Domieszki do betonów

Obecna oferta domieszek do betonów to bardzo duża grupa substancji. Dzięki ich zastosowaniu można modyfikować różnorodne właściwości betonów, a przede wszystkim poprawiać ich cechy mechaniczne, odporność na środowisko agresywne, jednorodność strukturalną czy trwałość.

Lista aprobowanych i deklarowanych substancji stosowanych jako składniki domieszek oraz dotyczące ich wymagania ogólne zawarte są w normie PN-EN 934-1:2009 [1].

Historia stosowania domieszek do betonów

Kompozyty cementowe zaczęto modyfikować w 1. połowie XX w. Dzięki zastosowaniu plastyfikatorów w postaci niemodyfikowanych lignosulfonianów uzyskiwano wówczas beton o korzystniejszych parametrach przy jednoczesnej redukcji cementu, co pozwalało takżee obniżyć koszty produkcji.

Te pozytywne doświadczenia dały początek dalszym poszukiwaniom domieszek chemicznych, usprawniających proces technologiczny wytwarzania betonu, a także poprawiających cechy użytkowe.

Tak pojawiła się na przełomie lat 60. i 70. XX w. grupa domieszek zwanych superplastyfikatorami, do której zalicza się: polikondensaty sulfonowanego naftalenu i formaldehydu oraz melaminy i formaldehydu (SNF lub NFS), sulfonowany kondensat melaminowo-formaldehydowy (SMF), natomiast w latach 80. i 90. – grupa polikarboksylatów (PCC). Początek XXI w. to era ultrasuperplastyfikatorów tworzonych na bazie polikarboksyloeterów (PCE) i modyfikowanych lignosulfonianów.

Charakterystyka domieszek chemicznych

Badania laboratoryjne w zakresie modyfikacji kompozytów cementowych prowadzone na całym świecie pozwoliły usystematyzować domieszki chemiczne w następujące grupy:

• redukujące ilość wody (uplastyczniające),
• znacznie redukujące ilość wody (upłynniające),
• napowietrzające,
• przyspieszające wiązanie,
• opóźniające wiązanie,
• uszczelniające,
• kompleksowe (wpływające na kilka właściwości mieszanki lub stwardniałego betonu).

Domieszki są dozowane podczas wykonywania mieszanki betonowej, w ilości nieprzekraczającej 5% w odniesieniu do masy cementu, w celu modyfikacji właściwości mieszanki betonowej lub stwardniałego betonu.

Grupy domieszek według normy

Charakterystyka domieszek do betonów zawarta jest w normie PN­‑EN 934-2+A1:2012 [2]. Domieszki zdefiniowano w niej w sposób następujący:

• domieszka redukująca ilość wody – uplastyczniająca – pozwala na redukcję zawartości wody zarobowej w mieszance betonowej bez wpływu na jej konsystencję lub bez zmniejszenia ilości wody zwiększa opad stożka/rozpływ albo ma wywołać oba te efekty jednocześnie;
• domieszka znacznie redukująca ilość wody – upłynniająca – pozwala na znaczne zmniejszenie zawartości wody w mieszance betonowej bez wpływu na jej konsystencję lub bez zmniejszenia ilości wody znacznie zwiększa opad stożka/rozpływ albo ma wywołać oba te efekty jednocześnie;
• domieszka zwiększająca więźliwość wody – ma skutkować zmniejszeniem ubytków wody przez zmniejszenie jej samoczynnego wydzielania, na poziomie £ 50% w stosunku do mieszanki kontrolnej. Jej stosowanie poprawia spoistość i pompowalność mieszanki;
• domieszka napowietrzająca – wprowadza podczas mieszania określoną ilość drobnych, równomiernie rozłożonych pęcherzyków powietrza, które na trwałe pozostają w stwardniałym betonie;
• domieszka przyspieszająca wiązanie – pozwala skrócić czas procesu przechodzenia mieszanki betonowej ze stanu plastycznego w sztywny;
• domieszka przyspieszająca twardnienie – pozwala przyspieszyć narastanie wytrzymałości betonu, lecz niekoniecznie wpływa na czas wiązania;
• domieszka opóźniająca wiązanie – przedłuża czas do rozpoczęcia procesu przechodzenia mieszanki ze stanu plastycznego w stan sztywny;
• domieszka uszczelniająca – zmniejsza absorpcję kapilarną stwardniałego betonu przez utrudnienie wnikania i transportu wody w głąb struktury materiału;
• domieszka opóźniająca wiązanie/redukująca ilość wody/uplastyczniająca – łączy w sobie oddziaływanie domieszki redukującej ilość wody/uplastyczniającej, jako działanie podstawowe, z działaniem domieszki opóźniającej wiązanie, jako działanie dodatkowe;
• domieszka przyspieszająca wiązanie/znacznie redukująca ilość wody/upłynniająca – łączy w sobie oddziaływanie domieszki redukującej ilość wody/uplastyczniającej, jako działanie podstawowe, z działaniem domieszki przyspieszającej wiązanie, jako działanie dodatkowe.

Domieszka redukująca ilość wody – uplastyczniająca

Zgodnie z wymaganiami zawartymi w normie PN-EN 934­‑2+A1:2012 [2] zastosowanie domieszki uplastyczniającej powinno umożliwić zmniejszenie ilości wody zarobowej o min. 5% w stosunku do mieszanki kontrolnej o identycznej konsystencji, w efekcie wprowadzenia superplastyfikatora redukcja ta powinna zaś wynosić min. 12%.

Oczekuje się, że dzięki obniżeniu wskaźnika w:c przy jednoczesnym zastosowaniu omawianych domieszek nastąpi wzrost wytrzymałości na ściskanie stwardniałego betonu, tj. w przypadku plastyfikatora – po 7 i 28 dniach o min. 10%, a w przypadku superplastyfikatora – po 1 dniu o min. 40%, a po 28 dniach o min. 15% w stosunku do betonu kontrolnego.

Domieszka znacznie redukująca ilość wody – upłynniająca

Może być stosowana również w celu zwiększenia ciekłości mieszanki, przy zachowaniu stałych proporcji głównych składników. W normie PN-EN 934-2+A1:2012 [2] sprecyzowano minimalne wymagania odnośnie do zwiększenia opadu stożka (na poziomie 120 mm) i zwiększenia rozpływu (160 mm), przy czym konsystencja mieszanki po 30 min od momentu dodania domieszki nie powinna być niższa od wartości początkowej konsystencji mieszanki kontrolnej.

Domieszka napowietrzająca

Wprowadzana jest do mieszanki w celu wytworzenia przerywających ciągłość kapilar kulistych porów powietrznych o średnicach rzędu 20–250 mm [3], co skutkuje zwiększeniem mrozoodporności kompozytu. Stąd zaleca się ich stosowanie w przypadku kompozytów narażonych na cykliczne zamrażanie-rozmrażanie (klasy ekspozycji XF2, XF3, XF4 według normy PN-EN 206-1:2003 [4]).

Objętościowa zawartość powietrza w napowietrzonej mieszance powinna kształtować się na poziomie 4–6% i jednocześnie być wyższa o co najmniej 2,5% w odniesieniu do mieszanki kontrolnej. Należy zwrócić uwagę, iż efektywne oddziaływanie domieszki na odporność mrozową betonu uwarunkowane jest prawidłowym rozlokowaniem porów (współczynnik rozmieszczenia £ 0,2 mm).

Negatywnym skutkiem działania domieszki napowietrzającej jest osłabienie matrycy cementowej, co przekłada się na obniżenie wytrzymałości na ściskanie kompozytu, przy czym spadek ten po 28 dniach dojrzewania nie powinien przekraczać 25% wartości wyznaczonej w odniesieniu do betonu kontrolnego.

Domieszka przyspieszająca wiązanie

Znajduje zastosowanie głównie przy projektowaniu betonów natryskowych oraz przy wykonywaniu awaryjnych napraw. Początek wiązania mieszanki z omawianą domieszką nie powinien nastąpić przed upływem 30 min w temp. 20°C, a w temp. 5°C powinien być o co najmniej 60% krótszy niż w przypadku mieszanki kontrolnej.

Zastosowanie domieszki przyspieszającej wiązanie może prowadzić do obniżenia wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach dojrzewania betonu, jednak zgodnie z normą PN-EN 934-2+A1:2012 [2] wartość ta powinna wynosić co najmniej 80% wytrzymałości betonu kontrolnego, a po 90 dniach przekraczać wytrzymałość betonu niemodyfikowanego.

Domieszka przyspieszająca twardnienie

Jej zastosowanie ma na celu poprawę dynamiki narastania początkowej wytrzymałości mechanicznej betonu, dlatego wykorzystywane są one głównie w prefabrykacji.

Zgodnie z wymaganiami normowymi w temp. 20°C jednodniowa wytrzymałość na ściskanie betonu z domieszką powinna stanowić co najmniej 120% wytrzymałości betonu kontrolnego, natomiast w temp. 5°C po dwóch dniach – co najmniej 130%. Niektóre domieszki przyspieszające twardnienie mogą powodować obniżenie 28-dniowej wytrzymałości kompozytu, które jednak nie powinno przekraczać 10%.

Domieszka opóźniająca wiązanie

W praktyce budowlanej często niezbędne jest opóźnienie początku wiązania spoiwa cementowego, np. w celu prawidłowego ­wbudowania mieszanki, która ma być przez długi czas transportowana, a także przy dużych objętościach układanego betonu lub podczas betonowania w okresie letnim.

Wymagania stawiane domieszkom opóźniającym wiązanie, sformułowane w normie PN­‑EN 934­‑2+A1:2012 [2] odnoszą się zarówno do czasu początku wiązania modyfikowanej zaprawy (co najmniej o 90 min dłuższy niż w przypadku mieszanki kontrolnej), jak i do końca wiązania (czas wydłużony nie więcej niż o 360 min).

Z uwagi na możliwość obniżenia początkowej wytrzymałości betonów modyfikowanych opóźniaczami wiązania sformułowano wymagania dotyczące 7-dniowej oraz 28-dniowej wytrzymałości na ściskanie: odpowiednio ³ 80% i ³ 90% wytrzymałości betonu kontrolnego.

Inny podział domieszek

Podział domieszek na grupy i typy przedstawiony został w pracy „Beton i jego technologie” [1] (TABELA).

Na FOT. 1–6 przedstawiono przykładowe obrazy przekroju poprzecznego betonu niemodyfikowanego (B1) (FOT. 1–2) oraz dwóch betonów z domieszkami: upłynniającą (B2) (FOT. 3–4) i napowietrzającą (B3) (FOT. 5–6). Betony wykonano eksperymentalnie z użyciem cementu CEM I 42,5R w celu sprawdzenia skuteczności działania zastosowanych domieszek.

Punktem wyjścia była ta sama recepta składników podstawowych, przy stosunku w:c  =  0,5. Mieszanka B2 uzyskała lepszą płynność niż B1, podobnie jak mieszanka B3. Na podstawie badania wytrzymałości na ściskanie betony B1 i B2 sklasyfikowano jako C30/37, a beton B3 – jako C16/20.

Na podstawie analizy FOT. 1–6 można zauważyć, iż w matrycy betonu B1 występują pory wynikające z niedogęszczenia mieszanki w formach, czego już nie zauważa się w przypadku betonu B2 – z udziałem superplastyfikatora.

Widoczne są jednak wyraźne pory powstałe w wyniku niedostatecznego samoodpowietrzenia superplastyfikatora, wskazujące na zbyt szybkie zaformowanie betonu. Może to być przyczyną przypisania go do tej samej klasy wytrzymałości co beton B1.

Obraz betonu B3 ukazuje wyraźnie zwiększoną ilość porów, jednak o średnicy o wiele mniejszej niż w przypadku betonów B1 i B2. Dobrze ten stan ukazują zdjęcia mikroskopowe (FOT. 7–8).

Podsumowanie

Betony nowej generacji, po które sięga obecnie większość wykonawców, muszą nie tylko spełniać wymagania dotyczące klasy wytrzymałości. Muszą być również trwałe przy oddziaływaniu czynników zewnętrznych w danej klasie ekspozycji według normy PN-EN 206-1:2003 [4].

Przedstawiona charakterystyka domieszek chemicznych może być pomocna przy projektowaniu kompozytów cementowych mających oczekiwane właściwości użytkowe, jednak ich efektywność wciąż wymaga prowadzenia próbnych badań laboratoryjnych.

Wynika to z różnorodności stosowanych substancji modyfikujących właściwości betonów i możliwości ich wzajemnego oddziaływania.

Osobnym problemem jest kompatybilność domieszek ze spoiwem cementowym i dodatkami mineralnymi. Dlatego zagadnienia modyfikacji betonów pozostają wciąż w sferze zainteresowań naukowców i są przedmiotem wielu prac badawczych prowadzonych w ośrodkach naukowych.

Literatura

1. PN-EN 934-1:2009, „Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Część 1: Wymagania podstawowe”.
2. PN-EN 934-2+A1:2012, „Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Część 2: Domieszki do betonu. Definicje, wymagania, zgodność, oznakowanie i etykietowanie” (oryg.).
3. P. Łukowski, „Domieszki do zapraw i betonów”, Polski Cement, Kraków 2003.
4. PN-EN 206-1:2003, „Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność”.
5. PN-EN 480, „Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Metody badań”, Części 1–14.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!