierająca 500 kg/m3 cementu zmieniła konsystencję z plastycznej na
płynną (25 cm opadu stożka) przy udziale 1.5% Betoplastu 1 dozowanego bezpośrednio do przygotowanej mieszanki betonowej [41,44]. Dodanie domieszki do gotowej mieszanki spowodowało większe jej
upłynnienie, niż w przypadku wprowadzenia wraz z wodą zarobową do suchej mieszanki. Skład mieszanki, która ma uzyskać konsystencję płynną, powinien zapewniać brak możliwości segregacji składników betonu. Można to uzyskać zwiększając nieco ilość piasku o 5% (o uziarnieniu do 2 mm) lub przez
łagodne napowietrzenie mieszanki (zwiększanie ilości powietrza: maksymalnie o 2% w stosunku do mieszanki wyjściowej). Czas utrzymywania się płynnej konsystencji oscyluje w granicach 30÷50 min. Duże
działanie uplastyczniające Betoplastu 1 zostało potwierdzone także w badaniach reologicznych zaczynów
cementowych. Granica płynności, lepkość plastyczna, energia upłynnienia tiksotropowego zaczynów cementowych z tą domieszką ulegają znacznemu zmniejszeniu [44].
Podobnie jak Betoplast 1 zachowuje się, stosowana w celu upłynnienia mieszanki betonowej, domieszka kompleksowa SKP−26 (upłynniająco−przyspieszająca). W tym przypadku użyto cementu portlandzkiego CP35 w ilości 350 kg/m3, wyjściowa konsystencja mieszanki betonowej jest plastyczna (3 cm
opadu stożka), a domieszki użyto w ilości 3% masy cementu. Charakteryzuje się ona bardzo dobrymi
właściwościami upłynniającymi − możliwa jest zmiana konsystencji mieszanki betonowej o 2−3 stopnie.
Użycie 3% SKP−26 zapewnia całkowity rozpływ mieszanki, przy czym czas utrzymywania się efektu
upłynnienia wynosi 45 minut. Efekty i czas oddziaływania domieszki SKP−26 na świeżą mieszankę betonową, nie zależą od rodzaju zastosowanego cementu (czystoklinkierowy, czy z dodatkiem żużla). Zastosowanie domieszki w celu znacznego upłynnienia nie powoduje zmniejszenia wytrzymałości, lecz jej
wzrost, zwłaszcza 1-dniowa wytrzymałość wynosi 130% w stosunku do wytrzymałości betonu kontrolnego (znacznie więcej, niż w przypadku Betoplastu 1 − jednak w różnych warunkach) [38].
Przejdźmy więc do porównania cech i działania obydwu domieszek, w tych samych warunkach i przy
identycznym dozowaniu. Składy mieszanek betonowych ustalono zakładając, że ich konsystencja bez
zastosowania dodatku, będzie odpowiadała opadowi stożka wynoszącemu 20 mm, a ilość cementu wyniesie 350 i 450 kg; dawka superplastyfikatora 2 i 3% masy cementu, W/C wahało się będzie w granicach
0.4÷0.7, natomiast punkt piaskowy wynosił będzie 25÷70%. Superplastyfikator dozowano po 15 min od
zmieszania cementu z wodą. Stopień upłynnienia mieszanki betonowej zależy od ilości i rodzaju superplastyfikatora, a także co ważne od ilości i składu mineralogicznego cementu oraz zawartości piasku [27].
Alma Mater
12
Przy ilości cementu 350 kg/m3 można zauważyć znaczący wpływ zawartości frakcji piaskowych na
upłynnienie.
Istotne jest to, że obydwa superplastyfikatory mniej upłynniają i krócej działają w miarę zwiększenia
punktu piaskowego. W mieszance betonowej o punkcie piaskowym 40% dodatek 3% zarówno Betoplastu
1, jak i SKP−26, powoduje upłynnienie mieszanki z 2 cm opadu stożka do ok. 20 cm, przy czym Betoplast 1 działa znacznie dłużej. 2% dodatku daje upłynnienie ok. 17 cm opadu stożka. Wyraźnie lepsze
działanie Betoplastu 1 zarysowuje się w mieszance betonowej o punkcie piaskowym (p. p.) = 55% − dodatek 3% upłynnia mieszankę do 200 mm opadu stożka, podczas gdy ta sama ilość SKP-26 do 170 mm
opadu stożka. Jeśli dodatek mieszanki wynosi 2% masy cementu, to opad stożka wynosi odpowiednio
180 mm i 120 mm dla Betoplastu 1 i SKP−26, czyli dla SKP−26 o 60 mm mniej. W mieszance betonowej
o p.p. 70% znaczące upłynnienie można uzyskać dodając 3% Betoplastu 1 (160 mm opadu stożka).
Znacznie większe jest upłynnienie mieszanek betonowych o zawartości cementu równej 450 kg/m3
[27].
Początkowe upłynnienie mieszanek o p.p. 40 i 50% w zasadzie nie zależy ani od rodzaju superplastyfikatora, ani od jego ilości. Opad stożka jest bardzo wysoki i wynosi od 240 do 260 mm. Większa ilość
dodatku wyraźnie przedłuża czas upłynnienia. W betonach o p.p. 70% zdecydowanie większe upłynnienie można uzyskać stosując 3% dodatku. We wszystkich wypadkach nieznacznie lepiej działa Betoplast 1. Interesujące jest, że mieszankę betonową o p.p. 25% wykonano tylko przy wyższej zawartości
cementu w 1m3 betonu, gdyż w wypadku użycia 350 kg cementu mieszanka miała za mało frakcji drobnych i niestety ulegała segregacji. Mieszanka betonowa o p.p. 25% w porównaniu z mieszankami o p.p.
40 i 55% daje mniejsze początkowe upłynnienie. Z krótkiego czasu upłynnienia można wywnioskować,
że w wypadku tego stosu okruchowego należałoby zastosować większą ilość cementu, by uzyskać efekt
upłynnienia podobny, jak w mieszance o p.p. 40% lub 55% [27].
Rys. 4.6 Wpływ superplastyfikatorów na zmianę konsystencji mieszanek betonowych o zawartości cementu 350
kg/m3 [27]
Alma Mater
13
Rys. 4.7 Wpływ superplastyfikatorów na zmianę konsystencji mieszanek betonowych o zawartości cementu 450
kg/m3 [27]
4.4.2
Obniżanie wartości W/C przy zachowaniu stałej konsystencji
Stosunek wodno−cementowy jest najważniejszym parametrem wpływającym na jakość betonu. Przytoczono kilka przykładów uzmysławiających jak znacząco można zmienić parametry betonu regulując
poziom W/C.
Zaobserwujmy jak duże są różnice właściwości betonów, których wskaźniki W/C różnią się o 0.15
wynosząc odpowiednio 0.40 i 0.55: [21]
a) wytrzymałość na ściskanie zmienia się o 20%
Rys. 4.8 Wpływ wskaźnika W/C na jakość betonu. Wykresy dla CP35 i CP45 [21]
b) różnica w wielkości skurczu wynosi 100%
Alma Mater
14
Rys. 4.9. Zależność skurczu liniowego od W/C oraz zawartości cementu w betonie [21]
c) porowatość kapilarna dla W/C = 0.4 jest niższa aż o 150% co uniemożliwia filtrację wody przez
beton
Rys. 4.10 Zależność porowatości kapilarnej betonu oraz współczynnika filtracji wody od wartości W/C [21]
Alma Mater
15
Gdy założymy, że celem będzie wysoka wytrzymałość betonu przy danej urabialności, wówczas:
• użycie konwencjonalnych domieszek redukujących wodę − plastyfikatorów pozwala zmniejszyć
jej ilość w granicach 8 − 18%,
• użycie superplastyfikatorów daje możliwości dwukrotnie wyższe, tzn. redukcja wody sięga 30 −
35% [39].
Przybliżono najpierw możliwości plastyfikatorów w tym zakresie, na przykładzie krajowej domieszki
Klutan P. Dodanie Klutanu P umożliwia uzyskanie mieszanki betonowej o założonej konsystencji przy
zmniejszonej ilości wody zarobowej o 10% przy domieszce rzędu 0.5%; 12% przy domieszce 0.7%, aż
do redukcji wody w granicach 15 − 18% przy 0.9% Klutanu P. Dane te uzyskano dla mieszanek zawierających 300 kg/m3 CP35, domieszkę wprowadzono wraz z wodą zarobową, a W/C zawierało się w przedziale od 0.53 dla mieszanki kontrolnej do 0.45 przy maksymalnej redukcji wody. Konsekwencją tego
jest wyraźny wzrost wytrzymałości − zwłaszcza początkowej betonu, odpowiednio: o około 30 − 65% po
1 dniu, 12 − 26% po 28 dniach twardnienia i wreszcie 16 − 21% po 90 dniach. Większy przyrost
Rs uzyskuje się przy większej zawartości domieszki (w określonych granicach) [38,43,44,47].
Znacznie efektywniejszym działaniem w omawianym zakresie charakteryzują się superplastyfikatory.
Zacznijmy od Betoplastu 1. Do wykonania mieszanki betonowej użyto w tym przypadku 300 kg/m3 cementu portlandzkiego CP35, konsystencja mieszanki kontrolnej (Ve−Be) − 4s, stosunek W/C mieszanki
kontrolnej wynosi 0.53 [44]. Poniżej zaprezentowano zależność ilości Betoplastu 1 i skuteczności jego
oddziaływania.
Rys. 4.11 Ilość wody zarobowej przy zachowaniu jednakowej konsystencji betonu zależnie od ilości Betoplastu 1
[44]
Jak widać dodanie 1% Betoplastu 1 umożliwiło zmniejszenie ilości wody zarobowej o około 12%,
1.5% domieszki − o około 17%, a przy 2.5% aż o 25%. Optymalne wyniki uzyskuje się przy zawartości
domieszki w granicach 1.5 − 2.5% [44]. Interesujące w tym miejscu wydają się być wyniki badań skuteczności Betoplastu 1, którymi objęto betony o jednakowej konsystencji. Domieszkę w ilości 1.5 % dozowano bezpośrednio do już przygotowanej mieszanki betonowej, zawierającej ilości cementu od 250 do
500 kg/m3. Rezultaty prezentuje tablica 4.3.
Dzięki zachowaniu stałej konsystencji i zredukowaniu udziału wody (wskaźnik W/C obniżył swą wartość o 14.7÷24%) wytrzymałość betonów zwiększyła się o 30÷35%. Jedynie w betonie o zawartości cementu 500 kg/m3 nastąpił wzrost wytrzymałości betonu z domieszką tylko o 20%. Wiąże się to niewątpliwie z dużą wytrzymałością betonu zawierającego tak dużą ilość cementu, jak również tak niskim W/C,
w efekcie czego cement nie uzyskuje dość wody i stopień jego hydratacji jest zapewne mniejszy [41,44].
Zwróćmy jeszcze uwagę na próby ze zwiększoną dawką Betoplastu 1 do 2%, które obejmować będą
beton zawierający 300 i 500 kg/m3 CP35. Wskaźniki W/C zmieniały się odpowiednio: przy niższej zawartości cementu z 0.53 do 0.4 i dla wyższej zawartości z 0.35 do 0.26. W jednym i drugim przypadku
na szczególne podkreślenie zasługuje kształtowanie się wczesnej wytrzymałości tj. po jednym dniu.
Alma Mater
16
Tablica 4.3
Właściwości mieszanek betonowych i wytrzymałość betonów zawierających
250−500 kg/m3 i 1.5% Betoplastu 1 na ściskanie w stosunku do masy cementu.
Betoplast 1 stosowany przy stałej konsystencji mieszanki betonowej [41]
Ilość
Woda zarobowa
cementu
w 1 m3
betonu [kg]
500
współc
z. W/C
zmniejszenie
W/C
0.35
0.27
0.40
0.31
0.45
0.35
0.50
0.40
0.55
0.46
0.60
0.51
−
24
−
22
−
21.0
−
20.0
−
17.0
−
14.7
450
400
350
300
250
Konsystencja Ve−Be Ilość
[s]
bez
z Beto- powietrza
domieszki plastem 1 w mieszance
betonowej [%]
7.0
3.0
−
6.8
4.1
−
5.0
3.0
−
4.7
4.6
−
3.4
3.4
−
3.7
4.6
−
3.2
3.4
−
4.4
4.6
−
5.6
3.4
−
4.4
4.8
−
8.0
3.2
−
8.2
6.2
−
Wytrzyma−
łość
betonu na ściskanie po 28
dniach
54.3
65.5
46.0
60.9
42.2
55.6
37.8
50.6
34.5
47.0
28.0
37.8
Niezależnie od ilości cementu, przy tym samym poziomie redukcji wody zarobowej (25÷26%) następuje podwyższenie wytrzymałości aż o 72÷74%! Beton z dodatkiem Betoplastu 1 ma także zdecydowanie
większą wytrzymałość niż beton kontrolny po dłuższym okresie dojrzewania, wyższą w przypadku większego udziału cementu: po 28 dniach wzrosty wytrzymałości wynoszą odpowiednio 32 i 42%, a po 90
dniach 21 i 30.5% na korzyść betonu z cementem CP35 w ilości 500 kg/m3, który to dawał gorsze
rezultaty w poprzednio przytoczonej próbie (z domieszką 1.5% Betoplastu 1) [41,44].
Gorsze rezultaty zanotowano badając działanie Betoplastu 1 na betonach z kruszywami o relatywnie
wysokich punktach piaskowych i nieco zawyżoną zawartością pyłów mineralnych w kruszywach
(5.3÷5.5%). Mieszanki betonowe zawierały od 300 do 378 kg/m3 cementu CP35 z dodatkami, który również miał niższe od wymaganych w PN−88/B−04300 wytrzymałości na ściskanie (o 14÷16%). Suma tych
warunków spowodowała, iż nie osiągnięto tak dużej efektywności Betoplastu 1. Udało się zmniejszyć
ilość wody zarobowej o 14÷20%, co pozwoliło zwiększyć wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach
o 20÷25%. Wszystko to przy użyciu 1.5% domieszki. Być może oprócz w/w okoliczności na taki stan
rzeczy wpłynęła zwiększona zawartość C3A lub/i zwiększona zawartość alkaliów, co może zmniejszyć
efektywność superplastyfikatorów. Wpływ ilości i rodzaju cementu zostanie później omówiony pod również tym kątem w punkcie 4.6 [16].
Poświęcono także nieco uwagi domieszkom dwufunkcyjnym: napowietrzającemu superplastyfikatorowi Betoplast N oraz domieszce upłynniająco−przyspieszającej SKP−26 [42].
Betoplast N stanowiąc wypadkową dwóch rodzajów domieszek pozwala zdyskontować zalety każdej z
nich stosowanych osobno tzn.
• zwiększenie mrozoodporności, czemu zwykle w przypadku domieszek napowietrzających towarzyszy spadek wytrzymałości na ściskanie do 15%,
• zwiększenie wytrzymałości betonu przy redukcji wody zarobowej, czemu zwykle w przypadku
superplastyfikatorów towarzyszy w zasadzie brak wpływu na mrozoodporność betonów.
W badaniach wykorzystano CP35 w ilości 300 kg/m3, kruszywo o p.p. = 35, a konsystencję utrzymywano na średnim poziomie ok. 6.3s wg. Ve−Be. Ze zwiększaniem ilości domieszki ilość powietrza w
mieszance jest w miarę stała (3.8÷4.2%), natomiast ilość wody stopniowo zmniejsza się od 10% przy dozowaniu 1%, do 27.5% przy dozowaniu 3% Betoplastu N.
Alma Mater
17
Rys. 4.12 Wpływ Betoplastu N na mieszankę betonową przy różnej ilości wody w mieszane: [42]
a − ilość powietrza w mieszance;
b − ilość wody w mieszance.
Rys. 4.13 Zależność wytrzymałości betonu od ilości Betoplastu N [42]
W zależności od dawki domieszki umożliwiającej odpowiednią redukcję wody zarobowej przy stałej
konsystencji − wytrzymałość na ściskanie (28 dniowa) wzrasta z 33.6 MPa do 50.4 MPa.
Druga ze wspomnianych wcześniej domieszek dwufunkcyjnych SKP-26 przy zmniejszeniu ilości wody zarobowej, dla zachowania przyjętej konsystencji, w znacznym stopniu przyspiesza wzrost początkowej wytrzymałości betonu oraz podwyższa wytrzymałość 28 dniową. W omawianej próbie do wykonania
betonu stosowano dwa rodzaje cementu w ilości 300 kg/m3: cement portlandzki czystoklinkierowy CP35
i cement portlandzki z dodatkami CP35 i D20h. Domieszka została zastosowana w ilości 3% masy cementu, z jednoczesnym zmniejszeniem ilości wody zarobowej o ok. 19%. Spowodowało to bardzo zdecydowany wzrost wytrzymałości na ściskanie, zwłaszcza w okresie początkowym, w porównaniu z betonem kontrolnym dojrzewającym w takich samych warunkach i badanym w tym samym czasie. Wytrzymałość 28−dniowa przy użyciu cementu CP35N zwiększyła się o 52%, a cementu z dodatkiem żużla
o 16%. Odwrotna reakcja zachodzi w przypadku wytrzymałości 1−dniowej na ściskanie: cement portJ.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami
Alma Mater
18
landzki CP35N daje 74% wzrostu, a cement z dodatkiem żużla podwyższa wytrzymałość prawie o 100%
(dokładnie 98%) [38].
Przejdźmy teraz do przedstawienia wpływu na właściwości mieszanki betonowej plastyfikatorów i
superplastyfikatorów produkowanych przez firmy Addiment i Sika. Badano kombinacje domieszek uplastyczniających i upłynniających z opóźniającymi wiązanie: Addiment BVT, Sika Retarder oraz napowietrzającymi: Addiment LPS−87. Uzyskiwano beton klasy B35 przy użyciu 460 kg/m3 cementu. Łączne
zastosowanie domieszek Addiment LPS−87 i FM6 pozwoliło zredukować ilość wody zarobowej o 17%
(W/C na poziomie 0.34), a zastępując upłynniacz FM6 plastyfikatorem BV3, udało się zredukować ilość
wody zarobowej w o połowę niższym stopniu − do 8.5% (W/C = 0.37), przy czym BV3 był dodany po
dwóch minutach. Dozowanie Addimentu FM6: 1.2%, a BV3 0.4%. Co ciekawe sam plastyfikator BV3
bez domieszki napowietrzającej daje identyczny efekt mimo, że Addiment LPS−87 użyty samodzielnie
także nieco redukuje ilość wody (o 2.1%). Wynik uzyskany przy pomocy 1.5% Betoplastu 1 to redukcja
wody o 6% [4].
Znając możliwości redukcji wody zarobowej przez omawiane domieszki zobaczmy jak wygląda wynikające z tego zwiększenie wytrzymałości na ściskanie. Najkorzystniejsze rezultaty uzyskano przy stosowaniu Addimentu BV3, chociaż redukował on ilość wody zarobowej tylko o 8.5%. Po 7 dniach podnosi on wytrzymałość o 31%, a po 28 dniach o 17%. Łączne stosowanie Addimentu LPS−87 i FM6, które
redukowało użycie wody o 17% tutaj podnosi wytrzymałość na ściskanie w nieco niższym stopniu, bo
po 7 dniach o 21%, a po 28 dniach o 13%. Mogło tu wprawdzie mieć wpływ napowietrzenie betonu obniżające nieco wytrzymałość, co jednak kłóci się z faktem, iż stosowanie samej tylko domieszki napowietrzającej w tych próbach podnosi R28 o 4%.
4.4.3
Obniżenie zawartości cementu
Możliwość redukcji ilości cementu przy zachowaniu podstawowych cech betonu, głównie jego wytrzymałości na ściskanie, stanowi kolejną, trzecią podstawową właściwość domieszek uplastyczniających
i upłynniających. Zawartość cementu w betonie redukuje się głównie ze względu na niebezpieczeństwo
wystąpienia zbyt dużego skurczu oraz mając na uwadze ekonomiczny aspekt zagadnienia: koszt cementu
i możliwość jego minimalizacji.
Badania [4] obejmowały tym razem dwa rodzaje cementu: CP35 i z dodatkami, z którymi zastosowano domieszki opóźniające: Addiment BVT, lub Sika Retarder, a po upływie godziny upłynniacze: Addiment FM6, lub Sikament FF. Sprawdzano w ten sposób receptury robocze dla wykonawcy, który wymagał opóźnienie wiązania cementu (ze względu na cykl: produkcja betonu − transport − wbudowanie betonu). Dla porównania użyto także Hydrozolu K (plastyfikator uszczelniający używany w kraju do wykonywania hydrotechnicznego betonu specjalnego), a także Betoplastu 1. Generalnie lepsze rezultaty uzyskano na cemencie „Kujawy”, a optymalnym układem zapewniającym przy obniżeniu ilości cementu
o 100 kg/m3 po 90 dniach praktycznie taką samą wytrzymałość, jak beton z większą ilością cementu
i krajową domieszką Hydrozol K (stanowiącą punkt odniesienia). Stało się tak za sprawą dodania Addimentu BVT (0.25%), a po jednej godzinie Addimentu FM6 (0.5%). W tym przypadku mimo obniżenia
ilości cementu o 20% wytrzymałości kształtują się następująco (w odniesieniu do domieszki z Hydrozolem K i wyższą zawartością cementu): po 3 dniach o 30% wyższa, po 8 dniach o 8% wyższa, po 90
dniach niższa o 3%. Przy redukcji cementu o 50 kg, lecz dla ciekłej konsystencji mieszanki betonowej
(poprzednio była półciekła), również dla kombinacji BVT/FM6, wytrzymałość wczesna była niższa, niż
przy większej redukcji cementu, lecz po 90 dniach wyższa o blisko 20%. Porównywano do krajowych
domieszek, które co prawda miały większe dawki (1.5%), lecz nie stosowano tu opóźniaczy. Miało to
duże znaczenie, gdyż jak wynika z tej samej publikacji gdy zaniechano stosowania domieszki opóźniającej w wytypowanej wcześniej optymalnej kombinacji (Addiment BVT/FM6 i obniżona zawartość cementu o kolejne 40 kg/m3) po 90 dniach otrzymujemy zaledwie 75% wytrzymałości mieszanki zawierającej
Addiment BVT w kombinacji z FM6 [4].
Analizowano takie możliwości redukcji cementu poprzez Betoplast 1. Domieszkę dozowano tutaj w
ilości 1.5% masy cementu łącznie z wodą zarobową. Mieszanki kontrolne zawierały odpowiednio 339
kg/m3 cementu CP35 z dodatkami (mieszanka 1°) lub 378 kg/m3 cementu (mieszanka 2°).
Ich wyjściowe parametry:
Alma Mater
19
• mieszanka 1°: W/C = 0.5, konsystencja (wg. Ve−Be) = 20s,
• mieszanka 2°: W/C = 0.43, konsystencja (wg. Ve−Be) = 22s.
Stosowany tutaj cement zawierał zwiększoną ilość C3A i alkaliów dając niższe od minimalnych wytrzymałości na ściskanie. W próbach tych stosując Betoplast 1 udało się uzyskać obniżenie zawartości
cementu w mieszance betonowej rzędu 10%, a nawet 15% nie powodując zmniejszenia wytrzymałości. A
zatem w odniesieniu do mieszanki 1° przy obniżeniu ilości cementu o 10%, ilości wody zarobowej o 18%
udało się uzyskać R28 wyższą o 10% od wytrzymałości mieszanki kontrolnej. Przy obniżeniu zaś ilości
cementu o 15%, a wody zarobowej o 22%, R28 zwiększyła się o 9%. Cały czas zachowywano stałą konsystencję. Mieszanka 2° z wyższą ilością cementu nie pozwoliła podnieść wytrzymałości przy obniżeniu
ilości wody i ilości cementu. I tak w tym przypadku obniżając ilość cementu o 10% i wody zarobowej
o 16% uzyskujemy wytrzymałość na poziomie wytrzymałości betonu kontrolnego, natomiast redukcja
cementu o 15%, a wody zarobowej o 20% obniżyła wytrzymałość w porównaniu z betonem kontrolnym o
niespełna 1%.
Jak widać możliwość zmniejszenia zużycia cementu o 15% przy stałej konsystencji, bez uszczerbku
dla wytrzymałości na ściskanie stanowi duży atut Betoplastu 1. Należy jednak podkreślić, że efektywność
działania tej domieszki zależy silnie od indywidualnych cech cementu i kruszywa, co warunkuje potrzebę
każdorazowego rozpoznania właściwości materiałów wyjściowych [16].
Inna krajowa domieszka − Upłynniacz SK−1 umożliwia zmniejszenie zawartości cementu o ok.
15÷20%, również przy zachowaniu założonej wytrzymałości betonu i konsystencji mieszanki. Uzyskiwana oszczędność spoiwa zależy od ilości domieszki (w dopuszczalnych granicach) i składu betonu.
Także o około 10% pozwala zaoszczędzić ilość cementu plastyfikator Klutan P, również bez pogorszenia urabialności (ciekłości) mieszanki betonowej i zmniejszenia wytrzymałości betonu [44].
4.5 Moment i sposób dozowania domieszek a właściwości reologiczne mieszanek
betonowych
W procesie dozowania środków wpływających na uplastycznienie lub upłynnienie mieszanki betonowej możemy je wprowadzić w różnym okresie:
a) dozowanie przed dodaniem wody, na kruszywa − daje ono najsłabsze działanie domieszki, ponieważ kruszywa i suchy cement trwale wiążą czynne składniki domieszki, których później brak w
mieszance betonowej,
b) dozowanie równocześnie z wodą,
c) dozowanie po dodaniu wody, do wymieszanej mieszanki betonowej [76].
Superplastyfikatory zachowują się bardzo podobnie do plastyfikatorów, jeśli są wprowadzone do mieszanki betonowej wraz z wodą zarobową. Dodane na końcu mieszania wywołują już większe upłynnienie,
natomiast ich wyższość nad środkami uplastyczniającymi uwidacznia się wtedy, gdy dodaje się je po
pewnym czasie od zakończenia mieszania betonu. Wprowadzone 30, 60, 120 minut po wykonaniu zaczynu wywołują lepkość 0.04÷0.16 Pa•s. Plastyfikatory nie poprawiają już w znaczniejszym stopniu płynności zaczynu, gdy doda się je po godzinie, a płynność jest nawet niższa od wzorca, gdy dodatek stosuje
się po dwóch godzinach od sporządzenia zaczynu [34].
Wydłużenie czasu utrzymywania się znacznej ciekłości mieszanki i większe działanie uplastyczniające
superplastyfikatora można uzyskać przez dodanie go już po 1÷2 minutach, po wstępnym wymieszaniu
suchych składników betonu z wodą [44].
Alma Mater
20
Rys. 4.14 Lepkość zaczynów cementowych (W/C=0.40), do których plastyfikatory wprowadzono:
a) do wody zarobowej, b) w różnych okresach po zarobieniu: 1 − żywica melaminowa, 2 − naftalenosulfonian
wapniowy, 3 − lignosulfonian sodowy + ester fosforowy, 4 − lignosulfonian sodowy + ślady naftalenu sulfonowanego, T − bez dodatku [34]
Na podstawie badań stwierdzono, że w przypadku dodania superplastyfikatora wraz z całą ilością wody zarobowej będzie się on adsorbował przede wszystkim na powierzchni nieuwodnionego C3A. Jeśli zaś
cement zetknie się wstępnie z wodą, część zawartego w nim gipsu i C3A przereaguje i ulegnie hydratacji,
a powstały etryngit upłynniacze adsorbują znacznie słabiej niż na C3A. Przez zmniejszenie się ilości nieuwodnionego glinianu trójwapniowego oraz gipsu więcej superplastyfikatora będzie wykorzystane do
upłynnienia mieszanki betonowej [27,44].
Oddziaływanie superplastyfikatora na beton ma jednak pewną wadę, a co najmniej niedogodność. W
porównaniu choćby z plastyfikatorami trwa bowiem znacznie krócej. Po upływie prawie 30 minut od
chwili dodania upłynniacza, mieszanka zaczyna stopniowo tracić znaczną ciekłość i po około 60÷90 minutach może wrócić do konsystencji wyjściowej, jak przed wprowadzeniem superplastyfikatora. W betonie z domieszkami uplastyczniającymi ciekłość mieszanki utrzymuje się znacznie dłużej [26,44]. Inne
źródła podają, iż proces utraty ciekłości jest jeszcze intensywniejszy. Przy dodatku lignosulfonianu urabialność betonu utrzymuje się praktycznie na stałym poziomie przez 30 minut, podczas gdy dla żywic
melaminowych i sulfonowanego naftalenu, wprowadzonych z wodą zarobową, zmniejszenie urabialności
występuje już po 15 minutach, a po 30 minutach osiąga znaczną wartość. W tym przypadku intensywność
tego zjawiska zmniejsza się, gdy superplastyfikator wprowadzimy na końcu mieszania, wówczas urabialność jest równa dla wielkości początkowej wzorca po 30 minutach, a większa od wzorca w tym samym
wieku po 60 minutach. Większa szybkość utraty płynności melamin w porównaniu z lignosulfonianami
występuje nawet wówczas, gdy są one wprowadzone w najkorzystniejszym momencie, to jest
pół godziny po wykonaniu mieszanki betonowej. Wobec tego proponuje się kilkakrotne dozowanie superplastyfikatora do mieszanki betonowej, gdy betonowanie ulega opóźnieniu. Prowadzi to
do odzyskania przez beton znacznej płynności [36]. Wielkość porcji przy tego typu dozowaniu, a także
odstępu między ich wprowadzaniem do mieszanki, zależą od składu mineralogicznego cementu, a także
od składu betonu oraz wartości W/C. Liczba takich porcji nie powinna być zbyt duża, gdyż wielokrotne
dozowanie może wywołać skutki negatywne, pogorszyć strukturę porowatości i zmniejszyć jego wytrzymałość [44].
Przyjrzyjmy się zmianom urabialności w czasie dla różnych upłynniaczy stosowanych z opóźnienim
oraz dozowanych kilkakrotnie porcjami, przedstawionym na rysunkach 4.15 i 4.16.
Alma Mater
21
Rys. 4.15 Zmiany urabialności zaprawy w zależności od czasu. Upłynniacz wprowadzony po 30 min. Rodzaje
upłynniaczy jak na rys 4.14 [34]
Wzrost lepkości żywicy melaminowej następuje najszybciej. W przypadku po raz trzeci wprowadzonej domieszki wiązanie nie rozpoczyna się jeszcze nawet po 54 godzinach. Drugi i trzeci z rzędu dodatek
lignosulfonianów także zmniejsza lepkość, jednak mieszanka gęstnieje praktycznie natychmiast. Metoda
kilkukrotnego dozowania jak widać wymaga jeszcze dalszych badań przed rozpoczęciem jej praktycznego wykorzystywania. Mechanizm tego zjawiska nie jest do końca wyjaśniony zwłaszcza, że żywice melaminowe praktycznie nie opóźniają wiązania.
Rys. 4.16 Zmiany urabialności w zależności od czasu. Kilkakrotnie dodawane upłynniacze (po 30, 60, 90 min).
Dodatki jak poprzednio [34]
Alma Mater
22
W celu ograniczenia negatywnego zjawiska szybkiego tężenia, przy kilkakrotnym dozowaniu superplastyfikatora proponuje się stosowanie opóźniaczy, lub specjalnych kompozycji superplastyfikatorów
[34].
Niektórzy producenci zalecając porcjowane dozowanie używają określeń: dozowanie pierwotne i
wtórne. Pierwotne oznacza dodanie domieszki do mokrej mieszanki betonowej już na węźle betoniarskim, wtórne dozowanie zaś następuje do betoniarki samochodowej, bezpośrednio przed ułożeniem i zagęszczeniem betonu w konstrukcji [44]. Często producenci przewidują możliwość wprowadzenia podczas
dozowania pierwotnego domieszki uplastyczniającej z uwagi na jej stosunkowo długi czas działania.
Traktowana jest wówczas jako swoista „pomoc transportowa” ułatwiająca utrzymanie konsystencji w
czasie transportu i stanowiąca podkład pod dozowanie wtórne i upłynniacze [21]. Zobaczymy jak to działa na przykładzie plastyfikatora Plastiment 40 i superplastyfikatora Sikament FF :
Rys. 4.17. Działanie plastyfikatora i superplastyfikatora [21]
Ustalając wielkość dozowania, zwłaszcza pierwotnego należy mieć na uwadze, że zmniejszenie płynności betonu rośnie z temperaturą. Równocześnie, co wydaje się raczej nieoczekiwane, tężenie zachodzi
szybciej w przypadku betonów mieszanych niż pozostawionych w spoczynku [34].
Zaletą takiego układu dozowania domieszek uplastyczniających i upłynniających jest możliwość
zmniejszenia kosztów, gdyż plastyfikatory są znacznie tańsze, niż superplastyfikatory, a odbywa się to
bez pogorszenia uzyskiwanego skutku działania. Należy tu być ostrożnym, gdyż łączenie takie może tu
być wykonywane tylko wówczas, gdy zezwala na to producent domieszek obu rodzajów. Stosowanie w
jednej mieszance betonowej domieszek produkcji różnych firm zawsze wymaga uprzedniego przeprowadzenia badań sprawdzających [44].
Przechodząc do konkretnych przypadków, ukazano wpływu momentu dozowania na konsystencję
mieszanki betonowej na przykładzie plastyfikatora Klutan A. Próby wykonano przy użyciu cementu mostowego 45 w ilości 350 kg/m3. Domieszkę dozowano w ilości 0,5 i 0,7% masy cementu z zachowaniem
stałej konsystencji zaczynu cementowego. W pierwszej serii badań domieszkę stosowano razem z wodą
zarobową, w drugiej sporządzono najpierw zaczyn bez domieszki przy ilości wody analogicznej jak w
pierwszej serii, następnie po upływie 10 minut dodano odpowiednią ilość domieszki i mieszano przez
1 minutę. W efekcie zaczyny cementowe wykonywane przy opóźnionym dozowaniu domieszki charakteryzowały się większą ciekłością niż te, w których domieszka stosowana była razem z wodą zarobową. Jak
wykazały badania w warunkach opóźnionego dozowania wolniejsze są także zmiany konsystencji mieszanki betonowej po jej wykonaniu związane z utratą ciekłości zaczynu cementowego [43]. Odzwierciedla to poniższy wykres:
Alma Mater
23
Rys. 4.18. Zmiana konsystencji mieszanek betonowych z domieszką Klutanu. A po ich wykonaniu w zależności od
sposobu dozowania domieszki; cement mostowy 45 z cementowni "Rejowiec", beton o zawartości cementu 350
kg/m3 [43].
Kolejne potwierdzenie omawianych w tym miejscu prawidłowości znaleziono w badaniach efektywności Betoplastu 1 i SKP−26. Tutaj znów uwidocznił się korzystny wpływ późniejszego dodania superplastyfikatora do zaczynu cementowego. Optymalnym czasem opóźnienia jest tu 15 minut od zmieszania
wody z cementem, a nieco lepsze wyniki w tym względzie pozwala uzyskać domieszka z grupy naftalenowej. Korzystny wpływ dodatku superplastyfikatora na utrzymanie konsystencji mieszanki betonowej
przy opóźnionym dozowaniu jest także obserwowany mimo zmniejszenia dodatku superplastyfikatora
[27].
Nieco wnikliwiej należy się przyjrzeć wpływowi momentu dozowania superplastyfikatorów na właściwości reologiczne mieszanek betonów wysokowartościowych. Opierać się tu będziemy na testach wykonanych z użyciem Betoplastu 6 (SNF) i SKP−26 (SMF). W przypadku badania reologii mieszanek
BWW nie sprawdzają się klasyczne mierniki konsystencji: stożek opadowy i metoda Ve−Be. Jedynym
miarodajnym narzędziem, którym i tutaj się posłużono jest test reometryczny. Mieszanka betonowa składała się w tym przypadku z wysokiej zawartości cementu CP45 w ilości 500 kg/m3, pyłów krzemionkowych (10%), W/C = 0,34, co uwzględnia wodę zawartą w superplastyfikatorze oraz łączną masę cementu
i mikrokrzemionki. Wysoka w obu przypadkach była wielkość dawki superplastyfikatora wynosząca każdorazowo aż 5% wagi cementu. Właściwości reologiczne mieszanki betonowej BWW mogą być wystarczająco dokładnie identyfikowane przez parametry zmodyfikowanego modelu reologicznego Binghama,
tj. granicą płynięcia (g) i lepkość plastyczną (h). Model Binghama stosuje się tutaj według równania: [65]
M = g + h ⋅ N [ N ⋅ m]
gdzie
M − moment oporu ścinania, wywołany płynięciem mieszanki betonowej
przy prędkości obrotowej N.
Poniżej przedstawiono plan badania i oznaczenia z nimi związane:
Tablica 4.4
Plan badania i kod testów
Superplastyfikator
SKP−26 (SMF)
Betoplast 6 (SNF)
Moment dozowania superplastyfikatora od dodania wody zarobowej
z wodą zarobową po 1 minucie po 2 minutach
po 3 minutach
S0
S1
S2
S3
B0
B1
B2
B3
Alma Mater
24
Uwidocznił się tutaj znów korzystny wpływ późniejszego dozowania superplastyfikatora. Wraz z
opóźnieniem momentu dozowania domieszki granica płynięcia i lepkość plastyczna mieszanek modyfikowanych plastyfikatorami obniżają się, poprawiając urabialność. Efekt ten dla mieszanek betonowych
SKP−26 jest wyraźny dopiero przy 3−minutowym opóźnieniu dozowania, natomiast dla mieszanek betonowych z Betoplastem 6 zwiększeniu opóźnienia początkowo towarzyszy obniżenie lepkości plastycznej
(h) przy niewielkich zmianach granicy płynięcia (g), a następnie silne obniżenie granicy płynięcia.
Rys. 4.19 Procedury mieszania zastosowane w badaniach [65]
Poniżej zamieszczono w sposób graficzny odwzorowane wyniki testu reometrycznego:
Rys. 4.20 Wpływ dozowania superplastyfikatora [65]
W tym miejscu nasuwa się wniosek, iż najkorzystniejsze jest dodanie superplastyfikatora z opóźnieniem co najmniej 2 minut, natomiast należy unikać dodawania domieszki razem z wodą zarobową. Wcześniejsze dodanie superplastyfikatora spowoduje zaadsorbowanie jego większej części przez C3A oraz
związki gipsu, co było już wcześniej sygnalizowane. Efektem będzie osłabienie upłynnienia. Betoplast 6
podobnie jak Betoplast 1 odznacza się silniejszym działaniem od SKP−26. Zawierająca go mieszanka
Alma Mater
25
betonowa charakteryzuje się niższą granicą płynięcia jak i lepkością plastyczną przy analogicznej dawce
i momencie dozowania. Przewaga wypełniacza typu SNF wzrasta wraz z wielkością opóźnienia dozowania domieszki. I tak przy dozowaniu superplastyfikatora wraz z wodą zarobową granica płynięcia przy
użyciu Betoplastu 6 jest ok. 10% niższa niż mieszanki betonowej z SKP−26 przy niemal identycznej lepkości plastycznej. Opóźnienie dozowania mieszanki do 3 minut potęguje przewagę Betoplastu 6: granica
płynięcia − niższa o 50 %, lepkość plastyczna − niższa o 60%. Wpływ momentu dozowania upłynniacza
na zmiany urabialności w czasie dla mieszanek betonowych o opadzie stożka ponad 90 mm został określony metodą stożka opadowego [65].
Mieszankę betonową z SKP−26 charakteryzuje niższy początkowy opad stożka oraz szybsza utrata
jego poziomu w odniesieniu do mieszanki z Betoplastem 6. Opóźnienie dozowania superplastyfikatora
powoduje zwiększenie początkowego opadu stożka oraz mniejszą utratę jego poziomu w czasie. Wyniki
uzyskane dla domieszek SKP−26 i Betoplast 6 metodą stożka opadowego zestawiono poniżej.
Rys. 4.21 Badanie konsystencji mieszanki z SKP−26 [65]
Rys. 4.22 Badanie konsystencji mieszanki z Betoplastem 6 [65]
Jak już wspomniano opad stożka nie oddaje w pełni zjawiska zmian urabialności. Mieszanki betonowe
BWW o tym samym opadzie stożka mogą się istotnie różnić z reologicznego punktu widzenia. Np. taki
sam opad stożka (180 mm) mamy dla mieszanek betonowych B1 oraz S3, a jednak przy zbliżonej granicy
płynięcia różnią się lepkością plastyczną aż o 40%. Ponadto nawet niewielkiej utracie stożka opadowego
towarzyszyć może gwałtowny wzrost lepkości plastycznej co potwierdza mankamenty w tym zakresie
metody stożka opadowego [65].
Nie stwierdzono skłonności mieszanek betonowych do segregacji składników mimo wysokiego poziomu dozowania domieszek (5% − ze względu na wymaganą urabialność). Wskaźnik segregacji
Alma Mater
26
(2.8÷7.9%) był wyższy dla mieszanek betonowych z opóźnionym dozowaniem upłynniacza oraz uogólniając dla mieszanek betonowych z Betoplastem 6.
W omawianych próbach moment dozowania ma pierwszoplanowe znaczenie dla właściwości reologicznych mieszanek betonowych BWW. Opóźnienie dozowania superplastyfikatora idzie w parze z poprawą urabialności mieszanki, która jest tym wyższa im większe jest opóźnienie. Zakres i intensywności
zmian właściwości reologicznych mieszanki betonowej BWW wywołanych opóźnienim momentu dozowania superplastyfikatora, są silnie uzależnione od jego rodzaju. Okazało się ponadto, że upłynniacze
naftalenowe są w identycznych warunkach stosowania efektywniejsze w poprawie urabialności mieszanek betonowych BWW niż upłynniacze melaminowe. Różne są wzajemne proporcje granicy płynięcia i
lepkości plastycznej w zależności od momentu dozowania i typu upłynniacza. Niewielkie (do 1 min)
opóźnienie dozowania superplastyfikatora Betoplast 6 (typu SNF) powoduje przede wszystkim obniżenie
lepkości plastycznej mieszanki betonowej, a w minimalnym stopniu granicy płynięcia. Relacje te odmiennie wyglądają w przypadku SKP−26 (SMF), gdzie niezależnie od wielkości opóźnienia lepkość plastyczna i granica płynięcia obniżają się w tym samym stopniu [65].
4.6 Wpływ ilości i rodzaju cementu na skuteczność oddziaływania plastyfikatorów i superplastyfikatorów
Wpływ domieszek na cechy technologiczne zapraw i betonów zależy w istotny sposób od rodzaju
użytego cementu. Oznacza to, że zastosowanie domieszki powinno być poprzedzone badaniami laboratoryjnymi dotyczącymi jej współdziałania z danym cementem [64].
W przypadku plastyfikatorów najkorzystniejsza wielkość ich domieszki zależy od szeregu czynników,
z których na pierwszym miejscu trzeba wymienić skład zaczynu. Ilość i rodzaj fazy siarczanu wapniowego oraz zawartość i właściwości fazy C3A odgrywają pierwszoplanowy wpływ na płynność zaczynu.
Domieszka środka plastyfikującego rośnie z zawartością C3A. Ilustruje to poniższy wykres:
Rys. 4.23 Zmniejszenie urabialności zaprawy cementowej z dodatkiem 2% lignosulfonianu wapniowego w zależności od zawartości C3A w cemencie, przy C3S/C2S=const. [34]
Gdy cement zawiera zbyt dużo fazy C3A i alkaliów lignosulfoniany mogą w pewnych przypadkach
wywoływać fałszywe wiązanie. Aby przeciwdziałać temu procesowi zwykle plastyfikator dodaje się z
pewnym opóźnieniem, lub zwiększa się dodatek siarczanu wapniowego [34].
Plastyfikatory charakteryzują się w odróżnieniu od superplastyfikatorów podobną skutecznością działania niezależnie od ilości cementu zawartej w mieszance betonowej. Wyniki badań świadczą, że skuteczność działania superplastyfikatorów wyraźnie zwiększa się wraz ze wzrostem ilości cementu
w betonie [44].
I tak na przykład efektywność działania upłynniającego Betoplastu 1 wyraźnie wzrasta ze zwiększeniem cementu o 1 m3 betonu zarówno z zachowaniem jednakowego współczynnika W/C, jak i zachowaniem jednakowej konsystencji mieszanki betonowej. W badaniach weryfikujących tę zależność stosowano betony o zawartości cementu 250÷500 kg/m3, ze zmianą co 50 kg. Współczynnik W/C wynosił od
0.35 do 0.6. Stosowano cement portlandzki CP35, z domieszką dozowaną w ilości 1.5% masy cementu
Alma Mater
27
bezpośrednio do już przygotowanej mieszanki betonowej. Największe upłynnienie uzyskano
dla mieszanki zawierającej 500 kg/m3 cementu, wówczas konsystencja zmieniła się z plastycznej (8 s wg
VeBe) na płynną (25 cm opadu stożka). W miarę zmniejszania ilości cementu do 350 kg/m3 upłynnienie
stopniowo maleje, chociaż jest jeszcze bardzo znaczne. Dopiero przy zawartości cementu 250 kg/m3
upłynniające oddziaływanie Betoplastu 1 zmalało zdecydowanie.
Wpływ upłynniacza na wytrzymałość badanych betonów na ściskanie (po 28 dniach) nie zależy w wyraźny sposób od ilości cementu. Przy stałym W/C wytrzymałość betonów z Betoplastem 1, w tym także
wykonanych z płynnej mieszanki praktycznie nie ulega zmniejszeniu. Natomiast przy stałej konsystencji
mieszanki betonowej wytrzymałość betonów zwiększyła się o 30÷35%. Jedynie w betonie o zawartości
500 kg/m3 nastąpił wzrost wytrzymałości betonu z domieszką jedynie o 20%. Wiąże się to zapewne z tak
dużą ilością cementu warunkującą i tak znaczną wytrzymałość betonu, jak również z bardzo niskim W/C
− wówczas cement nie uzyskuje wystarczającej ilości wody i stopień jego hydratacji jest niższy [41].
Można spotkać w literaturze zalecenia, by przy stosowaniu superplastyfikatorów zawartość cementu w
betonie utrzymywać w granicach 300÷350 kg/m3, a uziarnienie kruszywa ograniczyć do 32 mm, aby uzyskać optymalne wyniki [34].
Wpływ superplastyfikatorów zmienia się z rodzajem cementu i zawartością gipsu. Wzrost płynności
jest także większy w przypadku cementów zawierających popiół lotny. Ulega on także zmianie wraz ze
stopniem rozdrobnienia cementu. Przykładem niech będzie upłynnienie spowodowane przez sulfoniany
naftalenu, które rośnie bez mała dwukrotnie przy wzroście powierzchni właściwej tego samego cementu
od 3200 do 4000 cm2/g. Uzyskano tu znów potwierdzenie, że wybór superplastyfikatora powinien się
opierać na wynikach odpowiednich prób [34].
Zwróćmy uwagę na jeszcze inny aspekt wpływu cementu na skuteczność oddziaływania omawianych
domieszek. Otóż negatywnie na skuteczność działania superplastyfikatora wpływa duża zawartość alkaliów w cemencie. Nawiasem mówiąc często sam superplastyfikator zawiera pewną dozę alkaliów np.
Upłynniacz SK−1, NB−2, czy Betoplast 1 zawierają do 4% alkaliów [6].
Przechodząc do omówienia określonych przypadków współdziałania superplastyfikatorów, czy plastyfikatorów z cementami różnej klasy, jakości, o różnej charakterystyce, rozpoczęto od badań, którym poddano mieszanki betonowe zawierające CP35 z cementowni „Ożarów” oraz „Nowiny I”, a także nietypowy cement portlandzki hydrotechniczny B50/90 z cementowni „Pokój”. Nietypowość tego ostatniego
polegała na tym, że z punktu widzenia składu mineralnego zawierał zaledwie 2.5% C3A oraz co się rzadko zdarza, znaczną ilość C2S i niewielką C3S. Użyto tutaj 354 kg/m3 cementu, a punkt piaskowy stosu
okruchowego wynosił 45.5%. Mieszanka wyjściowa miała konsystencję plastyczną. Wreszcie: badano
efektywność SK−1 (2.3% i 4%), Betoplastu 1 (1.5%, 2% i 3%) oraz Klutanu (0.1%, 0.15% i 0.3%) przy
stałej wartości wskaźnika W/C (I seria). Każda domieszka powodowała znaczne upłynnienie, proporcjonalne do jej ilości. Największe upłynnienie uzyskano wówczas, gdy jako spoiwo używano cementu „Pokój”, najmniejsze w przypadku cementu portlandzkiego „Nowiny”. Niezależnie od cementu najsilniej
upłynniał Betoplast, najsłabiej plastyfikator Klutan.
Podczas badania wpływu domieszek na wytrzymałość betonu na ściskanie okazało się, że betony z
domieszkami i spoiwem w postaci cementu „Ożarów” i „Nowiny I” miały w kilku wypadkach po 28
dniach wytrzymałość mniejszą niż beton kontrolny. Dopiero po 90 dniach wytrzymałość tych betonów
okazała się większa niż betonu kontrolnego. Może to mieć duże znaczenie w praktyce budowlanej.
W II serii utrzymywano stałą konsystencję. Z badań tej serii wynika, że największe przyrosty wytrzymałości uzyskano stosując cement „Pokój”, najmniejszy zaś dla cementu „Ożarów”. Generalizując można
w tym momencie wyciągnąć wniosek mówiący, iż wpływ redukcji wody, spowodowany daną domieszką,
a co za tym idzie zwiększenie wytrzymałości lub zmniejszenie ilości spoiwa, zależą od rodzaju użytego
cementu. Ponadto na podstawie przeprowadzonych badań nie można było uszeregować badanych domieszek pod względem wpływu na zmianę nasiąkliwości bez brania pod uwagę rodzaju cementu (w serii I −
stałe W/C). Podczas badania wodoszczelności, również przy stałym W/C, najlepsze wyniki uzyskano
w przypadku betonów opartych na cemencie „Ożarów”, najgorsze zaś na cemencie „Pokój” [64].
Dokonując pewnego uogólnienia prezentowanych tutaj wyników badań, należy stwierdzić, iż wobec
tak znacznego wpływu rodzaju cementu na skuteczność stosowania domieszki uplastyczniającej, lub
upłynniającej, praktyczne zastosowanie domieszki należałoby poprzedzić weryfikacją laboratoryjną
umożliwiającą dobranie odpowiedniego rodzaju cementu, określenie najskuteczniejszej w danych warunkach domieszki oraz jej optymalnej ilości. Procedurę powyższą należy bezwzględnie stosować w wypadku betonów specjalnych hydrotechnicznych, masywowych, a zwłaszcza dużej wytrzymałości.
Alma Mater
28
Istotne znaczenie ma skład chemiczno−mineralny cementu we współdziałaniu z daną domieszką.
Określoną rolę odgrywają powierzchnia właściwa cementu, zawartość C3A, SO3 i alkaliów, jednak brak
jest jednoznacznych wniosków co do ich wpływu na właściwości mieszanki betonowej i betonu [64].
Interesujące też wydają się być wyniki badań, którym poddano mieszankę betonową o punkcie piaskowym 40%, zawartości cementu 350 kg/m3 i z 2% dodatkiem plastyfikatora. Stosowano tutaj cementy
„Warta II”, „Odra”, „Rejowiec”, a środki upłynniające to SKP−26 i Betoplast 1. Badania te ukierunkowane zostały między innymi na określenie wpływu mineralogicznego składu cementu na zmianę konsystencji mieszanki betonowej. Zarówno początkowe upłynnienie, jak i czas działania superplastyfikatorów zależą od zawartości glinianu trójwapniowego C3A. Im mniejsza jego zawartość, tym większe upłynnienie i
dłuższy jego czas. Mieszanka betonowa z cementem „Warta II” przez pierwsze 30 minut wykazuje niewielką zmianę konsystencji. Największą zmianę w tym okresie wykazuje mieszanka z cementem „Rejowiec” [27]. Prezentują to wykresy na rys 4.23.
Wiadomo, że betony z cementów o dużej zawartości C3A (powyżej 9%) charakteryzują się dużą utratą
konsystencji w czasie. Jednak nie oznacza to, że uzyskanie cementów o małej zawartości C3A (do 5%)
spowoduje, że strata konsystencji będzie mniejsza. Z rysunku wynika, że w miarę najdłużej utrzymuje
wysoką urabialność mieszanka o zawartości trójtlenku siarki w cemencie równej 3.15%, a szybki spadek
urabialności wykazuje mieszanka z cementem o zawartości SO3 równej 2.37%, chociaż w wypadku tego
cementu zawartość C3A wynosi tylko 3.98%. Można więc wnioskować, że na omawianą zależność ma
wpływ wzajemna reakcja między zawartością C3A i SO3, co jest logiczne, gdyż zachowanie się C3A jest
w dużym stopniu uzależnione od zawartości gipsu, lub innych łatwo rozpuszczalnych siarczanów.
Ponadto w mieszance betonowej skuteczność działania superplastyfikatorów zależy w dużej mierze od
uziarnienia stosu okruchowego i zawartości cementu. W przypadku kruszyw o wysokim punkcie piaskowym i niezbyt dużych ilościach cementu potrzebne są znacznie większe dodatki superplastyfikatora, niż
wynika to z zaleceń producentów, a mimo to efekt upłynniający może być wątpliwy [27].
Rys. 4.24 Wpływ mineralogicznego składu cementu na zmianę konsystencji mieszanki betonowej [27]
Na zakończenie jeszcze kilka słów na temat badań przeprowadzonych przez kolejny ośrodek badawczy na cemencie portlandzkim 35 „Ożarów” i cemencie portlandzkim 35 „Kujawy” z dodatkami. Użyto
domieszek firmy „Sika” i „Addiment”. Stosowane ilości domieszek były tutaj mniejsze co wymuszało
mniejszy efekt działania. Na nieco większą redukcję ilości wody zarobowej pozwolił CP35 z dodatkami
„Kujawy” i to w dodatku niezależnie od użytych domieszek i ich producenta. Podobnie jak wobec wpływu na konsystencję, tak i pod względem uzyskiwanych wytrzymałości korzystniejsze rezultaty uzyskano
stosując cement „Kujawy”, co potwierdziły także wyniki badania wytrzymałości betonów wykonywanych już jako sprawdzające receptury robocze dla wykonawcy [4].
Alma Mater
29
4.7 Wpływ plastyfikatorów i superplastyfikatorów na wybrane cechy betonu dotyczące jego trwałości
W klasycznym zarobie cement i woda jako „klej cementowy” spełniają funkcje „smaru” do przygotowania świeżego betonu. Podczas reakcji wiązania tworzy się z tego kamień cementowy z osadzonym kruszywem. Po dodaniu wody zarobowej ten układ twardnieje. Podczas tego procesu składniki cementu takie
jak np. krzemiany, czy związki aluminium wchłaniają ponownie wodę, wytraconą podczas procesu spiekania. Tworzone wówczas hydraty budują ogromną ilość maleńkich, silnie związanych ze sobą kryształów utrzymujących całą strukturę. Oczywistym jest, że im więcej dodaje się wody do cementu, tym plastyczniejszy będzie świeży beton i z technologicznego punktu widzenia tym lepiej wpasuje się w szalunek, bez powstawania pustych przestrzeni tzw. jam. Tej formie poprawy urabialności betonu towarzyszą
jednak bardzo poważne mankamenty − obniżenie wytrzymałości i trwałości materiału. Podczas hydratacji
cementu określona ilość tego materiału może związać chemicznie tylko pewną ilość wody oscylującą
wokół 25% ciężaru cementu. Pozostała woda, która nie została związana chemicznie w procesie hydratacji pozostaje w strukturze betonu i po wyschnięciu pozostawia kapilary. Te maleńkie kanaliki rozluźniają
strukturę betonu i powodują, że przepuszcza zarówno wodę jak i gaz [12]. Dla wodoszczelności i nasiąkliwości betonu decydujące znaczenie mają więc obecne w nim kapilary i pory, ich ilość, struktura i rozmieszczenie. Powstają one przede wszystkim przez odparowanie wody nie związanej, a także wskutek
kontrakcji zaczynu cementowego, niewłaściwego zagęszczenia mieszanki betonowej, sedymentacji
składników, utrzymywania się resztek powietrza zadsorbowanego podczas mieszania [22]. Środki plastyfikujące i upłynniające nie zapobiegają w pełni tworzeniu się kapilar. Niemniej jednak fakt, że ograniczają ich powstawanie przyczynia się zdecydowanie do zwiększenia trwałości budowli, bowiem właśnie
przez te drobne kanaliki wnikają wszystkie szkodliwe i niszczące beton substancje z dwutlenkiem węgla
na czele. Beton zwiera, oprócz hydratów zwiększających wytrzymałość, wodorotlenek wapnia, który wytwarza bardzo alkaliczne środowisko. Na stali zbrojeniowej powstaje mocno osadzona warstwa oksydowa, która zapobiega korozji. Wnikający dwutlenek węgla likwiduje środowisko alkaliczne w kamieniu
cementowym, a przez to pozbawiona ochrony stal zaczyna rdzewieć, powiększa swą objętość i rozsadza
beton. Z podobnym efektem rozsadzenia mamy do czynienia w wyniku zamarzającej wody, która się może dostać w kapilary. Tak więc szczelna mieszanka zwiększa wytrzymałość na mrozy [12]. Z punktu widzenia wodoszczelności betonu także decydujący wpływ ma współczynnik W/C. Zwiększając wodoszczelność i zmniejszając nasiąkliwość betonu należy więc zmniejszyć ilość wody zarobowej przy zachowaniu wyjściowej konsystencji mieszanki betonowej, a to za sprawą stosowania domieszek uplastyczniających i superplastyfikatorów. Przyjrzyjmy się zatem rezultatom, jakie uzyskano stosując określone domieszki tej grupy [22].
Pierwszą prezentowaną domieszką niech będzie plastyfikator Klutan P. Jego wpływ na nasiąkliwość i
mrozoodporność betonu ukazuje tablica 4.5.
Tablica 4.5
Wpływ Klutanu P na nasiąkliwość i mrozoodporność betonu [43]
Ilość
domieszki
[%]
−
0.7
0.7
Zmniejszenie
ilośći wody
[%]
−
−
14
Nasiąkliwość
ciężarowa
[%]
5.4
5.2
4.7
Mrozoodporność, strata wytrzymałości [%]
po cyklach:
25
50
100
7.5
8.5
11.5
1.5
5.5
10.5
4.0
3.5
−
Na podstawie tych badań stwierdzono, że nasiąkliwość betonu jest obniżona nawet wtedy, gdy domieszka jest stosowana jako czynnik zwiększający ciekłość mieszanki betonowej. Zmniejszenie ilości
wody zarobowej możliwe do uzyskania przez zastosowanie domieszki zawiązane jest z większym obniżeniem nasiąkliwości betonu, około 15%. Natomiast mrozoodporność betonu oznaczana po 25, 50, 100
cyklach zamrażania przez spadek wytrzymałości na ściskanie (także dla betonu z domieszką stosowaną
przy stałym W/C) nie jest obniżona w stosunku do betonu kontrolnego, przy obniżeniu ilości wody zarobowej spadek wytrzymałości próbek wskutek zamrażania jest zdecydowania mniejszy, niż betonu bez
domieszki. Ponadto zmniejszeniu ulega wielkość skurczu [43,47].
Z kolei w przypadku superplastyfikatora Betoplast 1 przy zachowaniu założonej konsystencji mieszanki betonowej nasiąkliwośc może się zmniejszyć do 30%, zwiększa się także wodoszczelność i mroJ.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami
Alma Mater
30
zoodporność, a zmniejsza skurcz [44]. Na przykład gdy poddano badaniom betony zawierające 1.5% Betoplastu 1 oraz 3 różne zawartości cementu CP35 z dodatkami: 300, 339, 378 kg/m3 (odpowiednio seria I,
II, III) okazało się, że:
• przy stałym W/C nasiąkliwość zmniejszyła się w porównaniu z nasiąkliwością betonu kontrolnego o ok. 6% (seria I, II) oraz o ok. 10% (seria III),
• przy stałej konsystencji nasiąkliwość obniżyła się o 12, 25, 23% (dla odpowiednio serii I, II, III),
• przy obniżonej zawartości cementu nasiąkliwość próbek znów się zmniejszyła.
Stosując domieszkę i zmniejszając ilość cementu o 10 i 15%, zachowując stałą w porównaniu z mieszanką kontrolną konsystencję, nasiąkliwość zmniejszyła się o ok. 5.2% w przypadku serii II i do ok. 5%
dla serii III [16].
Wpływ domieszek uplastyczniających i upłynniających na nasiąkliwość i wodoszczelność jest często
zdeterminowany rodzajem cementu. Za przykład niech posłużą badania przeprowadzone na cementach
portlandzkich z cementowni „Ożarów” i „Nowiny I” oraz portlandzkim hydrotechnicznym 35/90 z cementowni „Pokój”. Stosowano superplastyfikatory SK 1, Betoplast 1 oraz plastyfikator Klutan. Dawki
superplastyfikatorów: 1.5 do 4%, a doza Klutanu od 0.1 do 0.3%. Badania przeprowadzono przy stałym
W/C (seria I) lub stałej konsystencji (seria II). W badaniach nasiąkliwości, w przypadku zachowania stałego poziomu W/C, stosując cementy „Pokój” oraz „Ożarów” w zasadzie w wypadku wszystkich próbek
uzyskano zmniejszenie nasiąkliwości wagowej betonu w stosunku do betonu bez domieszki. Jedynie stosując cement „Nowiny I” nie zaobserwowano stałego wpływu działania domieszek. Na podstawie przeprowadzonych badań nie można było uszeregować badanych domieszek pod względem wpływu na zmianę nasiąkliwości bez brania pod uwagę rodzaju cementu. Redukcja wody (seria II) w wypadku betonów
na wszystkich cementach, niezależnie od rodzaju domieszki, powodowała zmniejszenie nasiąkliwości w
stosunku do próbek serii I. Badając natomiast wpływ domieszek na wodoszczelność stwierdzono, że niezależnie od domieszki największą poprawę tego parametru uzyskano w wypadku betonów na cemencie
„Ożarów”, najmniejszą na cemencie „Pokój”. Oceniając zaś wpływ rodzaju domieszki okazuje się, że
zgodnie z oczekiwaniami wpływ ten był silniejszy w wypadku superplastyfikatorów, słabszy zaś
w przypadku Klutanu [64].
Stosując superplastyfikator napowietrzający Betoplast N, beton napowietrzony ma nasiąkliwość zaledwie 2.2%, czyli około 55% mniejszą od betonu kontrolnego, który miał nasiąkliwość 5.1%. Ponadto beton napowietrzony odznaczał się także znacznie większą wodoszczelnością od betonu kontrolnego. Natomiast skurcz betonów pozostał bez istotnej zmiany [42].
Ostatnim aspektem trwałości betonu, na który wpływ wywierają domieszki do niego jest ryzyko
zwiększenia korozji alkalicznej betonu. Jedną z przyczyn powstawania uszkodzeń betonu jest pęcznienie
niektórych składników kruszywowych, spowodowane obecnością odpowiedniej ilości alkaliów w betonie. Całkowita zawartość alkaliów w betonie zależy nie tylko od jakości cementu i jego ilości w 1 m3,
lecz również od zawartości w innych składnikach, takich jak: dodatki, domieszki, woda zarobowa.
Zawartość alkaliów w domieszkach i cemencie oblicza się jako równoważnik Na2O tj. Na2O+ 0.658 K2O.
Domieszki pod względem zawartości alkaliów można podzielić na:
• nie zawierające alkaliów np. Klutan,
• zawierające do 4% alkaliów np. Betoplast 1, Upłynniacz SK−1,
• o dużej zawartości alkaliów (powyżej 20%).
Na świecie przyjęto dwa kryteria, których przekroczenie może spowodować potencjalne niebezpieczeństwo alkalicznej korozji destrukcyjnej betonu. Pierwsze dotyczy jakości cementu. Graniczna zawartość alkaliów w cemencie stosowanym do betonu z kruszywem reaktywnym wynosi 0.6% równoważnika
Na2O. Drugie kryterium dotyczy ilości alkaliów w 1 m3 betonu. Na podstawie badań przeprowadzonych
w Niemczech, Kanadzie, USA i innych krajach, stwierdzono, że bezpieczną ilością alkaliów, jaką można
dodać do 1 m3 betonu, jest wielkość nie przekraczająca 3 kg.
Domieszki nie zawierające alkaliów, mogą być stosowane bez obawy zagrożenia trwałości betonu.
Drugą grupę możemy traktować jako domieszki bezpieczne (wprowadzają od 0.3 do 0.7 kg alkaliów do 1
m3 betonu). Wreszcie ostatnia grupa domieszek wprowadza do betonu znacznie więcej alkaliów, niż wartość dopuszczalna (od 4 do 7 kg/m3) [6].
Alma Mater

Í Ï Î

Transkrypt

Podobne dokumenty

Nowoczesny beton cz.1 - dr inz. Z. Giergiczny