Domieszki dodawane są do betonu w małych ilościach, ale w znaczący sposób modyfikują właściwości mieszanki betonowej. Dlatego też tak ważna jest kompatybilność domieszek z cementem i innymi dodatkami.
Domieszki do betonu
Trudno wyobrazić sobie współczesną technologię betonu bez domieszek chemicznych jako istotnego składnika dodawanego wprawdzie w małych ilościach (do 5% masy cementu), ale w sposób znaczący modyfikującego właściwości mieszanki betonowej i/lub betonu stwardniałego. Mimo że stosowanie domieszek wprowadzano już w latach 30. ubiegłego wieku, to tak naprawdę ich upowszechnienie nastąpiło w latach 90. Obecnie – przy stale rosnących wymaganiach dla betonu jako materiału konstrukcyjnego (przede wszystkim jego wytrzymałość na ściskanie), a także w zakresie jego trwałości (odporność na czynniki korozyjne środowiska) – w normach sformułowano m.in. warunki graniczne dla wartości wskaźnika w/c lub właściwego napowietrzenia struktury w celu zapewnienia jego mrozoodporności. Bez udziału domieszek nie da się tego zrealizować. Modyfikuje się też inne właściwości, co pokazuje znormalizowany asortyment domieszek do betonu według PN-EN 934-2 [2]:
- redukujące ilość wody/uplastyczniające (plastyfikatory),
- znacznie redukujące ilość wody/upłynniające (superplastyfikatory),
- zwiększające więźliwość wody,
- napowietrzające,
- przyspieszające wiązanie,
- przyspieszające twardnienie,
- opóźniające wiązanie,
- uszczelniające,
- kompleksowe (różne kombinacje ww. modyfikacji).
Fot. stock.adobe.com / antpkr
Każda domieszka jest albo odrębną substancją chemiczną, albo mieszaniną różnych substancji. W pewnym zakresie użytkownik domieszek jest świadomy, z jakiej grupy związków chemicznych pochodzi dany produkt, bo producent musi to ujawnić choćby ze względów bezpieczeństwa stosowania. Wiadomo jednak powszechnie, że każdy wyrób stanowi swoistą tajemnicę producenta (know-how) i nie wiemy, z czego jest konkretnie skomponowany. Dlatego zawsze można się spodziewać pewnych niespodzianek, które mogą wynikać z niepełnej wiedzy o stosowanym produkcie.
| Kompatybilność – znaczenie tego słowa w odniesieniu do współpracy domieszek z pozostałymi składnikami betonu, jak również między sobą, jest tak samo silne jak jego pierwotne zastosowanie w dziedzinie komputerowej. Oznacza możliwość współgrania z innymi czynnikami, elementami, nie powodując zakłóceń, wzajemnie się uzupełniając – oznacza po prostu wzajemną zgodność (słownik języka polskiego). Wiadomo jest, że w każdym dobrze działającym systemie ważny jest każdy detal, a brak sprawności któregokolwiek powoduje katastrofę całego układu. |
Kompatybilność domieszek do betonu z cementem
Komponując zestaw materiałowy dla konkretnej receptury betonu, zestawia się nieobojętne względem siebie zarówno pod względem chemicznym, jak i fizycznym składniki, czyli cement z domieszkami. Zastosowanie dodatków (popiół lotny, pył krzemionkowy, mielony, granulowany żużel wielkopiecowy, ewentualnie prawie obojętne chemicznie mączki wapienne) także może wywoływać różne kontrakcje z domieszkami. Znaczenie kruszywa i wody z reguły jest również ważne.
Współczesne domieszki do betonu to w większości substancje o złożonej budowie wewnątrz, a w przypadku polimerów także międzycząsteczkowej. Wraz ze składnikami cementu tworzą w zaczynie skomplikowany układ, w którym oprócz zjawisk zakładanych i pożądanych zachodzi także wiele procesów nieprzewidzianych i niekoniecznie korzystnych.
Ogólnie można stwierdzić, że domieszki wchodzą z cementem w interakcje, których skutki są bardzo trudne lub wręcz niemożliwe do uwzględnienia na etapie projektowania betonu [4].
Rys. Czynniki wpływające na skuteczność domieszek do betonu [4]
Mając na względzie duży wybór modyfikatorów, trzeba też uwzględnić sporą różnorodność dostępnych na rynku cementów. Sama norma dotycząca cementów powszechnego użytku [5] wyróżnia pięć głównych rodzajów cementu: CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV i CEM V, a po uwzględnieniu możliwych kompozycji składników głównych daje to 27 możliwości. Dodając zróżnicowanie w zakresie klas wytrzymałościowych, uzyskuje się liczbę 162 możliwości. Zwrócić należy także uwagę na zróżnicowanie składu cementu z różnych cementowni – ten sam normowo zdefiniowany cement, np. CEM I 42,5R, może wykazywać znacząco odmienny skład z punktu widzenia mineralogiczno-chemicznego, zasadniczo bowiem różnią się surowce skalne, z którego są wytwarzane. Biorąc pod uwagę możliwości surowcowo-produkcyjne krajowych cementowni, w obrocie znajduje się obecnie kilkadziesiąt odmian cementu. Każda z nich może wykazywać inny poziom kompatybilności z poszczególnymi domieszkami.
Oczywiście na etapie badań typu każdej domieszki, przed wprowadzeniem jej do obrotu, następuje ocena jej przydatności w zakresie cech odpowiadających zdefiniowanej funkcji, odbywa się to jednak z udziałem jednego rodzaju cementu. Jego właściwości, jako cementu wzorcowego, określone są w normie PN-EN 480-1 [3]. Ma to być cement CEM I klasy wytrzymałości 42,5 lub 52,5 (wg PN-EN 197-1 [5]), w którym zawartość C3A powinna wynosić od 7 do 12% masy, a powierzchnia właściwa od 3600 do 4600 cm2/g. W pewnym sensie można stwierdzić, że dla takiego konkretnego cementu potwierdzona jest również jego kompatybilność z domieszką, jednak kompatybilność ta dotyczy tylko tego układu – cement spełniający podane wymagania, ale z innej cementowni może dać już efekt negatywny odnośnie do kompatybilności.
Polecamy: Regulacja szybkości wiązania betonu za pomocą domieszek
Przewidując do zastosowania w recepturze jakiekolwiek dodatki, trzeba również uwzględnić możliwość zarówno polepszenia, jak i pogorszenia skuteczności działania w tym układzie danej domieszki. Szczególnie może to dotyczyć popiołów lotnych, dla których ważne jest pochodzenie. Mimo że podobnie jak cement będą spełniać wymogi normy PN-EN 450-1 [6], to ich podatność na interakcje z domieszką mogą być różne, bo np. ich skład mineralny jest różny, ponieważ używany w procesie spalania węgiel pochodzi z innych kopalni.
Fot. 1. Efekt źle dobranych domieszek (fot. autora)
Kompatybilność domieszek do betonu z innymi domieszkami
W składzie betonu bardzo często używa się więcej niż jednej domieszki. Bardzo popularne układy to:
- plastyfikator + superplastyfikator,
- plastyfikator + domieszka napowietrzająca,
- superplastyfikator + domieszka napowietrzająca,
- plastyfikator + superplastyfikator + domieszka napowietrzająca.
W powyższych kombinacjach dość często mogą się pojawiać dodatkowo domieszki przyspieszające bądź opóźniające, stosowane np. ze względu na warunki atmosferyczne prowadzenia robót betonowych, bądź też domieszki uszczelniające lub zwiększające więźliwość wody ze względu na szczególne wymagania dla właściwości betonu. Wobec tego dochodzi do wielu interakcji między samymi domieszkami oraz pomiędzy danym zestawem domieszek a konkretnym cementem. Same interakcje między domieszkami powinny być znane, jeśli domieszki pochodzą od jednego producenta. Praktycznie regułą jest, że producenci domieszek sprawdzają, a następnie informują w kartach katalogowych produktów o możliwych połączeniach poszczególnych domieszek ze sobą. Przy takich informacjach w zasadzie użytkownik nie powinien się spodziewać niespodzianek wynikających z negatywnych interakcji między samymi domieszkami, ale nie oznacza to, że w ostatecznej konfiguracji zestawu domieszek w obecności cementu zjawiska takie nie wystąpią. Z kolei stosowanie domieszek pochodzących od różnych producentów zwiększa ryzyko negatywnych oddziaływań między sobą.
Fot. 2. Segregacja mieszanki na skutek źle dobranych domieszek (fot. autora)
W kontekście kompatybilności domieszek pomiędzy sobą trzeba też zwrócić uwagę na możliwość negatywnej interakcji między domieszkami stosowanymi do betonu a tymi stosowanymi na etapie produkcji cementu, zwłaszcza poprawiającymi proces mielenia. Mogą one wpływać niekorzystnie np. na działanie domieszek napowietrzających. Ogólnie też można stwierdzić, że domieszki napowietrzające są szczególnie wrażliwe na jakiekolwiek interakcje z pozostałymi składnikami betonu.
Zobacz: Domieszki do betonów w praktyce budowlanej
Domieszki do betonu. Normowy wymóg kompatybilności
W normie PN-EN 206 [1] w rozdziale 5, w którym sformułowane są zalecenia dla składu betonu, wymaga się użycia składników (w tym domieszek) o ustalonej przydatności do konkretnego założonego zastosowania betonu. Oznacza to, że można stosować wyłącznie domieszki zgodne z normą PN-EN 934-2 [2], a gdy nie są nią objęte, zgodnie z Europejską Oceną Techniczną lub Krajową Oceną Techniczną. Nie zapewnia to niestety ich kompatybilności z pozostałymi składnikami ani też między sobą.
Dlatego w pkt 5.2.6 (4) normy [1] pojawia się następujący wymóg:
W przypadku stosowania więcej niż jednej domieszki, kompatybilność stosowanych domieszek należy sprawdzić w badaniach wstępnych. Dodatkowo w załączniku L w pkt 8 uzupełniono, że Jeśli dostawca domieszki napowietrzającej nie przeprowadził badania kompatybilności z innymi domieszkami, zaleca się wykonanie takiego badania w ramach badań wstępnych.
Sprawdzenie zatem układu surowcowego zastosowanego w projektowanej recepturze powinno nastąpić na etapie obowiązkowych badań wstępnych. To właśnie na tym etapie następuje weryfikacja kompatybilności. Ważne jest przy tym, że badania wstępne należy powtórzyć, jeśli nastąpiły istotne zmiany składników, a jeszcze ważniejsze, iż zmiana domieszek jest tą istotną zmianą składników. Tak samo zdefiniowana domieszka, np. plastyfikator, o takiej samej bazie surowcowej, np. lignosulfonian, ale pochodzący od różnych producentów, może wykazywać zgoła odmienne interakcje z pozostałymi składnikami betonu.
Inne czynniki wpływające na kompatybilność domieszek do betonu
Rozważając problem kompatybilności domieszek z cementem oraz między sobą, nie można pozostać jedynie na poziomie ich interakcji chemicznych i fizycznych odniesionych do sterylnych warunków laboratoryjnych. Istnieje bowiem jeszcze wiele innych czynników, które mogą wpływać na lepszą i gorszą ich współpracę w danym układzie surowcowym, ale przy zmiennych warunkach technologicznych i środowiskowych. Przedstawiono je na schemacie zaczerpniętym z publikacji [4], w której też można znaleźć szczegóły dotyczące aktualnej wiedzy o możliwościach modyfikacji betonu domieszkami, w tym także zagrożeniami ich kompatybilności.
Piśmiennictwo
- PN-EN 206+A1:2016-12 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
- PN-EN 934-2+A1:2012 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Część 2: Domieszki do betonu. Definicje, wymagania, zgodność, oznakowanie i etykietowanie.
- PN-EN 480-1:2014-12 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Metody badań. Część 1: Beton wzorcowy i zaprawa wzorcowa do badania.
- P Łukowski, Modyfikacja materiałowa betonu, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2016.
- PN-EN 197-1:2012 Cement. Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku.
- PN-EN 450-1:2012 Popiół lotny do betonu. Część 1: Definicje, specyfikacje i kryteria zgodności.
dr inż. Grzegorz Bajorek, prof. PRz
Politechnika Rzeszowska
Centrum Technologiczne Budownictwa
Instytut Badań i Certyfikacji
