Domieszki do betonów w praktyce budowlanej

Stale rosnące wymagania ze strony użytkowników, a co za tym idzie powstawanie coraz śmielszych rozwiązań konstrukcyj­nych narzucają konieczność modyfi­kacji zarówno mieszanki betonowej, jak i samego betonu w celu uzyskania betonu o podwyższonych właściwo­ściach.

Większość działań w tym zakresie zmierza w kierunku możliwości popra­wy własności konstrukcyjnych, tech­nologicznych i użytkowych betonu. Jakość produkowanego betonu w du­żej mierze jest uzależniona od jakości poszczególnych jego składników. Uwa­runkowania dotyczące dobrego betonu to przede wszystkim odpowiednio dobrany stos okruchowy kruszywa, wła­ściwy cement, rzetelnie opracowana receptura mieszanki betonowej. Na szczególną uwagę zasługuje również rola domieszek. Domieszki do betonu są, zgodnie z definicją podaną w nor­mie PN-EN 934-2:2012, materiałem dodawanym podczas wykonywania mieszanki betonowej w ilości nie więk­szej niż 5% masy cementu w betonie w celu zmodyfikowania właściwości mieszanki betonowej i/lub stwardnia­łego betonu. Mogą to być substancje organiczne i nieorganiczne, działające chemicznie, fizycznie bądź fizykoche­micznie. Działanie to może zachodzić już podczas mieszania składników lub dopiero w betonie dojrzałym i do­mieszki mogą modyfikować jedną lub kilka cech, przy czym możliwe jest, że poprawiając jedną właściwość, pogar­szają inną. Niektóre domieszki można stosować jednocześnie bez negatyw­nego wpływu na spodziewane efek­ty, a niektórych nie można wspólnie stosować. A zatem niezwykle istotna jest wiedza i doświadczenie techno­loga w kwestii działania konkretnych domieszek, tak aby je rozsądnie wy­korzystać.

Zastosowanie domieszek pozwala doświadczonemu technologowi każ­dorazowo odpowiednio dostosować i właściwości mieszanki betonowej, i stwardniałego betonu. Jednak nie mniejszą rolę odgrywają wiedza i do­świadczenie inżyniera budowy, który określa warunki, w jakich przyjdzie zastosować mieszankę betonową przy jednoczesnym spełnieniu potrzeb w zakresie wymagań technologicznych na etapie jej układania i dojrzewania oraz konstrukcyjnych i architekto­nicznych dla już stwardniałego beto­nu. Technolog, bazując na decyzjach inżyniera budowy podejmowanych na podstawie dokumentacji projektowej, określającej potrzeby konstrukcyjne i architektoniczne, oraz obserwacji panujących warunków środowisko­wych wprowadza do mieszanki betonowej domieszki pozwalające na:

– modyfikację właściwości reologicz- nych przez zmniejszenie ilości wody (plastyfikatory), znaczne zmniejsze­nie ilości wody (superplastyfikatory i upłynniacze), zagęszczenie mie­szanki betonowej lub zwiększenie więźliwości wody;

– modyfikację zawartości powietrza w betonie przez zastosowanie do­mieszki napowietrzającej, spieniają­cej lub przeciwpieniącej;

– modyfikację wiązania i twardnie­nia betonu przez użycie domieszki przyspieszającej wiązanie, przy­spieszającej początkowy przyrost wytrzymałości przeciwmrozowej lub opóźniającej wiązanie;

– uszczelnienie i zwiększenie odpor­ności na czynniki fizyczne;

– zwiększenie odporności na działa­nie czynników chemicznych przez zastosowanie domieszki inhibitora stali, zmniejszającej skutki reakcji alkalia – kruszywo czy zwiększającej odporność na agresję chemiczną i/ lub biologiczną;

– modyfikację lepkości mieszanki be­tonowej;

– modyfikację barwy betonu.

Plastyfikatory i superplastyfikatory

Z technologicznego punktu widzenia wprowadzenie domieszek modyfikują­cych właściwości reologiczne, tj. pla­styfikatorów i superplastyfikatorów, pozwala na znaczne ułatwienie pracy na placu budowy. Ich zastosowanie powoduje łatwiejszą produkcję betonu o  powtarzalnych własnościach, lepsze zagęszczenie mieszanki betonowej, brak niekontrolowanych zmian kon­systencji na placu budowy, jednorod­ność i większą szczelność struktury, podwyższenie odporności na agre­sywne czynniki zewnętrzne, lepszą ochronę stali zbrojeniowej. Plastyfi­katory i superplastyfikatory pozwalają ponadto zmniejszyć skłonność do wy­stępowania zarysowań i spękań przez 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 głównym kryterium oceny jakości prac. Nawet zabarwienie betonu zależy nie tylko od surowców, ale m.in. od stosunku woda/cement (w/c), przy czym niż­sze w/c daje beton ciemniejszy oraz możliwość uzyskania zamkniętych po­wierzchni betonu, bez porów, pęche­rzyków powietrza, wżerów, jam itp. Jego struktura jest bardziej zwarta i nieprzepuszczalna dla czynników zewnętrznych, co nie pozostaje bez znaczenia przy projektowaniu betonu w środowiskach występowania wody agresywnej, mrozu, soli odladzających, dwutlenku węgla i innych che­micznych odczynników.

Domieszki modyfikujące właściwości reologiczne najkorzystniej jest dozować łącznie z wodą zarobową. Praktykuje się również dozowanie przed dodaniem wody do mieszanki, jednak wówczas efekt działania domieszki jest najsłab­szy. W uzasadnionych przypadkach przy wydłużonej drodze transportu mieszanki dozowanie domieszki stoso­wane jest po dodaniu wody zarobowej, co zapobiega w czasie transportu se­gregacji składników mieszanki, jednak pamiętać należy, że wówczas część domieszki dozuje się w czasie wykony­wania mieszanki, a pozostałą część na krótko przed jej ułożeniem. Prawidłowe dozowanie plastyfikatorów i superpla­styfikatorów wymaga doświadczenia i wiedzy z zakresu: rodzaju cementu, jego klasy i rozdrobnienia, ilości wody zarobowej, a także rodzaju i jakości kru­szywa. Stosowanie domieszki w mak­symalnych dawkach określonych przez producentów przy braku takiej wiedzy najczęściej prowadzi do napowietrzenia mieszanki betonowej, a w konsekwencji opóźnienia czasu wiązania cementu. Różnorodność oferowanych na rynku plastyfikatorów i superplastyfikatorów pociąga za sobą problemy zwią­zane z prawidłowym ich doborem pod względem ich działania. Odmienne bazy chemiczne substancji skutkują różną intensywnością poszczególnych me­chanizmów oddziaływania. Przykładem tego są superplastyfikatory wykazujące w większym stopniu działanie dysper­gujące niż plastyfikatory, jednak krócej skutecznie działające.

Domieszki opóźniające wiązanie

Typowe sytuacje, w których stosuje się domieszki opóźniające wiązanie, to betonowanie podczas wysokich temperatur, betonowanie masyw­nych konstrukcji, jak również w przy­padku występowania przerw tech­nologicznych, gdy wymagane jest zapewnienie właściwego powiązania ze sobą układanych kolejno warstw mieszanki betonowej i możliwości przeprowadzenia rewibracji. Do­mieszki opóźniające wiązanie znajdują zastosowanie szczególnie przy dłu­gich okresach transportu mieszanki betonowej. Domieszki te wprowadza się najczęściej w trakcie produkcji mieszanki betonowej wraz z wodą zarobową. Jednak dopuszczalne jest również ich zastosowanie do uprzed­nio już przygotowanej mieszanki, co w sytuacjach nieplanowanego opóź­nienia transportu (np. korków, awarii pompy do betonu) bywa nieocenione. Warunkiem powodzenia jest na tyle dobra plastyczność mieszanki, by możliwe było równomierne rozpro­wadzenie domieszki w całej masie mieszanki betonowej. To, co jest nie­wątpliwie zaletą tych domieszek przy nieumiejętnym ich dozowaniu, może stać się ich poważną wadą, a to ze względu na przedziały czasowe, jakie osiągane są przy spowolnieniu wią­zania mieszanki betonowej wynoszą­ce od kilku nawet do kilkudziesięciu godzin przy jednoczesnym bardzo dużym obniżeniu wytrzymałości po­czątkowej i twardnieniu. Przedozowanie może także doprowadzić do powstania niekontrolowanych porów powietrznych bezpośrednio wpływa­jących na obniżenie wytrzymałości betonu.

Domieszki napowietrzające

Domieszki napowietrzające są jedny­mi z najpowszechniej stosowanych głównie ze względu na ich wpływ na strukturę betonu dojrzałego. Wpły­wają bezpośrednio na redukcje na­pięcia powierzchniowego wody zaro- bowej oraz wytworzenie i stabilizację w mieszance betonowej zamkniętych pęcherzyków powietrza, które po­zostają w stwardniałym betonie jako równomiernie rozmieszczone mikropory. Mikropory te korzystnie zmieniają strukturę betonu, obni­żając chłonność porów kapilarnych i zmniejszając przenikanie wody. Beton uzyskuje dzięki temu wyższą mrozoodporność i niższą nasiąkliwość. Jakość betonu napowietrzo­nego zależy przede wszystkim od dokładności i jednorodności napo­wietrzania, co z kolei zależy od wielu parametrów, a przede wszystkim od intensywności mieszania. Im mie­szanie prowadzone jest szybciej, tym więcej wytworzonych jest pę­cherzyków. Bardzo ważny jest rów­nież aspekt procesu zagęszczania mieszanki betonowej – im dłużej i in­tensywniej się wibruje, tym więcej pęcherzyków zostanie uwolnionych z mieszanki betonowej. Betony na­powietrzone wymagają szczególnej uwagi i kontroli w czasie wytwarza­nia, głównym celem jest osiągnięcie wysokiej mrozoodporności nie zaś lepszej urabialności, a zatem potrze­ba dużego doświadczenia, umiejętno­ści i dokładności przy układaniu mie­szanki betonowej. Do wytworzenia betonu napowietrzonego stosuje się jedynie mieszanki betonowe o konsy­stencjach od półciekłej do gęstopla- stycznej (K-2, K-3, K-4). Starannie należy prowadzić kontrolę stopnia napowietrzenia zarówno na etapie produkcyjnym, jak i przy dostawie na miejsce zastosowania. Stosowanie betonu napowietrzonego ma sens tylko i wyłącznie wtedy, gdy uzy­skamy pewność co do stopnia jego napowietrzenia. W przypadku zbyt małej ilości powietrza i złej struktury beton nie osiągnie wymaganej mro­zoodporności. Z kolei w przypadku przekroczenia dopuszczalnej zawar­tości powietrza dochodzi do spadku wytrzymałości betonu – o ok. 4 MPa na każdy 1% powietrza.

Domieszki przyspieszające wiązanie i twardnienie

Domieszki przyspieszające wiązanie w praktyce stosowane są do osiąg­nięcia natychmiastowego wiązania cementu przy konieczności prze­prowadzenia szybkich napraw (np. tamponaż, uszczelnienie przecieków) lub do skrócenia i przyspieszenia czasu przejścia z postaci plastycz­nej w stałą bez gwałtownych reak­cji wiązania (np. przy betonowaniu zimą). Stosując domieszki przyspie­szające wiązanie, należy uwzględnić pewne związane z tym niedogodno­ści, tj.: szybki spadek konsystencji, pogorszenie urabialności mieszanki betonowej, obniżenie wytrzymałości końcowej betonu, pogorszenie wa­runków pasywacji stali zbrojeniowej i jej korozję w przypadku stosowania domieszek chlorkowych. Błędy popeł­nione na etapie dozowania domieszek przyspieszających wiązanie niemal zawsze kończą się bardzo mocnym obniżeniem wytrzymałości końcowej i dużym skurczem betonu.

Z kolei domieszki przyspieszające twardnienie mają za zadanie zwięk­szenie dynamiki przyrostu wytrzyma­łości betonu w czasie. Przyspieszony zostaje przyrost wytrzymałości po­czątkowej betonu, zwykle przy braku negatywnego wpływu na wytrzyma­łość końcową. Działanie domieszek przyspieszających twardnienie pole­ga przede wszystkim na skróceniu czasu wydzielania ciepła hydratacji cementu, toteż znajdują one szcze­gólne zastosowanie w prefabrykacji, ponieważ z ich użyciem można ogra­niczyć lub wyeliminować obróbkę cieplną formowanych elementów. Istotne jest dokładne dozowanie domieszki, ponieważ niewłaściwa jej ilość może powodować opóźnienie wiązania (zamiast przyspieszenia), obniżenie wytrzymałości końcowej i duży skurcz betonu.

Domieszki uszczelniające

Stosowanie domieszek uszczelnia­jących do betonu ma uzasadnienie, gdy konieczne jest nadanie takich cech, które pozwolą na zmniejsze­nie absorbcji kapilarnej stwardnia­łego betonu, poprawę wodoszczel­ności i zmniejszenie nasiąkliwości, a w szczególności zwiększenie trwa­łości betonu. A zatem wszędzie tam gdzie projektowane są betony wodoszczelne i narażone na agre­sję chemiczną. Domieszki te głównie działają poprzez wypełnianie pustek i kanalików kapilarnych w strukturze betonu przy jednoczesnym zmniej­szaniu przekrojów porów i kapilar. Efekt ten pozwala na osiągnięcie wytworzenia mikropęcherzyków po­wietrznych, które przerywają cią­głość kapilar, prowadząc do ich zablokowania. Domieszki uszczelnia­jące w mniejszym stopniu działają chemicznie, jednak przy odpowiednim składzie osiągane są również efekty tworzenia się związków nierozpusz­czalnych, co skutkuje nadaniem stwardniałemu betonowi odporności na agresywne oddziaływania che­miczne. Domieszki te dozowane są najczęściej z wodą zarobową, ryzyko więc popełnienia błędu przy nada­waniu mieszance betonowej właści­wości specjalnych ogranicza się do procesów jej produkcji. Domieszki uszczelniające z reguły dozowane są w komponentach łączących działa­nia znacznie redukujące ilość wody, uplastyczniające, upłynniające czy mrozoodporne.

Podsumowanie

W ostatnich dziesięcioleciach do­mieszki osiągnęły duże znaczenie i pozwoliły rozwiązać w sposób za­sadniczy pojawiające się proble­my w budownictwie, jednak jak to w praktyce bywa, w miejscu sta­rych problemów pojawiły się nowe o innym charakterze. W przypadku stosowania domieszek dotyczą one głównie umiejętnego ich dozowania. Mając na względzie duże możliwości modyfikowania mieszanki betonowej domieszkami, a docelowo uzyskiwa­nie określonych cech specjalnych betonów, w drodze własnych obser­wacji i doświadczeń wysunąć mogę stwierdzenie, że bardzo często wy­konawcy robót budowlanych przez nieumiejętne ich dozowanie dopro­wadzają wręcz do efektu odwrot­nego od zamierzonego. często na budowie spotyka się pracowników, których wiedza fachowa jest raczej uboga. Szukając przyczyn takiego stanu, można wskazać na błędnie ułożony i ograniczony do minimum program nauki niepozwalający na rzetelne przekazanie wiedzy uczniom czy studentom. A zatem wszystkie zabiegi ukierunkowane na osiągnię­cie pożądanych efektów ulepszają­cych zarówno właściwości mieszanki betonowej, jak i betonu stwardniałe­go powinny zmierzać do zapewnienia jak największego udziału w procesie dozowania domieszek doświadczo­nych technologów i ścisłej kontroli laboratorium. Aplikacją domieszek powinny zajmować się w maksymal­nym stopniu węzły betoniarskie, które dysponują odpowiednimi urzą­dzeniami do precyzyjnego dozowania (wymagana tolerancja to +/-5%). Stosowanie domieszki do mieszanki betonowej w drodze transportu lub tuż przed jej ułożeniem właściwie nie daje pełnej odpowiedzi, w którą stronę poszła modyfikacja jej para­metrów. Producenci betonu coraz śmielej wprowadzają nowoczesne technologie z wykorzystaniem kom­puterowych systemów sterowania pracą betoniarni, pozwalające na precyzyjne, automatyczne wprowa­dzanie funkcji zabezpieczających, zapewniających maksymalne bezpie­czeństwo i efektywne stosowanie receptur dających pożądany i po­wtarzalny efekt.

Literatura

1. P Łukowski, Domieszki do zapraw i be­tonów, SPC Kraków 2008.

2. J. Jasiczak, P Mikołajczyk, Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2003.

3. L. Kucharska, Tradycyjne i współczes­ne domieszki do betonu zmniejszające ilość wody zarobowej, „Cement Wapno Beton” nr 2/2000.

4. A.M. Neville, Właściwości betonu,SPC Kraków 2012.

5. H. Dondolewski, M. Januszewski, Be­tony cementowe, zagadnienia wybra­ne, Wydawnictwo Naukowo-Technicz­ne, Warszawa 2008.

6. K. Pogan, Reologia w technologii be­tonu, Zastosowanie wybranych do­mieszek chemicznych addiment do produkcji betonu, Sympozjum Nauko­wo-Techniczne, Gliwice 1999.

7. Beton – rodzaje, właściwości i zasto­sowanie, Grupa Gorażdże 2011.

8. PN-EN 934-2:2012 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Część 2: Domieszki do betonu. Definicje, wyma­gania, zgodność, oznakowanie i etykie­towanie.