Domieszki uplastyczniające i upłynniające w teorii i praktyce budowlanej

Najczęściej stosowanymi do­mieszkami chemicznymi w prak­tyce budowlanej są domieszki modyfikujące właściwości reologiczne mieszanki betonowej, czyli domiesz­ki uplastyczniające (plastyfikatory) i upłynniające (superplastyfikatory). domieszki te różnią się między sobą sposobem działania na mieszankę be­tonową, stąd też zasada ich działania oraz umiejętność właściwego doboru odgrywają niezwykle istotne znaczenie w technologii betonu.

Według normy – PN-EN 934-2 Do­mieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Cz. 2: Domieszki do betonu. Definicje, wymagania, zgodność, oznakowanie i etykietowanie – domieszką nazywamy substancję dodawaną podczas wykony­wania mieszanki betonowej, w ilości nie większej niż 5% masy cementu w celu zmodyfikowania właściwości mieszanki betonowej i/lub stwardniałego betonu. W zależności od sposobu działania do­mieszek chemicznych na właściwości mieszanki betonowej wyróżniamy do­mieszki: redukujące ilość wody/uplastyczniające, znacznie redukujące ilość wody/upłynniające, zwiększające więźliwość wody, napowietrzające, przyspieszające/opóźniające wiązanie, przyspie­szające twardnienie, uszczelniające.

Domieszki uplastyczniające i upłyn­niające stanowią najważniejszą grupę domieszek chemicznych i najczęściej wykorzystywaną w technologii betonu. Dzięki tym domieszkom możliwe jest produkowanie mieszanek betonowych o  zwiększonej ciekłości bez zmiany wytrzymałości, zmniejszenie użycia cementu przy zachowaniu tej samej ciekłości i wytrzymałości oraz zwięk­szenie wytrzymałości projektowanego betonu przez redukcję wody zarobowej bez zmiany ciekłości mieszanki beto­nowej [1]. Tak różnorodne oddziały­wanie domieszek uplastyczniających i upłynniających na mieszankę betono­wą sprawia, że dzisiejsza technologia betonu wykorzystuje te substancje do produkcji zarówno zwykłych betonów towarowych, jak i do betonów spe­cjalnych, między innymi: fibrobetonów, betonów samozagęszczalnych, natryskowych czy betonów wysokiej i ultrawysokiej wytrzymałości.

Rys. 1 Zmiana szybkości opadania zawiesiny cząstek cementu w zależności od zastoso­wanej domieszki (źródło: badania własne)

Plastyfikatory zostały po raz pierw­szy zastosowane jako modyfikatory matrycy cementowej w latach 50. ubiegłego stulecia. Bazę chemiczną plastyfikatorów stanowią głównie lignosulfoniany sodu lub wapnia (LS) będące pochodnymi celulozy. Działają one przez zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody, umożliwiając redukcję wody zarobowej maksymalnie do 12%. Z kolei superplastyfikatory w zależności od prekursora polimero­wego oraz jego masy cząsteczkowej działają według różnych mechanizmów i upłynniają mieszankę betonową od 12 do 40%. Pierwsze superplastyfikatory zostały zastosowane do upłyn­niania mieszanki betonowej w latach 70. XX w. Chemicznie domieszki te oparte były na sulfonowanych polikondensatach melamino-formaldehydowych (SMF) oraz sulfonowanych polikondensatach naftaleno-formaldehydowych (SNF). Superplastyfikatory te działają według mechanizmu smar­nego lub elektrostatycznego. W obu przypadkach cząsteczki superplastyfikatora adsorbują się na ziarnach cementu, zwiększając w ten sposób ich zwilżenie i powodując rozbicie aglomeratów cementu. W przypadku częściej spotykanego oddziaływania elektrostatycznego superplastyfikatory zawierające w swych łańcuchach grupy funkcyjne typu SO₃-, COO-, adsorbując się na ziarnach cemen­tu, nadają im ładunek ujemny i powo­dują odpychanie się ziaren cementu między sobą [2]. Ponadto do super- plastyfikatorów pierwszej generacji zaliczamy modyfikowane lignosulfoniany (MLS) i inne związki, np. sul­fonowane aminy aromatyczne (AS). W celu uzyskania lepszego upłynnie­nia i/lub obniżenia kosztów wykonania mieszanki betonowej, wynikających z dozowania drogich superplastyfikatorów, stosowano również mie­szaniny plastyfikatorów i superplastyfikatorów, np. lignosulfonianów i sulfonowanych polikondensatów naftaleno-formaldehydowych [3, 4]. No­wej generacji domieszki upłynniające to związki z grupy polikarboksylanów (PC), kopolimerów kwasów akrylowych z akrylanami (CAE) czy sieciowanych żywic akrylowych (CLAP) [5]. Bazę chemiczną tych superplastyfikatorów stanowią głównie poliakrylany lub po­limetakrylany modyfikowane różnymi łańcuchami bocznymi doczepionymi do łańcucha głównego. Działają one we­dług tzw. mechanizmu sterycznego. Ich wysoka efektywność w upłynnianiu mieszanki betonowej wynika z cha­rakterystycznej budowy. Superplastyfikatory te posiadają bowiem dużą masę cząsteczkową i przestrzennie rozbudowane łańcuchy polimerów, które adsorbując się na ziarnach ce­mentu, stwarzają fizyczną barierę między nimi, przeciwdziałając w ten sposób flokulacji cementu [6]. Polime­ry te bardzo często posiadają w swo­jej budowie grupy hydrofilowe, dlatego oprócz oddziaływania przestrzennego obserwuje się w przypadku tych do­mieszek również oddziaływanie elek­trostatyczne. Łączne działanie obu efektów umożliwia upłynnienie mie­szanki betonowej nawet o 40%. Na rys. 1 przedstawiono zmianę objęto­ści sedymentujących cząstek cemen­tu w wodzie w zależności od zastoso­wanej domieszki chemicznej. Badania pokazują, w jakim stopniu dodatek plastyfikatora i superplastyfikatora SMF wpływa na stopień zdyspergo- wania cząstek cementu w wodzie, i w prosty sposób tłumaczą działanie obu domieszek. Superplastyfikator SMF umożliwia dobre zdyspergowanie cząstek cementu w wodzie, zawiesi­na cementu i wody utrzymywała się w tym przypadku przez około 90 mi­nut. W przypadku dodania plastyfika­tora zdyspergowanie cząstek cemen­tu było znacznie mniejsze, a objętość osadu nie ulegała zmianie już po 40 minutach. Najszybciej opadały cząstki cementu w czystej wodzie.

Rys. 2 Wielkość rozpływu zaprawy cementowej w cm w zależności od czasu i ilości domieszki uplastyczniającej (źródło: badania własne)

Bardzo ważnym zagadnieniem zwią­zanym ze stosowaniem domieszek uplastyczniających, a szczególnie upłynniających w praktyce budowla­nej jest kompatybilność domieszek z cementami i dodatkami oraz wpływ temperatury na efektywność ich dzia­łania. Badania prowadzone przez [7] wykazały, że działanie superplastyfikatorów najnowszej generacji wyko­nanych na bazie polikarboksylanów PC i polieterów PE zależy od składu jakościowego cementu, szczególnie zawartości fazy C3A (fazy glinianowe) oraz zawartości wolnych alkaliów Na2Oe. W badaniach wykazano, że efektywność działania superplastyfikatorów spada wraz ze wzrostem fazy C3A i wolnego Na2Oe. Ponadto na efektywność działania superplastyfikatorów istotne znaczenie ma stopień miałkości cementu, im jest on wyższy, tym mniej efektywne sta­je się działanie superplastyfikatorów, oraz obecność dodatków pucolanowych lub hydraulicznych innych niż klinkier cementowy. Na rys. 2 i 3 przedstawiono wpływ ilości domiesz­ki uplastyczniającej na urabialność zapraw cementowych wykonanych z czystego cementu klinkierowego CEM I i cementu hutniczego CEM III z dodatkiem żużla wielkopiecowego. Badania pokazują, że w przypadku zaprawy z cementu hutniczego po 30 minutach od zarobienia znacz­nie spada jej urabialność, domieszka uplastyczniająca działa o wiele słabiej niż w przypadku zaprawy wykonanej z czystego cementu klinkierowego.

Efektywność działania domieszek uplastyczniających i upłynniających zależy również w dużej mierze od temperatury otoczenia. Wiele domie­szek chemicznych to roztwory wodne polimerów, stąd też stosowanie ich jest wskazane w temperaturach po­wyżej 5°C. W niższych temperaturach efektywność działania domieszek spa­da, przez co pojawiają się problemy z uzyskaniem pożądanej konsystencji mieszanki betonowej i opóźnienia w jej wiązaniu. Na rys. 3 przedstawiono zależność wpływu temperatury na po­czątek wiązania zaprawy cementowej z przykładową domieszką komplekso­wą uplastyczniająco-opóźniającą wią­zanie. Badania pokazują, że obniżenie temperatury wydłuża dodatkowo czas wiązania cementu z domieszką upla­styczniającą, natomiast w podwyż­szonych temperaturach efektywność domieszki spada i jej działanie jest znikome. Ma to bardzo często prze­łożenie na końcową wytrzymałość na ściskanie wytwarzanych betonów (zazwyczaj następuje pogorszenie pa­rametrów wytrzymałościowych) i jest niezmiernie istotne z praktycznego punktu widzenia.

Rys. 3 Wielkość rozpływu zaprawy cementowej w cm w zależności od czasu i ilości domieszki uplastyczniającej (źró­dło: badania własne)

Zastosowanie domieszek upłynniających w wybranych betonach specjalnych

Przez pojęcie betony specjalne ro­zumiemy betony o podwyższonych parametrach fizykomechanicznych, przeznaczone do specjalnych za­stosowań, między innymi betony hydrotechniczne, fibrobetony, be­tony samozagęszczalne czy beto­ny wysokiej (BWW) i ultrawysokiej wytrzymałości (BUWW). Wysokie wymagania stawiane betonom spe­cjalnym, takie jak: niskie w/c, dobra urabialność, niska nasiąkliwość, wy­soka mrozoodporność i wodoszczel­ność, sprawiają, że współczesna technologia betonu nie istnieje bez domieszek chemicznych, głównie upłynniających. Ustalenie optymal­nych receptur mieszanek betono­wych dla betonów specjalnych przy udziale domieszek i bardzo często różnych dodatków uszczelniających ma wielkie znaczenie w praktyce budowlanej. Jednym z nowszych trendów w technologii betonów specjalnych są betony samozagęszczalne, które przez właściwy dobór poszczególnych składników (ilość drobnych frakcji kruszywa, dodatki uszczelniające, domieszki upłynniają­ce i poprawiające lepkość) wykazują tendencję do samoistnego rozpływu i zagęszczenia pod własnym cięża­rem. Istotnym elementem uzyska­nia mieszanki betonowej o średnicy rozpływu powyżej 55 cm jest oprócz właściwego zaprojektowania składu mieszanki zastosowanie odpowied­niego superplastyfikatora z lub bez domieszki poprawiającej lepkość mieszanki betonowej. W tab. 1 przedstawiono przykładowe recep­tury betonów samozagęszczalnych wykonanych z cementu CEM II B/S z dużą ilością popiołów lotnych i sto­sunkowo niską jak na tego typu be­tony ilością spoiwa, uwzględniając uzyskaną konsystencję i wytrzy­małość na ściskanie po 28 dniach wiązania. Do wykonania mieszanek betonowych zastosowano najnow­szej generacji superplastyfikator na bazie polikarboksylanów.

Rys. 4 Początek wiązania cementu (czas w min.) w zależności od ilości domieszki uplastycz­niającej i temperatury otoczenia (źródło: badania własne)

Stosowanie domieszek upłynniających z innymi domieszkami

Wśród domieszek chemicznych wy­różniamy również tzw. domieszki kompleksowe – domieszki, które wpły­wają na kilka właściwości mieszanki i/ lub stwardniałego betonu równocześ­nie. Zgodnie z normą PN-EN 934-2 wyróżniamy domieszki kompleksowe o działaniu opóźniającym wiązanie, które równocześnie redukują ilość wody i uplastyczniają lub upłynniają mieszankę betonową, oraz domieszki kompleksowe przyspieszające wiąza­nie i posiadające właściwości reduku­jące ilość wody i uplastyczniające.

W przypadku betonów mrozoodpornych i hydrotechnicznych oprócz do­mieszek uplastyczniających i upłyn­niających stosowane są również domieszki napowietrzające. Domiesz­ki napowietrzające są substancjami powierzchniowo czynnymi składają­cymi się z długiego łańcucha węglo­wodorowego zakończonego grupą hydrofilową. Bazę chemiczną domie­szek napowietrzających stanowią sole kwasów tłuszczowych, alkaliczne sole żywic drzewnych oraz alka­liczne sole siarczanów i sulfonianów związków organicznych. W obecności domieszki napowietrzającej podczas wykonywania mieszanki betonowej tworzą się równomiernie rozmiesz­czone pęcherzyki powietrza o wielko­ści od 20 do 250 gm. Wytworzone pęcherzyki powietrza przerywają cią­głość kapilar, w wyniku czego zmniej­sza się podciąganie kapilarne wody i następuje wzrost mrozoodporno­ści betonu [8]. Badania prowadzone przez [9, 10] wykazały, że bardzo istotne w równoczesnym stosowa­niu różnych domieszek chemicznych jest ich wzajemna kompatybilność. Stosowanie domieszek upłynniających z domieszkami napowietrzającymi może wpływać na stopień napowie­trzenia mieszanki betonowej, same superplastyfikatory bowiem dodawa­ne w większych ilościach mogą na­powietrzać mieszankę w znacznym stopniu. Potwierdzeniem tego są wyniki badań podstawowych parame­trów mieszanki betonowej z łącznym zastosowaniem domieszki upłynnia­jącej typu SMF i napowietrzającej przedstawione w tab. 2. Wyniki ze­stawiono z wynikami uzyskanymi dla mieszanki betonowej bez domieszki napowietrzającej. Do badań użyto cement hutniczy CEM III A 42,5 N (Małogoszcz) oraz pyły krzemionko­ we Silimic U (Huta Łaziska) w ilości 10% w stosunku do masy cementu. Zastosowano kruszywo naturalne otoczakowe: piasek 0/2, żwir drobny 2/8, żwir gruby 8/16 (Dąbrowa k. Po­znania). Maksymalną szczelność sto­su okruchowego kruszyw dokonano według metody kolejnych przybliżeń. W celu uzyskania pożądanej konsy­stencji przy stosunkowo niskim w/c = 0,38 i 10-procentowym dodatku pyłów krzemionkowych zaproponowa­no dodatek superplastyfikatora SMF oraz mieszaniny superplastyfikatora SMF i domieszki napowietrzającej.

Tab. 1 Przykładowe receptury betonów samozagęszczalnych i wybranych parametrów fizykomechanicznych (źródło: badania własne)

Tab. 2 Wybrane parametry fizykomechaniczne betonów hydrotechnicznych (źródło: badania własne)

Podsumowanie

W artykule przedstawiono najważ­niejsze zagadnienia związane z che­mią domieszek uplastyczniających i upłynniających oraz przykłady ich praktycznego wykorzystania w beto­nach o specjalnym przeznaczeniu. Do­mieszki dodane już w niewielkiej ilości wpływają na wiele cech świeżej mie­szanki betonowej i/lub stwardniałego betonu i są nieodzownym składnikiem współczesnych betonów. Zgodnie z obowiązującymi trendami badaw­czymi bardzo ważnym aspektem sto­sowania domieszek chemicznych jest ich zgodność z innymi domieszkami i dodatkami mineralnymi oraz umie­jętne zastosowanie w mieszankach betonowych.

Literatura

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

2. C. Jolicoeur, M.A. Simard, ChemicalAdmixture-Cement Interactions: Phenomenology and Physico-chemical Concepts, „Cement and Concrete composites” nr 20/1998.

3. J. Jasiczak, P Mikołajczak, Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami,Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1997.

4. D.Y. Chang, S.Y.N. Chan, R.P Zhao, The combined admrnture of calcium Ugnosulphonate and suphonated naphthaiene formaldehyde condensates,Construction and Building Materials nr 8/1995.

5. P Łukowski, Nowe osiągnięcia w dzie­dzinie domieszek do betonu, „Bu­downictwo Technologie Architektura” nr 1/2002, s. 38.

6. PC. Aitcin, Domieszki: najważniejszy składnik nowoczesnego betonu, „Ce­ment Wapno Beton” nr 5/2006.

7. J. Gołaszewski, Influence of cement properties on new generation superplasticizersperformance, Construction and Building Materials nr 35/2012.

8. Wymagania techniczne dla betonowych nawierzchni drogowych, IBDiM, War­szawa 2010.

9. S. Hanehara, K. Yamada, Interaction between cement and chemical admrnture from the point of cement hydration, absorption behaviour of admrnture, and paste rheology, „Cement and Concrete Research” nr 29/1999.

10. S. Erdogdu, Compatibiiity of superpiasticizers with cements different in composition, „Cement and Concrete Research” nr 30/2000.