Domieszki do betonu

Zgodnie z normą PN-EN 934-2 „Domieszki do betonu zaprawy i zaczynu. Domieszki do betonu. Definicje i wymagania” domieszka jest to substancja modyfikująca, dodawana podczas wykonywania mieszanki betonowej w ilości nie przekraczającej 5% masy cementu w betonie. Większe zawartości modyfikatorów to dodatki. Do domieszek nie zalicza się materiałów dodawanych w czasie mielenia klinkieru portlandzkiego. Celem stosowania domieszek jest zmiana jednej lub kilku właściwości mieszanki betonowej i/lub betonu stwardniałego.

Klasyfikacja i sposoby działania domieszek
Domieszki klasyfikuje się ze względu na skutki modyfikacji – decyduje główny kierunek oddziaływania (rys. 1).
W przypadku gdy domieszka zmienia więcej niż jedną właściwość, jest traktowana jako wielofunkcyjna (kompleksowa).
Najliczniejszą grupę stanowią domieszki poprawiające urabialność mieszanki betonowej. Rozróżnia się:

środki uplastyczniające (redukujące ilość wody), czyli plastyfikatory, pozwalające na zmniejszenie ilości wody zarobowej w granicach 5–12%, 
środki upłynniające (znacznie redukujące ilość wody), tzw. superplastyfikatory, pozwalające na zmniejszenie ilości wody o więcej niż 12% (domieszki nowej generacji – nawet powyżej 30%).

Rys. 1. Klasyfikacja domieszek do betonu według normy PN-EN 934-2

Domieszki uplastyczniające to substancje organiczne, które działają dyspergująco na ziarna cementu w zaczynie, tym samym zwiększając płynność zaczynu. Pierwszymi plastyfikatorami były (wprowadzone w latach 30.) lignosulfoniany, tanie odpady z przemysłu celulozowego. Domieszki uplastyczniające dodawane są do wody zarobowej w niewielkiej ilości (0,2–0,5% w stosunku do masy cementu), w związku z czym bardzo istotna jest dokładność dozowania. Nadmiar domieszki może opóźnić wiązanie i twardnienie betonu. Skuteczność działania domieszek uplastyczniających praktycznie nie zależy od zawartości cementu w betonie.
 
Domieszki upłynniające wprowadzono w latach 70. Ich działanie jest bardziej intensywne w porównaniu z domieszkami uplastyczniającymi. Mechanizm działania superplastyfikatorów jest zróżnicowany (rys. 2). Steryczny mechanizm działania domieszek nowej generacji powoduje, że działają one „zapobiegawczo” – zamiast rozbijać już powstałe aglomeraty ziaren cementu, nie dopuszczają do ich utworzenia. Domieszki te są szczególnie efektywne, ponieważ działają często w sposób łączący różne mechanizmy, np. przez steryczny
i elektrostatyczny. Efekty stosowania domieszek upłynniających mieszankę betonową mogą być trojakiego rodzaju:

zwiększenie ciekłości mieszanki – poprawa urabialności,
zmniejszenie ilości wody zarobowej przy niezmienionej zawartości cementu – zwiększenie wytrzymałości betonu,
zmniejszenie zużycia cementu (o 10–20%) przy zachowaniu wytrzymałości betonu – mniejsze wydzielanie ciepła (ważne przy wykonywaniu budowli masywnych).

Rys. 2. Mechanizmy upłynniania mieszanki betonowej przez domieszki
{mospagebreak}Domieszki napowietrzające stosuje się w celu poprawy mrozoodporności betonu. W czasie mieszania wytwarzają one dużą liczbę (rzędu 109 w m3 mieszanki betonowej) bardzo drobnych (średnice 20–250 m), równomiernie rozmieszczonych (150–200 m od siebie) pęcherzyków powietrza (rys. 3). Pęcherzyki w stwardniałym betonie przerywają ciągłość kapilar, zmniejszając podciąganie kapilarne wody. Ponadto woda, zamarzając w kapilarach, przy zwiększaniu swej objętości może wciskać się do pustych pęcherzyków, co zapobiega rozsadzaniu betonu.

Rys. 3. Struktura betonu napowietrzonego: 1 – pęcherzyki powietrza, 2 – kapilary

Domieszki przyspieszające wiązanie skracają czas do przejścia mieszanki betonowej ze stanu plastycznego w sztywny, natomiast domieszki przyspieszające twardnienie zwiększają szybkość narastania wytrzymałości betonu. Ich działanie polega na zwiększeniu szybkości reakcji zachodzących w zaczynie cementowym.
W przeszłości najpowszechniej używaną domieszką przyspieszającą był chlorek wapnia. Obecnie znaczenie praktyczne mają prawie wyłącznie domieszki bezchlorkowe. Domieszki zawierające chlorki są eliminowane z użycia ze względu na korozję stali zbrojeniowej. Bezchlorkowe domieszki przyspieszające to np.: azotany, azotyny, fluorki i gliniany (zwłaszcza sodu) oraz związki organiczne, np. mrówczan wapnia.
 
Domieszki przeciwmrozowe to produkty pozwalające na betonowanie w ujemnych temperaturach; umożliwiają one zachodzenie reakcji cementu z wodą w temperaturach nawet poniżej –10°C. Do częściej stosowanych należą: azotany, azotyny i rodanki; obecnie za najskuteczniejszą domieszkę przeciwmrozową uważa się rodanek sodowy.
Domieszki opóźniające przedłużają czas do przejścia mieszanki betonowej ze stanu plastycznego w stan sztywny. Domieszki te zmniejszają rozpuszczalność składników cementu w wodzie i w ten sposób zmniejszają szybkość wiązania cementu. Niektóre z nich tworzą na ziarnach cementu warstewki utrudniające dostęp wody zarobowej. Właściwości opóźniające wiązanie mają niektóre związki nieorganiczne, zwłaszcza fosforany. Stosowane są także związki organiczne o jednoczesnym działaniu uplastyczniającym. Przy stosowaniu opóźniaczy wiązania wytrzymałość początkowa betonu może być nieco zmniejszona, natomiast końcowa zazwyczaj wzrasta. Domieszki opóźniające dodaje się w czasie wykonywania betonu najczęściej równocześnie z wodą zarobową. W niektórych przypadkach konieczne może być dodawanie opóźniacza do już wymieszanej mieszanki betonowej, na przykład do betoniarki unieruchomionej przez awarię lub korek uliczny. Jeśli konsystencja mieszanki jest dostatecznie plastyczna, aby umożliwić dokładne rozprowadzenie domieszki, to stosując opóźniacz w kolejnych porcjach można tę konsystencję utrzymać przez wiele godzin.{mospagebreak}
 Wśród innych domieszek do betonów można wymienić:

zwiększające wodoodporność (uszczelniające),
zwiększające objętość betonu,
zwiększające odporność na agresję chemiczną lub biologiczną,
inhibitory korozji stali,
zapobiegające wymywaniu zaczynu podczas betonowania pod wodą,
usztywniające mieszankę betonową,
zwiększające przyczepność betonu do stali, zaprawy, betonu i innych materiałów budowlanych,
barwiące – pigmenty naturalne lub syntetyczne.

W wielu przypadkach zastosowanie tylko jednego rodzaju domieszki jest niewystarczające. Ułatwieniem jest wówczas możliwość użycia domieszki wielofunkcyjnej (kompleksowej). Są to preparaty o kombinowanym działaniu dwu- lub nawet trójfunkcyjnym: uplastycznienie lub upłynnienie + przyspieszenie  lub opóźnienie + napowietrzenie lub uszczelnienie.
Zastosowanie poszczególnych rodzajów domieszek jest uwarunkowane zasadniczymi kierunkami ich działania (patrz tablica).

Rodzaj domieszki Przykłady zastosowań

Uplastyczniające i upłynniające

mieszanki betonowe o dużej ciekłości, beton natryskowy, betony do wyrobów, elementów i konstrukcji żelbetowych i sprężonych, w szczególności gęstozbrojonych i cienkościennych

Napowietrzające

betony odporne na działanie mrozu, narażone na stały dostęp wody; betony hydrotechniczne, betony wykonywane w warunkach zimowych, betony na nawierzchnie drogowe i lotniskowe (w wielu krajach obligatoryjnie), beton natryskowy

Przyspieszające wiązanie i/lub twardnienie betonu

wyroby betonowe przeznaczone do szybkiego rozformowania, elementy prefabrykowane betony natryskowe, betony szybkowiążące (np. w naprawach)

Opóźniające wiązanie

betonowanie w czasie upałów, transport świeżego betonu (beton towarowy), układanie betonu w sposób ciągły na dużych powierzchniach, beton pompowany, beton architektoniczny

Tablica. Obszary stosowania podstawowych rodzajów domieszek.

Problemy związane ze stosowaniem domieszek
Mimo długiej historii stosowania domieszek wciąż wiele zagadnień pozostaje nierozstrzygniętych. Jedną z przyczyn tego stanu jest wielka różnorodność chemicznej natury domieszek, a także zróżnicowany i często skomplikowany charakter ich oddziaływania na poszczególne składniki mieszanki betonowej.
 
Za szczególnie istotny uważa się problem kompatybilności domieszek z cementem (rys. 4), a także ze stosowanymi dodatkami mineralnymi, takimi jak pył krzemionkowy lub popiół lotny. Skuteczność upłynniaczy zależy od składu mineralogicznego cementu, a także od wartości wskaźnika w/c (im początkowo bardziej ciekła mieszanka, tym względnie mniejszy skutek upłynnienia) oraz momentu wprowadzenia modyfikatora – stosuje się również wprowadzanie dwustopniowe.
Wiele uwagi poświęca się także aspektom ekonomicznym – poszukiwaniu właściwej równowagi między kosztem domieszki a jej użytecznością techniczną. Są cztery obszary, w których użycie domieszek odgrywa zasadniczą rolę, w sensie techniczno-ekonomicznym; są to: budownictwo komunikacyjne (domieszki napowietrzające), projektowanie mieszanki betonowej i technologie układania betonu (domieszki upłynniające) oraz betonowanie w obniżonych temperaturach (domieszki przeciwmrozowe).

Rys. 4. Skuteczność działania domieszek upłynniających z różnymi rodzajami cementu.
{mospagebreak}
Domieszki do betonu w świetle normy PN-EN 206-1
W przedmowie do normy PN-EN 206-1 „Beton – część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność” stwierdza się, że: niniejsza norma może być stosowana jedynie z normami dotyczącymi wyrobów lub równoważnymi wymaganiami dotyczącymi składników betonu (tzn. cementu, kruszyw, dodatków, domieszek i wody zarobowej). Wśród norm powołanych wymienia się zaś PN-EN 934-2, która zawiera odpowiednie definicje i wymagania stawiane domieszkom.
Sama norma betonowa wielokrotnie odwołuje się do domieszek. Na przykład napowietrzanie betonu jest zalecane zwłaszcza przy klasie ekspozycji XF2, XF3 i XF4, tzn. w warunkach agresywnego oddziaływania zamrażania/rozmrażania. Domieszki stosowane w ilościach mniejszych niż 2 g/kg cementu powinny być wcześniej wymieszane z częścią wody zarobowej. Jeżeli całkowita ilość płynnych domieszek przekracza 3 dm3/m3 betonu, zawartą w nich wodę należy uwzględnić przy obliczaniu współczynnika wodno-cementowego.
 
Zaleca się, aby mieszanka betonowa o konsystencji ≥ S4, V4, C3 lub ≤ F4 była wykonywana przy użyciu domieszek silnie redukujących wodę (upłynniających). W przypadku stosowania więcej niż jednej domieszki kompatybilność tych domieszek należy sprawdzić w badaniach wstępnych.Urządzenie dozujące powinno być tak wykonane, aby w rzeczywistych warunkach działania utrzymywać właściwe tolerancje – w przypadku domieszek ±5% wymaganej ilości. Liczba działek elementarnych (n) sprzętu ważącego powinna wynosić dla domieszek co najmniej 1000 (dla cementu, kruszyw, wody i dodatków co najmniej 500).

Domieszki, a także woda zarobowa, kruszywa lekkie oraz płynne dodatki mogą być dozowane masowo lub objętościowo. Domieszki należy dodawać podczas zasadniczego procesu mieszania, z wyjątkiem domieszek silnie redukujących wodę i domieszek redukujących wodę, które można dodawać po zasadniczym procesie mieszania. Zaleca się, aby czas trwania powtórnego mieszania w mieszarce samochodowej, po zasadniczym procesie mieszania, nie był krótszy niż 1 minuta/m3 oraz nie krótszy niż 5 minut po dodaniu domieszki.

Kontrola składników mieszanki betonowej w odniesieniu do domieszek obejmuje – przy każdej dostawie – sprawdzenie dowodu dostawy oraz etykiety na pojemniku przed rozładunkiem. W przypadku wątpliwości należy przeprowadzić badanie identyfikujące zgodnie z PN-EN 934-2, np. oznaczenie gęstości, badanie w podczerwieni. Kontrola procedur produkcji i właściwości betonu w zakresie stosowania domieszek polega natomiast na sprawdzeniu zawartości domieszki w mieszance betonowej poprzez określenie zawartości domieszki w każdym zarobie.
W rozdziale 5 „Wymagania dotyczące betonu i metody sprawdzania” normy PN-EN 206-1 stwierdza się, że: Do betonów zgodnych z EN 206-1 należy stosować wyłącznie składniki o ustalonej przydatności do konkretnego zastosowania, ogólną zaś przydatność domieszek ustala się zgodnie z PN-EN 934-2. W tej ostatniej normie sformułowane są wymagania wobec podstawowych rodzajów domieszek. Metod badań dotyczy seria norm EN 480 „Metody badań domieszek”, obejmująca ogółem 13 norm, stopniowo wprowadzanych w Polsce.
Podsumowanie
Można oczekiwać, że beton cementowy pozostanie w dającej się przewidzieć przyszłości najszerzej stosowanym materiałem budowlanym. Betony o wysokich i bardzo wysokich wytrzymałościach pozwolą na realizację coraz śmielszych projektów konstrukcji budowlanych, przy czym obok doskonalenia betonów zwykłych rozwijane będą także inne ich rodzaje. Jednym z elementów warunkujących ten rozwój będzie z pewnością coraz szersze wykorzystanie domieszek modyfikujących właściwości mieszanki betonowej i stwardniałego betonu.
Stosowanie domieszek pozwala na oszczędność energii dzięki poprawie urabialności mieszanki betonowej. Poprawia także trwałość betonu w rezultacie zmniejszenia zawartości wody w mieszance. Wreszcie – w niektórych  sytuacjach – pozwala na mniejsze zużycie cementu.
Trzeba pamiętać, że warunkiem efektywnego działania domieszek jest stosowanie ich do dobrze zaprojektowanego betonu. Żadne modyfikacje nie przyniosą oczekiwanych efektów w przypadku betonu źle zaprojektowanego lub wykonanego.
dr inż. Paweł Łukowski
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej

ZAMÓW PRENUMERATĘ

Artykuł zamieszczony 
w „Inżynierze budownictwa”, 
luty 2007.