4. Í Rola plastyfikatorów i superplastyfikatoró · Rola plastyfikatorów i ... utrzymania stałych źródeł zaopatrzenia w kruszywa i przede ... (przy jednoczesnym zmniejszeniu

4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 1

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami Alma Mater

4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów

4.1 Przesłanki do stosowania plastyfikatorów i superplastyfikatorów Pierwsza publikacja o dużym znaczeniu, w której omówiono wpływ małych ilości niektórych związ-ków organicznych na zwiększenie urabialności kompozycji cementowych ukazała się już w 1932 r. Pod-kreślano wówczas skuteczność w tej roli soli sulfanowych kwasów naftaleno−formaldehydowych. Impuls ten nie przyniósł oddźwięku w postaci badań, prób zgłębienia tematu i informacja ta długo nie została wykorzystana. Jednakże w latach trzydziestych i czterdziestych, w praktyce budowlanej rozpowszechniło się stosowanie związków lignosulfonowych, w wielu krajach używanych do dziś. W latach pięćdziesią-tych jako domieszki uplastyczniające wprowadzono sole kwasów hydroksykarboksylowych. Natomiast czas domieszek o znacznie większej skuteczności oddziaływania, tzw. superplastyfikatorów, w niektórych krajach nastał na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych [44]. Dziś stosowanie domieszek i dodatków do betonu jest bardzo rozpowszechnione w wysoko uprzemy-słowionych krajach świata. Dla przykładu ilość betonów zawierających dodatki w stosunku do całej ich produkcji wynosi: w Niemczech − 60%, USA − 70%, a w Japonii aż 80% i co ważne są to dane z począt-ku lat dziewięćdziesiątych, a dynamika wzrostu w tej mierze jest znaczna [39]. Przykładem może być Austria, gdzie udział betonów modyfikowanych plastyfikatorami i superplastyfikatorami przed 10 laty wynosił 40%, przed 5 laty już 50−60%, aktualnie szacuje się na ponad 70%. Interesująca jest też struktura użycia środków plastyfikujących, czy upłynniających. Te pierwsze na rynku austriackim stanowią 70%, drugie około 20%, pozostałe to głównie reduktory wody, czy domieszki napowietrzające. W dużej mierze plastyfikatory są popularniejsze od superplastyfikatorów ze względu na niższą cenę. Stosuje się je na ogół w celu poprawy urabialności. Superplastyfikatory zapewniają zarówno upłynnienie, jak i redukcję wody zarobowej [17]. W przypadku gdy stosujemy domieszkę utrzymując założoną wartość W/C mieszanki betonowej − czynimy ją bardziej ciekłą, co znacznie ułatwia szczelne ułożenie betonu. Zwłaszcza szczelne zagęszcze-nie dużych ilości mieszanki betonowej stanowi zawsze pracochłonne zadanie. Uciążliwość jest tym więk-sza, gdy stosuje się kruszywo łamane oraz gdy ze względu na wymaganą jakość betonu nie można zwięk-szyć ilości wody zarobowej [43]. W innym przypadku wprowadzanie domieszki umożliwia zmniejszenie ilości wody zarobowej, przy jednoczesnym zachowaniu założonej konsystencji mieszanki betonowej, co prowadzi do zwiększenia wytrzymałości, wodoszczelności, mrozoodporności i w ogóle trwałości betonu. Przy niedużym zmniejszeniu ilości wody można uzyskać efekt będący wypadkową obydwu tych oddzia-ływań [44]. Sens zastosowania środków uplastyczniających i upłynniających graficznie oddaje wykres zmian kon-systencji w funkcji wartości stosunku wodno−cementowego W/C w obszarze dwóch krzywych, obrazując pole manewru technologicznego [76].

Rys. 4.1. Pole manewru technicznego przy zastosowaniu środków plastyfikujących, lub upłynniających [76]

Innym efektem zastosowania domieszki uplastyczniającej, lub superplastyfikatora, z jednoczesnym zmniejszeniem ilości wody zarobowej, może być oszczędność cementu dla uzyskania danej klasy betonu



przy zachowaniu konsystencji mieszanki i wytrzymałości betonu. Te trzy przesłanki do stosowania pla-styfikatorów i superplastyfikatorów zostały tutaj jedynie zasygnalizowane, a szczegółowo zostaną omó-wione w dalszym toku pracy [44]. Spróbujmy odpowiedzieć jeszcze na pytanie o technologiczne cele stosowania plastyfikatorów oraz superplastyfikatorów. Pierwszym niech będzie ułatwienie pracy na placu budowy. Firmy budowlane oczekują tak zaprojektowanego betonu, aby ten oznaczał się dobrą urabialnością i którego zabudowanie nie nastręcza kłopotów. Domieszki uplastyczniające i upłynniające ułatwiają wbudowywanie betonu o podwyższonej plastyczności (aż do konsystencji ciekłej) czasem w kombinacji z domieszkami spowalnia-jącymi szybkość utraty konsystencji i proces wiązania cementu. Podczas całego czasookresu wbudowy-wania betonu należy także utrzymać tą samą konsystencję, co stanowić może pewne utrudnienie, zwłasz-cza wobec krótkotrwałego oddziaływania superplastyfikatorów, lecz nie jest to w praktyce budowlanej problemem, a zagadnienie dotyczące korelacji dozowania domieszki i reologii mieszanki betonowej sta-nowić będzie tematykę odrębnego rozdziału opracowania [76]. Kolejnym technologicznym celem stosowania domieszek tu omawianych jest konieczność produk-cji betonu o powtarzalnych własnościach. Produkcja takiego betonu wymaga jednorodnego cementu o powtarzających się właściwościach (charakterystyka wytrzymałościowa, wodożądność, szybkie wiązanie i twardnienie), utrzymania stałych źródeł zaopatrzenia w kruszywa i przede wszystkim utrzymania stałej zawartości wody w recepturze. Ostatni aspekt nie jest łatwy do utrzymania, ponieważ zmienna charakte-rystyka piasku oznacza zmienną wodożądność, podobnie jak niejednorodny przemiał cementu, także za duży udział frakcji 4/8 zwiększa zapotrzebowanie wody. Następnym celem jest wymóg dotrzymania wymagań wytrzymałościowych przy możliwie niskiej zawartości cementu. Domieszki upłynniające i uplastyczniające pozwalają obniżyć zużycie cementu z możliwością redukcji wody bez uszczerbku dla końcowej wytrzymałości betonu. Obniżenie W/C po-zwala osiągnąć kolejny technologiczny cel stosowania domieszek. Jest to skrócenie czasu pielęgnacji świeżego betonu i ograniczenie kosztów z tym związanych [76]. Plastyfikatory i superplastyfikatory pozwalają ponadto zmniejszyć skłonność do występowania zary-sowań i spękań, poprzez 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 kryterium oceny jakości prac. Nawet za-barwienie betonu zależy nie tylko od surowców, ale między innymi od stosunku W/C (niższe W/C daje beton ciemniejszy). Niski poziom tego wskaźnika daje możliwość uzyskania zamkniętych powierzch-ni betonu, bez porów, pęcherzyków powietrza, wżerów, jam itp. Rzutuje to także na kolejny cel stosowa-nia plastyfikatorów i superplastyfikatorów, czyli na trwałość konstrukcji betonowej. Domieszki te pozwa-lają na zaprojektowanie betonu odpornego na agresję wody, mrozu, soli odladzających, dwutlenku węgla i innych chemicznych odczynników. Obniżenie W/C poprawia szczelność betonu, jego struktura jest bar-dziej zwarta i nieprzepuszczalna dla czynników zewnętrznych [76]. Zwróćmy jeszcze uwagę na dziedzinę, w której zastosowanie zwłaszcza superplastyfikatorów jest nie-odzowne i rodzi szerokie możliwości rozwoju, czyli technologię betonów wysokiej wytrzymałości. Su-perplastyfikatory stosowane łącznie z mikrowypełniaczami, są podstawą technologii otrzymywania beto-nów wysokiej wytrzymałości. Obecność upłynniaczy jest jednym z podstawowych warunków do ujaw-nienia unikalnych właściwości mikrokrzemionki w układzie z cementem. Nawiasem mówiąc przy zasto-sowaniu samego tylko dodatku superplastyfikatora i odpowiedniej kontroli składu ziarnistego cementu, można otrzymać betony wysokich wytrzymałości, nawet do pułapu B100, co przy użyciu samego tylko pyłu krzemionkowego nie jest możliwe. Świadczy to o dużych możliwościach modyfikacji struktury be-tonów wysokowartościowych przy użyciu tych dodatków i domieszek [30]. Efektywność działania superplastyfikatora zależy od wielu czynników takich, jak dawka domieszki, jej rodzaj i moment dozowania, poziom wskaźnika wodno−cementowego, rodzaj i skład chemiczny ce-mentu, dawka pyłu krzemionkowego, itd. Zatem ze względu na złożoność i szereg wzajemnych oddzia-ływań wyżej wymienionych czynników konieczne jest doświadczalne sprawdzenie, w konkretnych wa-runkach, wpływu domieszki upłynniającej na właściwości reologiczne mieszanki betonowej BWW [65]. Problematyka ta zostanie przybliżona w dalszej części tego rozdziału.



4.2 Charakterystyka i podział plastyfikatorów i superplastyfikatorów Domieszki do betonów można podzielić na kategorie według:

• mechanizmu ich oddziaływania na główne składniki betonu, • składu chemicznego, • podstawowego efektu technologicznego uzyskiwanego wskutek zastosowania odpowiedniej do-

mieszki. Z punktu widzenia praktyki budowlanej najbardziej istotne są efekty technologiczne, więc stanowią one podstawę klasyfikacji w normatywach. Jako kryterium zaliczania domieszki do danego rodzaju, przyjmuje się spełnianie przez nią wymagań dotyczących podstawowego efektu działania na mieszankę betonową i/lub stwardniały beton. W przypadku gdy domieszka modyfikuje wyraźnie więcej niż jedną cechę betonu, zalicza się ją do domieszek dwufunkcyjnych (kompleksowych) [44]. Pierwszą normą dotyczącą domieszek ustanowioną w Polsce była PN−85/B−23010 „Domieszki do betonu. Klasyfikacja i określenia”. Przyjęto w niej układ klasyfikacyjny obejmujący ok. 20 grup domie-szek. Interesujące nas domieszki modyfikujące właściwości reologiczne mieszanki betonowej oraz zawar-tość w niej powietrza ujęto w jednej grupie podzielonej na:

• domieszki uplastyczniające i upłynniające (superplastyfikatory), • domieszki zagęszczające, • domieszki zwiększające ilość wody.

W grupie tej w kręgu zainteresowań wynikającym z tematyki tego rozdziału znajdą się te pierwsze − powodujące, w różnym stopniu uplastycznienie mieszanki betonowej oraz zaprawy. Są to substancje chemiczne, zwłaszcza związki powierzchniowo czynne o działaniu hydrofilowym, a także inne związ-ki wielkocząsteczkowe, wywierające działanie dyspergujące, smarne lub zmniejszające napięcie po-wierzchniowe wody. Głównym celem ich użycia jest: zwiększenie ciekłości mieszanki betonowej lub za-prawy, bez zmiany składu (W/C = const.), lub zwiększenie wytrzymałości betonu (efekt reduk-cji wskaźnika W/C przy zachowaniu konsystencji wyjściowej), czy wreszcie niższe zużycie cementu bez uszczerbku dla wytrzymałości i urabialności mieszanki betonowej (z jednoczesną redukcją ilości wody zarobowej) [56]. Odrębną kategorię stanowią domieszki kompleksowe uplastyczniające lub upłynniające − przyspieszające. Te z kolei mają na celu zwiększenie ciekłości mieszanki betonowej w takim stopniu, jaki uzyskuje się w przypadku domieszek uplastyczniających czy upłynniających, lecz bez negatywnego wpływu na wytrzymałość betonu. Drugą możliwością jaką dają te domieszki jest zwiększenie wytrzyma-łości, zwłaszcza początkowej, betonu w stopniu większym niż uzyskuje się stosując domiesz-ki uplastyczniające (przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości wody zarobowej w betonie, przy zachowaniu jednakowej konsystencji mieszanki betonowej) [57]. Ogólna klasyfikacja oraz definicje wszystkich obecnie istniejących rodzajów domieszek w Europie zostają aktualnie kodyfikowane w normie EN 934 „Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu”. Część pierwsza jest w stadium projektu, a część druga zostanie w najbliższej przyszłości przyjęta i wdrożona. W odróżnieniu od Polskiej Normy, koncentruje się na kilku zaledwie, najpowszechniej używanych, rodza-jach domieszek do betonu, podobnie jak czynią to Amerykanie w normach ATSM [44]. Wracając do kręgu zagadnień związanych z systematyką dodatków uplastyczniających i upłynniających spróbowano odpowiedzieć sobie na pytanie: gdzie przebiega granica podziału między plastyfikatorami i superplastyfikatorami? Otóż superplastyfikatory zwiększają ciekłość mieszanki beto-nowej w znacznie większym stopniu, niż zwykłe domieszki uplastyczniające lub alternatywnie: umożli-wiają zdecydowanie większe zmniejszenie ilości wody zarobowej w mieszance, co w konsekwencji po-woduje wyraźnie większy wzrost wytrzymałości betonu. To właśnie wielkość tych głównych efektów oddziaływania stanowi kryterium, na podstawie którego daną domieszkę zalicza się do plastyfikatorów lub upłynniaczy. Należałby sprecyzować podstawy, na których opiera się wyżej wymienione rozgrani-czenie. Dla szerszego ujęcia zagadnienia posłużę się danymi zawartymi w Polskiej Normie PN−90/B−06243 „Domieszki do betonu. Domieszki uplastyczniające i upłynniające. Wymagania i bada-nie efektów oddziaływania na beton” oraz propozycjami wspomnianego już projektu normy EN 934-2:1994. Pamiętać należy, że efekty oddziaływania domieszki wykorzystywanej w celu upłynnie-nia (uplastycznienia) mieszanki betonowej ocenia się porównując właściwości betonu zawierającego ba-dany produkt oraz betonu kontrolnego, wykonanych z mieszanek o jednakowym W/C. Jeśli z kolei do-mieszka ma być wykorzystywana w celu zwiększenia wytrzymałości betonu, jej oddziaływanie ocenia się



przez porównanie właściwości betonu zawierającego badany produkt oraz betonu kontrolnego, wykona-nych z mieszanek o jednakowej konsystencji, co oznacza zmniejszoną ilość wody zarobowej w mieszance z domieszką. Zaznaczyć należy, że w EN przewidziano stosowanie plastyfikatorów tylko w celu zwięk-szenia wytrzymałości betonu [44]. Podejście do sklasyfikowania omawianych domieszek jest jednak bardzo zróżnicowane, czego najlep-szym przykładem są normatywy niemieckie. Dla plastyfikatora BV (Betonver−flüssiger) kryterium bada-nia stanowi warunek: koniec wiązania zaczynu cementowego przy podwojonym maksymalnym dozowa-niu domieszki powinien nastąpić w czasie krótszym, niż 16 godzin. Badanie przeprowadza się na 16 ce-mentach. Tak ustawione kryterium powoduje, że poziom dozowania plastyfikatorów jest niewielki i leży w granicach 0,2÷0,5% w stosunku do masy cementu. Natomiast w przypadku superplastyfikatora FM (Fliessmittel) Niemcy badają efekt jego działania mierząc zmiany w średnicy rozpływu stożka, która po-winna się zwiększyć o minimum 8 cm, po dodaniu domieszki. W efekcie jedna domieszka może mieć jednocześnie obydwa niemieckie dopuszczenia na rynek, tak jako plastyfikator, jak i superplastyfikator, np. Addiment BV6/FM6, czy inny produkt tego producenta BVF/FMF. Biorąc pod uwagę kłopoty z jednoznacznym rozstrzygnięciem specyfikacji parametrów technologicz-nych plastyfikatorów wiele krajów nie wprowadziło tego podziału środków plastyfikujących, lub przyjęło inne kryteria oceny [76]. W dotychczasowych rozważaniach ujęcie klasyfikacyjne było przyporządkowa-ne efektowi technologicznemu uzyskiwanemu wskutek zastosowania odpowiedniej domieszki. Spójrzmy teraz na domieszki uplastyczniające i upłynniające przez pryzmat ich budowy i składu che-micznego. Zgodnie z powyższym plastyfikatory można uszeregować w sposób następujący: [44,76] a) Sole kwasów lignosulfonowych (lignosulfoniany wapniowe, potasowe, sodowe) np. Klutan A, Klutan

P, Addiment BV1, Addiment BV3. Związki lignosulfonowe powstają jako produkt uboczny przy pro-dukcji celulozy z drewna metodą siarczynową. Nawiasem mówiąc to właśnie te związki w latach 30−tych dały początek stosowaniu jakichkolwiek domieszek do betonów. Problemem są tu cukry znajdujące się w wywarze posiarczynowym, w ilości do 30% w przeliczeniu na substancje stałe pod-czas, gdy domieszka tego typu nie powinna zawierać więcej niż 12% cukrów. Wywar przeznaczony do produkcji domieszki zostaje więc poddany odcukrzeniu [43]. Nieoczyszczony surowiec opóźnia w dużym stopniu, reaguje zmiennie i powoduje osiadanie grubej warstwy szlamu, nie daje powtarzal-nych wyników, co go dyskwalifikuje [76]. Lignosulfoniany wprowadzają zwykle małe ilo-ści powietrza (2−3%) i wykazują także działanie opóźniające. Opóźnienie wiązania wzrasta znacznie, gdy dodatek plastyfikatora jest zbyt duży [34]. Opóźniający wpływ na początek wiązania zachodzi w sytuacji, gdy nie zmniejszamy ilości wody zarobowej. Natomiast, gdy redukujemy ilość wody mając na celu podniesienie wytrzymałości − proces wiązania ulega przyspieszeniu (np. w przypadku Klutenu P. o około godzinę) [44].

b) Sole kwasów hydroksykarboksylowych (Ca, Na, trietanoloaminy) np. kwas glikonowy. Związki z tej grupy nie wykazują działania napowietrzającego, także opóźniają wiązanie, co również znacznie wzrasta w przypadku zbyt dużych dawek domieszki. Do domieszek grupy a) i b) wprowadza się do-datki modyfikujące ich działanie, a mianowicie zwiększające wpływ napowietrzający lub przyspiesza-jący wiązanie [34].



Tablica 4.1 Porównanie podstawowych wymagań PN−90/B−06243 i prEN 934-2:1994 dla domieszek uplastyczniających i upłynniających stosowanych w celu zwiększenia ciekłości mieszanki betonowej [44] Wyszczególnienie Wymagania wg PN−90/B−06243 prEN 934−2:1994

DOMIESZKI UPLASTYCZNIAJĄCE Zwiększanie (poprawa) cie−kłości mieszanki betonowej z domieszką; zmiana konsysten-cji mieszanki o składzie wzorco-wym z wartości , stożka opado-wego 30±10 mm do wartości

≥ 70 mm

Zmniejszenie ciekłości mieszan-ki betonowej z domieszką (w funkcji czasu) − zmiana konsy-stencji po upływie 30 min od wprowadzenia domieszki

nie więcej niż o 60% w po-równaniu z konsystencją tej samej mieszanki, zmierzoną po 10 min od wprowadzenia domieszki

norma nie określa wymagań dla domieszek uplastyczniających stosowanych w celu zwiększenia ciekłości mieszanki betonowej

Zawartość powietrza w mieszance betonowej z domieszką

nie większa niż 2%

Wytrzymałość na ściskanie beto-nu z domieszką w porównaniu z betonem kontrolnym2) po 28 dniach

≥ 90%

DOMIESZKI UPŁYNNIAJĄCE Zwiększanie (poprawa) ciekło-ści mieszanki betonowej z domieszką − zmiana konsysten-cji mieszanki o składzie wzorco-wym1) z wartości stożka opado-wego 30±10 mm do wartości

≥ 150 mm

≥ 150 mm

Zmniejszenie ciekłości mieszan-ki betonowej z domieszką (w funkcji czasu) − zmiana konsy-stencji po upływie 30 min od wprowadzenia domieszki

nie więcej niż o 60% w po-równaniu z konsystencją tej samej mieszanki, zmierzoną po 10 min od wprowadzenia domieszki

do wartości nie mniejszej niż wartość wyjściowej konsysten-cji mieszanki kontrolnej

Zawartość powietrza w mieszance betonowej z domieszką

nie większa niż 2%

wzrost nie większy niż o 2% w porównaniu z mieszanką kontro-lną

Wytrzymałość na ściskanie beto-nu z domieszką w porównaniu z betonem kontrolnym2) po 28 dniach [%]

≥ 90%

≥ 90%

1) skład betonów wzorcowych wg PN−90/B−06040 i prEN 480−1:1994, 2) beton z domieszką i beton kontrolny wykonuje się z mieszanek o jednakowym W/C.



Tablica 4.2 Porównanie podstawowych wymagań PN−90/B−06243 i prEN 934-2:1994 dla domieszek uplastyczniających i upłynniających stosowanych w celu zwiększenia wytrzymałości betonu [44] Wyszczególnienie Wymagania wg PN−90/B−06243 prEN 934−2:1994

DOMIESZKI UPLASTYCZNIAJĄCE Zmniejszanie ilości wody zaro-bowej w mieszance z domieszką w porównaniu z mieszanką kon-trolną1)

≥ 8%

≥ 5%

Zawartość powietrza w mieszance z domieszką2)

nie większa niż 2% wzrost nie większy niż 2% w porównaniu z mieszanką kon-trolną

Wytrzymałość na ściskanie beto-nu z domieszką w porównaniu z betonem kontrolnym: • po 1 dniu • po 7 dniach • po 28 dniach

≥ 115% nie określa się ≥ 105%

nie określa się ≥ 110% ≥ 110%

DOMIESZKI UPŁYNNIAJĄCE Zmniejszanie ilości wody zaro-bowej w mieszance z domieszką w porównaniu z mieszanką kon-trolną1) o

≥ 16%

≥ 12%

Zawartość powietrza w mieszance z domieszką2)

nie większa niż 2% wzrost nie większy niż 2% w porównaniu z mieszanką kon-trolną

Wytrzymałość na ściskanie beto-nu z domieszką w porównaniu z betonem kontrolnym: • po 1 dniu • po 28 dniach

≥ 135% ≥ 115%

≥ 140% ≥ 115%

1) Beton z domieszką i beton kontrolny wykonuje się z mieszanek o jednakowej konsystencji, 2) Wymaganie jest podane jako podstawowe tylko w prEN 934−2:1994. c) Związki karbominowe d) Polimery hydroksylowe (np. ze skrobi) e) nonylofenyle oksyetylowane Superplastyfikatory dzielą się na: a) Sulfonowany kondensat melaminowo−formaldehydowy (SMF) np. Addiment FMF i FM1, Sika-

ment FF; związek ten buduje także domieszkę kompleksową SKP-26 [44]. Są to syntetycznie wypro-dukowane polimery z żywicy melaminowej. Osiągają pełną skuteczność dopiero przy wyższym do-zowaniu. Nie zauważa się ubocznych działań typu napowietrzającego, czy opóźniającego. Produkty te nadają się najlepiej do wyrównania wahań jakości betonu występujących z powodu zmiennych wła-ściwości technologicznych piasku (niejednolitość uziarnienia, zmienne zawilgocenie) [76]. Uważa się, że szybkość utraty płynności maleje ze wzrostem stężenia superplastyfikatora, a jednak beton z super-plastyfikatorem SMF mimo wysokiego poziomu dozowania, bardzo szybko traci płynność utrzymując urabialność na stałym poziomie przez zaledwie 15 minut. Nawet przy wielokrotnym dozowaniu wzrost lepkości jest tu najintensywniejszy, lecz zagadnienie to zostanie omówione szerzej w punkcie 4.5 [44]. Upłynniacze tej grupy nadają betonowi pewnej kleistości, działając stabilizująco, a w połą-czeniu z domieszkami napowietrzającymi zapewniają utrzymanie porów powietrznych w betonie [76].

b) Sulfonowany kondensat naftalenowo-formaldehydowy (SNF) np. Addiment FM9, Sikament NN, Betoplast 1, Betoplast 6. Sulfonaty naftalenowe są to, podobnie jak żywice melaminowe, polimery



wyprodukowane syntetycznie z naftalenu (produkt przeróbki węgla i ropy naftowej). Związki te już w niewielkich ilościach działają plastyfikująco na beton. Naftaleny działają skutecznie przy wysokiej zawartości środków wiążących, przy zastosowaniu drobnego piasku, lub przy wysokim udziale w kru-szywie miałkich frakcji [76]. Superplastyfikatory na bazie naftalenu są efektywniejsze w dyspergowa-niu cementu i mają pewne właściwości opóźniające [39]. Upłynniacze naftalenowe SNF okazują się także skuteczniejsze w oddziaływaniu na właściwości reologiczne mieszanki betonowej (granicę pły-nięcia i lepkość pozorną) w stosunku do upłynniaczy melaminowych SMF. Różnica ta jest tym więk-sza, im bardziej jest opóźnione dozowanie superplastyfikatora [65].

c) Mieszaniny sulfonatów melaminowo-naftalenowych np. Addiment FM6. Ponieważ dla uzyskania betonu ciekłego dozowanie preparatów melaminowych jest stosunkowo wysokie, kombinacja mela-minowo-naftalenowa daje ten sam efekt przy o połowę niższym dozowaniu. Efekt działania superpla-styfikatora zanika w czasie najszybciej dla preparatów melaminowych (ok. 20 min), najwolniej dla preparatów naftalenowych (ok. 60 min). Mieszaniny tych dwóch związków dają efekt dokładnie wy-pośrodkowany [76].

d) Modyfikowane sole kwasów lignosulfonowych e) Inne: polimery o nie zbadanych szerzej właściwościach, których charakterystykę podają tylko wy-

twórcy, np. wielkopierścieniowe sulfoniany, kwasy alkiloarylosulfonowe, sulfonowane polistyreny i inne [34].

Domieszki uplastyczniające i upłynniające można wreszcie uszeregować z punktu widzenia mechani-zmu ich oddziaływania na główne składniki betonu, o czym dokładnie mowa będzie już w następnym punkcie podczas omawiania idei działania tych domieszek. 4.3 Idea działania domieszek plastyfikujących i upłynniających Domieszki takie są wytwarzane z różnych substancji chemicznych, wywierających działanie dysper-gujące, smarne i zmniejszających napięcie powierzchniowe wody, powodujących utrzymanie się w mie-szance betonowej początkowo znacznych ilości wolnej wody na skutek opóźnienia tworzenia się etryngi-tu i/lub zmniejszenie ilości wody utrzymywanej w otoczkach solwatacyjnych wokół ziaren cementu i pyłów (cząstek wielkości do 0.125 mm). Powstający z opóźnieniem etryngit wiąże znaczne ilości wody i konsystencja mieszanki betonowej stopniowo zwiększa się (mieszanka gęstnieje). Zanim to nastą-pi zwiększa się ciekłość oraz urabialność zaprawy, lub mieszanki betonowej [44]. W tym miejscu należałoby zaprezentować mechanizmy oddziaływań zachodzących podczas uaktywnia-nia się domieszek plastyfikujących i upłynniających. 4.3.1 Działanie dyspergujące W grupie domieszek uplastyczniających i upłynniających występują także związki organiczne charak-teryzujące się wyłącznie działaniem dyspergującym i nie będące związkami powierzchniowo czynnymi. Takie domieszki zwiększają ciekłość mieszanki betonowej, natomiast nie mają działania napowietrzają-cego i zwilżającego. Są to np. sole kwasów hydroksykarboksylowych, sulfonaty melaminowe, czy sulfo-naty naftalinowe [44]. Mechanizm oddziaływania tych związków na właściwości świeżej zaprawy oraz mieszanki betonowej polega na adsorpcji cząsteczek upłynniaczy na powierzchni ziarn cementu i cząstek pyłu, co neutralizuje ładunki powierzchniowe i wywołuje siły odpychania pomiędzy ziarenkami cementu. Zaadsorbowane czą-steczki o charakterze anionowym nadają powierzchniom ładunek ujemny. Na pograniczu faz, to jest wo-kół ziarn cementu i cząstek pyłów, tworzy się podwójna warstwa elektryczna, tzw. warstwa Helmhol-za-Sterna i potencjał elektrokinetyczny dzeta. W wyniku powstawania znacznych sił odpychających, na-stępuje rozpad aglomeratów cząstek cementu na drobniejsze fragmenty. Powietrze i woda zamknięte w tych aglomeratach zostają uwolnione, co schematycznie zaprezentowano na rysunku 4.2. Stopień dyspersji cementu w wodzie zwiększa się, co powoduje znaczny wzrost ciekłości mieszanki betonowej lub zaprawy i poprawę jej urabialności [34,44]. Rodzaj superplastyfikatora ma naturalnie wpływ na adsorbcję, natomiast wraz ze wzrostem dawki domieszki maleje potencjał elektrokinetyczny. Łatwo powstają wokół ziarn cementu otoczki wody. Ponadto cząsteczki superplastyfikatora przeciwdzia-łają adhezji cząstek cementu, w wyniku czego uzyskuje się znaczną deflokulację (tj. rozsegregowanie)



zawiesiny. Działanie deflokulacyjne jest zróżnicowane dla różnych frakcji ziarnowych, a uwidacznia się szczególnie wyraźnie dla ziarn grubszych.

Rys. 4.2 Schemat działania dyspergującego: [44]

a − cząsteczka cementu (aglomerat), b − woda uwolniona Zwróćmy jeszcze uwagę na wyraźnie zarysowaną różnicę w wielkości i charakterze adsorpcji między omawianymi superplastyfikatorami naftalenowymi i melaminowymi, a związkami powierzchniowo czynnymi − zwłaszcza lignosulfonianami. Otóż plastyfikatory powodują zmniejszenie napięcia po-wierzchniowego na granicy faz ciecz - powietrze, czego jednym z efektów jest umiarkowane napowie-trzenie mieszanki betonowej. Superplastyfikatory prawie nie zmniejszają napięcia powierzchniowego, natomiast znacznie zmniejszają energię międzyfazową na granicy ciało stałe - ciecz, w efekcie czego praktycznie brak będzie jakiegokolwiek napowietrzenia mieszanki betonowej, przy jednocześnie inten-sywnym działaniu dyspergującym tych domieszek. Zwiększenie zaś liczby cząsteczek cementu przyspie-sza jego hydratację [34]. 4.3.2 Działanie zmniejszające napięcie powierzchniowe wody Istnieje wyraźna zależność między właściwościami poszczególnych związków powierzchniowo czyn-nych, a ich oddziaływaniem na cechy mieszanki betonowej oraz betonu. Związki te odznaczają się w róż-nym stopniu zdolnością zmniejszania napięcia powierzchniowego wody i poprawy jej zdolności do zwil-żania oraz działania dyspergującego, co powoduje w konsekwencji zróżnicowany wzrost ciekło-ści mieszanki betonowej. Zmniejszanie napięcia powierzchniowego wody jest związane z dipolową bu-dową cząsteczek substancji powierzchniowo czynnych. Większość z nich jest wydłużona asymetrycznie: na przeciwległych końcach ma biegun dodatni i ujemny, czemu towarzyszy stały moment dipolowy. Jed-ną część cząsteczki stanowi zwykle naładowana dodatnio hydrofobowa grupa węglowodorowa, drugą: naładowana ujemnie grupa hydrofilowa. Związki powierzchniowo czynne, które w środowisku wodnym przyłączają koordynacyjne cząsteczki wody nazywa się hydrofilowymi, a te które cząsteczki wody odpy-chają − hydrofobowymi [44]. W roztworze wodnym cząsteczki te ustawiają się na granicy faz woda − powietrze, prostopadle do powierzchni granicznej, orientując się częścią hydrofilową do wody, a częścią hydrofobową, odpychaną przez wodę, na zewnątrz tzn. w kierunku powietrza. W konsekwencji czego na powierzchni wody tworzy się warstwa adsorpcyjna, często jednocząsteczkowa. Jest ona mniej, lub bardziej szczelna, zależnie od stężenia związku powierzchniowo czynnego w wodzie. Tworzenie się zorientowanych warstw adsorpcyj-nych stanowi warunek zmniejszenia napięcia powierzchniowego na granicy faz w wyniku działania sił międzycząsteczkowych (tzw. sił Van der Waalsa). Wynikiem tego jest właśnie poprawa ciekło-ści zaprawy lub mieszanki betonowej, uzyskiwana przez zmniejszenie sił oddziaływania między czą-steczkami wody w warstwie granicznej stykających się z powierzchnią stałych cząsteczek cementu i pyłów, na których został zaadsorbowany związek powierzchniowo czynny domieszki. W zależności od zdolności do dysocjacji elektrolitycznej w roztworach wodnych, substancje po-wierzchniowo czynne dzielimy na jonowe i niejonowe. Jeśli w wyniku dysocja-cji cząsteczki hydrofobowy łańcuch stanowi anion (reszta węglowodorowa), wówczas substancja jest czynna anionowo, jeśli zaś kation − jest czynna kationowo [44]. W wyniku wprowadzenia do zaczynu niejonowych domieszek powierzchniowo czynnych, ziarna cementu nabierają właściwo-ści hydrofilowych, analogicznie jak w obecności związków anionowo czynnych. Nie wpływa to więc na przebieg hydratacji. Także zmiany właściwości stwardniałego betonu przy użyciu związków niejonowych są bardzo zbliżone do wpływu związków anionowo czynnych. Zbyt duży dodatek związku powierzch-



niowo czynnego nie pociąga za sobą tak negatywnych skutków, jak w przypadku środków napowietrza-jących. 4.3.3 Działanie smarne Uplastycznienie mieszanki może być także spowodowane działaniem smarnym warstewek domiesz-ki zaadsorbowanej na ziarnach cementu i kruszywa. Wytwarzający się poślizg między cząsteczka-mi powoduje zmniejszenie tarcia wewnętrznego w mieszance betonowej. Schematycznie zobrazowane to zostaje poniżej [44].

Rys. 4.3 Schemat działania smarnego [44]

4.4 Funkcje domieszek uplastyczniających i upłynniających 4.4.1 Zmiana konsystencji mieszanki betonowej przy stałym W/C Istnieją trzy możliwości uzyskania z betonu o konsystencji gęstoplastycznej, wymagającego do wła-ściwego zagęszczenia wibracji, betonu miękkiego, łatwo przerabialnego, o konsystencji półciekłej. Jest to:

• zwiększenie ilości zaczynu cementowego, • zastosowanie plastyfikatora, • zastosowanie superplastyfikatora (możliwość upłynnienia mieszanki).

Zwróćmy uwagę na pierwszą z możliwości. Aby zmienić konsystencję betonu i poprawić jego płyn-ność, mierzoną średnicą rozpływu stożka o ok. 1 cm, potrzeba dodatkowo wprowadzić do betonu 1.5 do 2 litrów wody. Beton o konsystencji półciekłej potrzebowałby od 10 do 13 litrów wody więcej, niż beton plastyczny. Dla wyrównania straty wytrzymałości konieczne jest wprowadzenie do betonu dodatkowo 20 kg cementu (inna możliwość to wprowadzenie dodatkowo popiołów lotnych) [76]. Taka droga, chociaż pozornie atrakcyjna dla użytkownika wykazuje pewne niebezpieczeństwa: [76]

• beton o podwyższonej zawartości cementu będzie wykazywał skłonności do segregacji składni-ków i wydzielania wody; trwałość betonu, odporność na agresję chemiczną i ochrona korozyjną zbrojenia pozostaje praktycznie bez zmian,

• zmiana ta wyraźnie negatywnie odbija się na wielkości skurczu (wzrost skurczu nawet o 25%), • pojawienie się niebezpieczeństwa wystąpienia rys temperaturowych, • obniżenie ścieralności, itp.

Biorąc pod uwagę powyższe mankamenty wynikające ze zwiększenia ilości tak wody, jak i cementu w kręgu zainteresowań. jeśli chodzi o zmianę konsystencji mieszanki betonowej, pozostaje użycie plastyfi-katorów i superplastyfikatorów. Ich działanie, ponieważ jest uzależnione od znacznej ilości czynników zewnętrznych, zostanie tutaj przybliżone w odniesieniu do konkretnych produktów, zastosowanych w określonych warunkach. Natomiast pewne prawidłowości zachodzące podczas stosowania plastyfikato-rów i superplastyfikatorów np. wpływ rodzaju i ilości cementu na działanie domieszek, czy też wpływ momentu i sposobu dozowania na właściwości reologiczne mieszanek betonowych, zostaną tutaj zasy-gnalizowane, a szczegółowo omówione w dalszej części tego rozdziału pracy. Zaczynając od domieszek uplastyczniających − na przykład lignosulfoniany: Addiment BV3 i BVT poprawiają ciekłość i urabialność mieszanki bez zmiany jej składu, także zmniejszają co ważne jej podat-ność na segregację. Stwardniały beton ma wówczas bardziej jednorodną i szczelną strukturę. Wobec cze-go np. dla mieszanki betonowej, gdzie W/C=0.59, przy użyciu cementu portlandzkiego CP35 w ilości



300 kg/m3 i dawce domieszek rzędu 0.2% wagi cementu, udało się zwiększyć opad stożka z 8.5 cm (be-ton kontrolny) do 14.5 cm uzyskując mieszankę ciekłą [44]. W przypadku zastosowania krajowego plastyfikatora np. Klutanu P bez zmniejszania ilości wody za-robowej, powoduje się silne uplastycznienie mieszanki betonowej o jeden, a nawet o dwa stopnie konsy-stencji. Efekt uplastyczniający zwiększa się wraz ze wzrostem ilości domieszki, naturalnie w określonych granicach. Dla wskaźnika W/C=0.53 poziom opadu stożka zmienił się odpowiednio z 1.5 cm (beton kon-trolny) do 5.5 cm − 5% Klutanu P. oraz do 8.5 cm przy dawce domieszki rzędu 0.9%. Wytrzymałość be-tonu wykonanego z mieszanek o zwiększonej ciekłości praktycznie nie zmniejsza się w porównaniu z betonem kontrolnym: spadek R28 nie przekracza 5%, czyli jest mniejszy niż wartość dopuszczalna Polską Normą. Co ciekawe, dawka 0.7% Klutanu P. w celu zwiększenia płynności przy stałym W/C, podnosiła wytrzymałość betonu, zwłaszcza wczesną (1−dniową) nawet o 15% [43,44]. Dodać należy także, że za-czyny cementowe wykonywane przy opóźnionym dozowaniu domieszki, charakteryzowały się większą ciekłością niż te, w których domieszka stosowana była razem z wodą zarobową [43]. Omawiając wpływ plastyfikatorów na urabialność betonów zwrócono uwagę na to, iż maleje ona zwykle z temperaturą, lecz w przypadku użycia domieszki może się różnie kształtować. Są plastyfikatory, przy których udziale beton nie wykazuje zmian urabialności ze wzrostem temperatury (np. sole sodowe kwasów karboksylowych poliakryloarylowych). Po modyfikacji ich składu można nawet uzyskać plasty-fikator powodujący wzrost urabialności betonu ze wzrostem temperatury [34]. Przejdźmy teraz do wpływu superplastyfikatorów. Są one domieszkami o znacznie silniejszym działa-niu od plastyfikatorów zwykłych, przy czym działanie to jest bardziej ograniczone w czasie (z wyjątkiem superplastyfikatorów o działaniu opóźniającym). Za przykład ilustrujący te prawidłowości niech posłużą produkty firmy „Sika Chemie”. Rysunek 4.4 obrazuje przykładowe działanie plastyfikatora Plastiment 40 i superplastyfikatorów Sikament (uwaga: Sikament 10 jest właśnie upłynniaczem o charakterze opóźnia-jącym) [21].

Rys. 4.4 Wpływ superplastyfikatorów i plastyfikatora na konsystencję mieszanki betonowej w czasie [21] Dobre superplastyfikatory charakteryzują się natychmiastowością działania (pełny efekt już podczas mieszania, a nie np. dopiero po zawibrowaniu mieszanki), możliwością dozowania w dowolnym momen-cie do mokrej mieszanki (np. dozowanie pierwotne i wtórne), ponadto nie powinny wpływać negatywnie na skurcz i zawartość powietrza w betonie. Superplastyfikatory dają efekt samozagęszczenia się mieszan-ki i usuwania z niej nadmiaru powietrza, spełniają więc równocześnie funkcję domieszek zagęszczają-cych [21]. Pierwszym superplastyfikatorem, którego wpływ na zmianę konsystencji mieszanki betonowej przy-bliżono, jest Betoplast 1. Wpływa on silnie dyspergująco, zmniejszając napięcie powierzchniowe wody poprawia jej zdolności zwilżające. Zależność ilości Betoplastu 1 i skuteczności jego oddziaływania bada-



no stosując beton kontrolny wykonany z cementu portlandzkiego marki 35 oraz kruszywa naturalnego o uziarnieniu do 20 mm, przy zawartości cementu 300 kg/m3, W/C=0.53 i konsystencji mieszanki kontrol-nej (wg Ve−Be) − 4s. Zwróćmy uwagę jak kształtuje się konsystencja w zależności od ilości superplastyfikatora.

Rys. 4.5 Konsystencja mieszanki betonowej przy stałym W/C, zależnie od ilości Betoplastu 1 [44]

Zastosowanie Betoplastu 1 bez zmian podstawowego składu betonu powoduje silne uplastycznienie mieszanki: dla 1% domieszki uzyskujemy konsystencję półciekłą (opad stożka: 7 cm), przy zawartości 1.5% − konsystencję ciekłą (opad stożka: 12 cm) i wreszcie dla 3% Betoplastu 1 nastąpił całkowity roz-pływ mieszanki (25 cm opadu stożka ) [44]. Z kolei na podstawie doświadczeń z betonami zawierającymi różne ilości cementu należy podkreślić, że upłynnienie wyraźnie zwiększa się wraz ze wzrostem zawarto-ści cementu. I tak np. mieszanka zawierająca 500 kg/m3 cementu zmieniła konsystencję z plastycznej na płynną (25 cm opadu stożka) przy udziale 1.5% Betoplastu 1 dozowanego bezpośrednio do przygotowa-nej mieszanki betonowej [41,44]. Dodanie domieszki do gotowej mieszanki spowodowało większe jej upłynnienie, niż w przypadku wprowadzenia wraz z wodą zarobową do suchej mieszanki. Skład mie-szanki, która ma uzyskać konsystencję płynną, powinien zapewniać brak możliwości segregacji składni-ków betonu. Można to uzyskać zwiększając nieco ilość piasku o 5% (o uziarnieniu do 2 mm) lub przez łagodne napowietrzenie mieszanki (zwiększanie ilości powietrza: maksymalnie o 2% w stosunku do mie-szanki wyjściowej). Czas utrzymywania się płynnej konsystencji oscyluje w granicach 30÷50 min. Duże działanie uplastyczniające Betoplastu 1 zostało potwierdzone także w badaniach reologicznych zaczynów cementowych. Granica płynności, lepkość plastyczna, energia upłynnienia tiksotropowego zaczynów ce-mentowych z tą domieszką ulegają znacznemu zmniejszeniu [44]. Podobnie jak Betoplast 1 zachowuje się, stosowana w celu upłynnienia mieszanki betonowej, do-mieszka kompleksowa SKP−26 (upłynniająco−przyspieszająca). W tym przypadku użyto cementu por-tlandzkiego CP35 w ilości 350 kg/m3, wyjściowa konsystencja mieszanki betonowej jest plastyczna (3 cm opadu stożka), a domieszki użyto w ilości 3% masy cementu. Charakteryzuje się ona bardzo dobrymi właściwościami upłynniającymi − możliwa jest zmiana konsystencji mieszanki betonowej o 2−3 stopnie. Użycie 3% SKP−26 zapewnia całkowity rozpływ mieszanki, przy czym czas utrzymywania się efektu upłynnienia wynosi 45 minut. Efekty i czas oddziaływania domieszki SKP−26 na świeżą mieszankę be-tonową, nie zależą od rodzaju zastosowanego cementu (czystoklinkierowy, czy z dodatkiem żużla). Za-stosowanie domieszki w celu znacznego upłynnienia nie powoduje zmniejszenia wytrzymałości, lecz jej wzrost, zwłaszcza 1-dniowa wytrzymałość wynosi 130% w stosunku do wytrzymałości betonu kontrol-nego (znacznie więcej, niż w przypadku Betoplastu 1 − jednak w różnych warunkach) [38]. Przejdźmy więc do porównania cech i działania obydwu domieszek, w tych samych warunkach i przy identycznym dozowaniu. Składy mieszanek betonowych ustalono zakładając, że ich konsystencja bez zastosowania dodatku, będzie odpowiadała opadowi stożka wynoszącemu 20 mm, a ilość cementu wynie-sie 350 i 450 kg; dawka superplastyfikatora 2 i 3% masy cementu, W/C wahało się będzie w granicach 0.4÷0.7, natomiast punkt piaskowy wynosił będzie 25÷70%. Superplastyfikator dozowano po 15 min od zmieszania cementu z wodą. Stopień upłynnienia mieszanki betonowej zależy od ilości i rodzaju super-plastyfikatora, a także co ważne od ilości i składu mineralogicznego cementu oraz zawartości piasku [27].



Przy ilości cementu 350 kg/m3 można zauważyć znaczący wpływ zawartości frakcji piaskowych na upłynnienie. Istotne jest to, że obydwa superplastyfikatory mniej upłynniają i krócej działają w miarę zwiększenia punktu piaskowego. W mieszance betonowej o punkcie piaskowym 40% dodatek 3% zarówno Betoplastu 1, jak i SKP−26, powoduje upłynnienie mieszanki z 2 cm opadu stożka do ok. 20 cm, przy czym Beto-plast 1 działa znacznie dłużej. 2% dodatku daje upłynnienie ok. 17 cm opadu stożka. Wyraźnie lepsze działanie Betoplastu 1 zarysowuje się w mieszance betonowej o punkcie piaskowym (p. p.) = 55% − do-datek 3% upłynnia mieszankę do 200 mm opadu stożka, podczas gdy ta sama ilość SKP-26 do 170 mm opadu stożka. Jeśli dodatek mieszanki wynosi 2% masy cementu, to opad stożka wynosi odpowiednio 180 mm i 120 mm dla Betoplastu 1 i SKP−26, czyli dla SKP−26 o 60 mm mniej. W mieszance betonowej o p.p. 70% znaczące upłynnienie można uzyskać dodając 3% Betoplastu 1 (160 mm opadu stożka). Znacznie większe jest upłynnienie mieszanek betonowych o zawartości cementu równej 450 kg/m3 [27]. Początkowe upłynnienie mieszanek o p.p. 40 i 50% w zasadzie nie zależy ani od rodzaju superplasty-fikatora, ani od jego ilości. Opad stożka jest bardzo wysoki i wynosi od 240 do 260 mm. Większa ilość dodatku wyraźnie przedłuża czas upłynnienia. W betonach o p.p. 70% zdecydowanie większe upłynnie-nie można uzyskać stosując 3% dodatku. We wszystkich wypadkach nieznacznie lepiej działa Beto-plast 1. Interesujące jest, że mieszankę betonową o p.p. 25% wykonano tylko przy wyższej zawartości cementu w 1m3 betonu, gdyż w wypadku użycia 350 kg cementu mieszanka miała za mało frakcji drob-nych i niestety ulegała segregacji. Mieszanka betonowa o p.p. 25% w porównaniu z mieszankami o p.p. 40 i 55% daje mniejsze początkowe upłynnienie. Z krótkiego czasu upłynnienia można wywnioskować, że w wypadku tego stosu okruchowego należałoby zastosować większą ilość cementu, by uzyskać efekt upłynnienia podobny, jak w mieszance o p.p. 40% lub 55% [27].

Rys. 4.6 Wpływ superplastyfikatorów na zmianę konsystencji mieszanek betonowych o zawartości cementu 350

kg/m3 [27]



Rys. 4.7 Wpływ superplastyfikatorów na zmianę konsystencji mieszanek betonowych o zawartości cementu 450

kg/m3 [27]

4.4.2 Obniżanie wartości W/C przy zachowaniu stałej konsystencji Stosunek wodno−cementowy jest najważniejszym parametrem wpływającym na jakość betonu. Przy-toczono kilka przykładów uzmysławiających jak znacząco można zmienić parametry betonu regulując poziom W/C. Zaobserwujmy jak duże są różnice właściwości betonów, których wskaźniki W/C różnią się o 0.15 wynosząc odpowiednio 0.40 i 0.55: [21] a) wytrzymałość na ściskanie zmienia się o 20%

Rys. 4.8 Wpływ wskaźnika W/C na jakość betonu. Wykresy dla CP35 i CP45 [21]

b) różnica w wielkości skurczu wynosi 100%



Rys. 4.9. Zależność skurczu liniowego od W/C oraz zawartości cementu w betonie [21] c) porowatość kapilarna dla W/C = 0.4 jest niższa aż o 150% co uniemożliwia filtrację wody przez

beton

Rys. 4.10 Zależność porowatości kapilarnej betonu oraz współczynnika filtracji wody od wartości W/C [21]



Gdy założymy, że celem będzie wysoka wytrzymałość betonu przy danej urabialności, wówczas: • użycie konwencjonalnych domieszek redukujących wodę − plastyfikatorów pozwala zmniejszyć

jej ilość w granicach 8 − 18%, • użycie superplastyfikatorów daje możliwości dwukrotnie wyższe, tzn. redukcja wody sięga 30 −

35% [39]. Przybliżono najpierw możliwości plastyfikatorów w tym zakresie, na przykładzie krajowej domieszki Klutan P. Dodanie Klutanu P umożliwia uzyskanie mieszanki betonowej o założonej konsystencji przy zmniejszonej ilości wody zarobowej o 10% przy domieszce rzędu 0.5%; 12% przy domieszce 0.7%, aż do redukcji wody w granicach 15 − 18% przy 0.9% Klutanu P. Dane te uzyskano dla mieszanek zawiera-jących 300 kg/m3 CP35, domieszkę wprowadzono wraz z wodą zarobową, a W/C zawierało się w prze-dziale od 0.53 dla mieszanki kontrolnej do 0.45 przy maksymalnej redukcji wody. Konsekwencją tego jest wyraźny wzrost wytrzymałości − zwłaszcza początkowej betonu, odpowiednio: o około 30 − 65% po 1 dniu, 12 − 26% po 28 dniach twardnienia i wreszcie 16 − 21% po 90 dniach. Większy przyrost Rs uzyskuje się przy większej zawartości domieszki (w określonych granicach) [38,43,44,47]. Znacznie efektywniejszym działaniem w omawianym zakresie charakteryzują się superplastyfikatory. Zacznijmy od Betoplastu 1. Do wykonania mieszanki betonowej użyto w tym przypadku 300 kg/m3 ce-mentu portlandzkiego CP35, konsystencja mieszanki kontrolnej (Ve−Be) − 4s, stosunek W/C mieszanki kontrolnej wynosi 0.53 [44]. Poniżej zaprezentowano zależność ilości Betoplastu 1 i skuteczności jego oddziaływania.

Rys. 4.11 Ilość wody zarobowej przy zachowaniu jednakowej konsystencji betonu zależnie od ilości Betoplastu 1

[44] Jak widać dodanie 1% Betoplastu 1 umożliwiło zmniejszenie ilości wody zarobowej o około 12%, 1.5% domieszki − o około 17%, a przy 2.5% aż o 25%. Optymalne wyniki uzyskuje się przy zawartości domieszki w granicach 1.5 − 2.5% [44]. Interesujące w tym miejscu wydają się być wyniki badań sku-teczności Betoplastu 1, którymi objęto betony o jednakowej konsystencji. Domieszkę w ilości 1.5 % do-zowano bezpośrednio do już przygotowanej mieszanki betonowej, zawierającej ilości cementu od 250 do 500 kg/m3. Rezultaty prezentuje tablica 4.3. Dzięki zachowaniu stałej konsystencji i zredukowaniu udziału wody (wskaźnik W/C obniżył swą war-tość o 14.7÷24%) wytrzymałość betonów zwiększyła się o 30÷35%. Jedynie w betonie o zawartości ce-mentu 500 kg/m3 nastąpił wzrost wytrzymałości betonu z domieszką tylko o 20%. Wiąże się to niewąt-pliwie z dużą wytrzymałością betonu zawierającego tak dużą ilość cementu, jak również tak niskim W/C, w efekcie czego cement nie uzyskuje dość wody i stopień jego hydratacji jest zapewne mniejszy [41,44]. Zwróćmy jeszcze uwagę na próby ze zwiększoną dawką Betoplastu 1 do 2%, które obejmować będą beton zawierający 300 i 500 kg/m3 CP35. Wskaźniki W/C zmieniały się odpowiednio: przy niższej za-wartości cementu z 0.53 do 0.4 i dla wyższej zawartości z 0.35 do 0.26. W jednym i drugim przypadku na szczególne podkreślenie zasługuje kształtowanie się wczesnej wytrzymałości tj. po jednym dniu.



Tablica 4.3 Właściwości mieszanek betonowych i wytrzymałość betonów zawierających 250−500 kg/m3 i 1.5% Betoplastu 1 na ściskanie w stosunku do masy cementu. Betoplast 1 stosowany przy stałej konsystencji mieszanki betonowej [41] Ilość Woda zarobowa Konsystencja Ve−Be

[s] Ilość Wytrzyma−

łość cementu w 1 m3

betonu [kg]

współcz. W/C

zmniejszenie W/C

bez domieszki

z Beto-plastem 1

powietrza w mieszance betonowej [%]

betonu na ści-skanie po 28 dniach

500 0.35 − 7.0 − 3.0 54.3 0.27 24 − 6.8 4.1 65.5 450 0.40 − 5.0 − 3.0 46.0 0.31 22 − 4.7 4.6 60.9 400 0.45 − 3.4 − 3.4 42.2 0.35 21.0 − 3.7 4.6 55.6 350 0.50 − 3.2 − 3.4 37.8 0.40 20.0 − 4.4 4.6 50.6 300 0.55 − 5.6 − 3.4 34.5 0.46 17.0 − 4.4 4.8 47.0 250 0.60 − 8.0 − 3.2 28.0 0.51 14.7 − 8.2 6.2 37.8

Niezależnie od ilości cementu, przy tym samym poziomie redukcji wody zarobowej (25÷26%) nastę-puje podwyższenie wytrzymałości aż o 72÷74%! Beton z dodatkiem Betoplastu 1 ma także zdecydowanie większą wytrzymałość niż beton kontrolny po dłuższym okresie dojrzewania, wyższą w przypadku więk-szego udziału cementu: po 28 dniach wzrosty wytrzymałości wynoszą odpowiednio 32 i 42%, a po 90 dniach 21 i 30.5% na korzyść betonu z cementem CP35 w ilości 500 kg/m3, który to dawał gorsze rezultaty w poprzednio przytoczonej próbie (z domieszką 1.5% Betoplastu 1) [41,44]. Gorsze rezultaty zanotowano badając działanie Betoplastu 1 na betonach z kruszywami o relatywnie wysokich punktach piaskowych i nieco zawyżoną zawartością pyłów mineralnych w kruszywach (5.3÷5.5%). Mieszanki betonowe zawierały od 300 do 378 kg/m3 cementu CP35 z dodatkami, który rów-nież miał niższe od wymaganych w PN−88/B−04300 wytrzymałości na ściskanie (o 14÷16%). Suma tych warunków spowodowała, iż nie osiągnięto tak dużej efektywności Betoplastu 1. Udało się zmniejszyć ilość wody zarobowej o 14÷20%, co pozwoliło zwiększyć wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach o 20÷25%. Wszystko to przy użyciu 1.5% domieszki. Być może oprócz w/w okoliczności na taki stan rzeczy wpłynęła zwiększona zawartość C3A lub/i zwiększona zawartość alkaliów, co może zmniejszyć efektywność superplastyfikatorów. Wpływ ilości i rodzaju cementu zostanie później omówiony pod rów-nież tym kątem w punkcie 4.6 [16]. Poświęcono także nieco uwagi domieszkom dwufunkcyjnym: napowietrzającemu superplastyfikato-rowi Betoplast N oraz domieszce upłynniająco−przyspieszającej SKP−26 [42]. Betoplast N stanowiąc wypadkową dwóch rodzajów domieszek pozwala zdyskontować zalety każdej z nich stosowanych osobno tzn.

• zwiększenie mrozoodporności, czemu zwykle w przypadku domieszek napowietrzających towa-rzyszy spadek wytrzymałości na ściskanie do 15%,

• zwiększenie wytrzymałości betonu przy redukcji wody zarobowej, czemu zwykle w przypadku superplastyfikatorów towarzyszy w zasadzie brak wpływu na mrozoodporność betonów.

W badaniach wykorzystano CP35 w ilości 300 kg/m3, kruszywo o p.p. = 35, a konsystencję utrzymy-wano na średnim poziomie ok. 6.3s wg. Ve−Be. Ze zwiększaniem ilości domieszki ilość powietrza w mieszance jest w miarę stała (3.8÷4.2%), natomiast ilość wody stopniowo zmniejsza się od 10% przy do-zowaniu 1%, do 27.5% przy dozowaniu 3% Betoplastu N.



Rys. 4.12 Wpływ Betoplastu N na mieszankę betonową przy różnej ilości wody w mieszane: [42] a − ilość powietrza w mieszance; b − ilość wody w mieszance.

Rys. 4.13 Zależność wytrzymałości betonu od ilości Betoplastu N [42] W zależności od dawki domieszki umożliwiającej odpowiednią redukcję wody zarobowej przy stałej konsystencji − wytrzymałość na ściskanie (28 dniowa) wzrasta z 33.6 MPa do 50.4 MPa. Druga ze wspomnianych wcześniej domieszek dwufunkcyjnych SKP-26 przy zmniejszeniu ilości wo-dy zarobowej, dla zachowania przyjętej konsystencji, w znacznym stopniu przyspiesza wzrost początko-wej wytrzymałości betonu oraz podwyższa wytrzymałość 28 dniową. W omawianej próbie do wykonania betonu stosowano dwa rodzaje cementu w ilości 300 kg/m3: cement portlandzki czystoklinkierowy CP35 i cement portlandzki z dodatkami CP35 i D20h. Domieszka została zastosowana w ilości 3% masy ce-mentu, z jednoczesnym zmniejszeniem ilości wody zarobowej o ok. 19%. Spowodowało to bardzo zde-cydowany wzrost wytrzymałości na ściskanie, zwłaszcza w okresie początkowym, w porównaniu z beto-nem kontrolnym dojrzewającym w takich samych warunkach i badanym w tym samym czasie. Wy-trzymałość 28−dniowa przy użyciu cementu CP35N zwiększyła się o 52%, a cementu z dodatkiem żużla o 16%. Odwrotna reakcja zachodzi w przypadku wytrzymałości 1−dniowej na ściskanie: cement port-



landzki CP35N daje 74% wzrostu, a cement z dodatkiem żużla podwyższa wytrzymałość prawie o 100% (dokładnie 98%) [38]. Przejdźmy teraz do przedstawienia wpływu na właściwości mieszanki betonowej plastyfikatorów i superplastyfikatorów produkowanych przez firmy Addiment i Sika. Badano kombinacje domieszek upla-styczniających i upłynniających z opóźniającymi wiązanie: Addiment BVT, Sika Retarder oraz napowie-trzającymi: Addiment LPS−87. Uzyskiwano beton klasy B35 przy użyciu 460 kg/m3 cementu. Łączne zastosowanie domieszek Addiment LPS−87 i FM6 pozwoliło zredukować ilość wody zarobowej o 17% (W/C na poziomie 0.34), a zastępując upłynniacz FM6 plastyfikatorem BV3, udało się zredukować ilość wody zarobowej w o połowę niższym stopniu − do 8.5% (W/C = 0.37), przy czym BV3 był dodany po dwóch minutach. Dozowanie Addimentu FM6: 1.2%, a BV3 0.4%. Co ciekawe sam plastyfikator BV3 bez domieszki napowietrzającej daje identyczny efekt mimo, że Addiment LPS−87 użyty samodzielnie także nieco redukuje ilość wody (o 2.1%). Wynik uzyskany przy pomocy 1.5% Betoplastu 1 to redukcja wody o 6% [4]. Znając możliwości redukcji wody zarobowej przez omawiane domieszki zobaczmy jak wygląda wy-nikające z tego zwiększenie wytrzymałości na ściskanie. Najkorzystniejsze rezultaty uzyskano przy sto-sowaniu Addimentu BV3, chociaż redukował on ilość wody zarobowej tylko o 8.5%. Po 7 dniach podno-si on wytrzymałość o 31%, a po 28 dniach o 17%. Łączne stosowanie Addimentu LPS−87 i FM6, które redukowało użycie wody o 17% tutaj podnosi wytrzymałość na ściskanie w nieco niższym stopniu, bo po 7 dniach o 21%, a po 28 dniach o 13%. Mogło tu wprawdzie mieć wpływ napowietrzenie betonu obni-żające nieco wytrzymałość, co jednak kłóci się z faktem, iż stosowanie samej tylko domieszki napowie-trzającej w tych próbach podnosi R28 o 4%. 4.4.3 Obniżenie zawartości cementu Możliwość redukcji ilości cementu przy zachowaniu podstawowych cech betonu, głównie jego wy-trzymałości na ściskanie, stanowi kolejną, trzecią podstawową właściwość domieszek uplastyczniających i upłynniających. Zawartość cementu w betonie redukuje się głównie ze względu na niebezpieczeństwo wystąpienia zbyt dużego skurczu oraz mając na uwadze ekonomiczny aspekt zagadnienia: koszt cementu i możliwość jego minimalizacji. Badania [4] obejmowały tym razem dwa rodzaje cementu: CP35 i z dodatkami, z którymi zastosowa-no domieszki opóźniające: Addiment BVT, lub Sika Retarder, a po upływie godziny upłynniacze: Addi-ment FM6, lub Sikament FF. Sprawdzano w ten sposób receptury robocze dla wykonawcy, który wyma-gał opóźnienie wiązania cementu (ze względu na cykl: produkcja betonu − transport − wbudowanie beto-nu). Dla porównania użyto także Hydrozolu K (plastyfikator uszczelniający używany w kraju do wyko-nywania hydrotechnicznego betonu specjalnego), a także Betoplastu 1. Generalnie lepsze rezultaty uzy-skano na cemencie „Kujawy”, a optymalnym układem zapewniającym przy obniżeniu ilości cementu o 100 kg/m3 po 90 dniach praktycznie taką samą wytrzymałość, jak beton z większą ilością cementu i krajową domieszką Hydrozol K (stanowiącą punkt odniesienia). Stało się tak za sprawą dodania Addi-mentu BVT (0.25%), a po jednej godzinie Addimentu FM6 (0.5%). W tym przypadku mimo obniżenia ilości cementu o 20% wytrzymałości kształtują się następująco (w odniesieniu do domieszki z Hydrozo-lem K i wyższą zawartością cementu): po 3 dniach o 30% wyższa, po 8 dniach o 8% wyższa, po 90 dniach niższa o 3%. Przy redukcji cementu o 50 kg, lecz dla ciekłej konsystencji mieszanki betonowej (poprzednio była półciekła), również dla kombinacji BVT/FM6, wytrzymałość wczesna była niższa, niż przy większej redukcji cementu, lecz po 90 dniach wyższa o blisko 20%. Porównywano do krajowych domieszek, które co prawda miały większe dawki (1.5%), lecz nie stosowano tu opóźniaczy. Miało to duże znaczenie, gdyż jak wynika z tej samej publikacji gdy zaniechano stosowania domieszki opóźniają-cej w wytypowanej wcześniej optymalnej kombinacji (Addiment BVT/FM6 i obniżona zawartość cemen-tu o kolejne 40 kg/m3) po 90 dniach otrzymujemy zaledwie 75% wytrzymałości mieszanki zawierającej Addiment BVT w kombinacji z FM6 [4]. Analizowano takie możliwości redukcji cementu poprzez Betoplast 1. Domieszkę dozowano tutaj w ilości 1.5% masy cementu łącznie z wodą zarobową. Mieszanki kontrolne zawierały odpowiednio 339 kg/m3 cementu CP35 z dodatkami (mieszanka 1°) lub 378 kg/m3 cementu (mieszanka 2°). Ich wyjściowe parametry:



• mieszanka 1°: W/C = 0.5, konsystencja (wg. Ve−Be) = 20s, • mieszanka 2°: W/C = 0.43, konsystencja (wg. Ve−Be) = 22s.

Stosowany tutaj cement zawierał zwiększoną ilość C3A i alkaliów dając niższe od minimalnych wy-trzymałości na ściskanie. W próbach tych stosując Betoplast 1 udało się uzyskać obniżenie zawartości cementu w mieszance betonowej rzędu 10%, a nawet 15% nie powodując zmniejszenia wytrzymałości. A zatem w odniesieniu do mieszanki 1° przy obniżeniu ilości cementu o 10%, ilości wody zarobowej o 18% udało się uzyskać R28 wyższą o 10% od wytrzymałości mieszanki kontrolnej. Przy obniżeniu zaś ilości cementu o 15%, a wody zarobowej o 22%, R28 zwiększyła się o 9%. Cały czas zachowywano stałą kon-systencję. Mieszanka 2° z wyższą ilością cementu nie pozwoliła podnieść wytrzymałości przy obniżeniu ilości wody i ilości cementu. I tak w tym przypadku obniżając ilość cementu o 10% i wody zarobowej o 16% uzyskujemy wytrzymałość na poziomie wytrzymałości betonu kontrolnego, natomiast redukcja cementu o 15%, a wody zarobowej o 20% obniżyła wytrzymałość w porównaniu z betonem kontrolnym o niespełna 1%. Jak widać możliwość zmniejszenia zużycia cementu o 15% przy stałej konsystencji, bez uszczerbku dla wytrzymałości na ściskanie stanowi duży atut Betoplastu 1. Należy jednak podkreślić, że efektywność działania tej domieszki zależy silnie od indywidualnych cech cementu i kruszywa, co warunkuje potrzebę każdorazowego rozpoznania właściwości materiałów wyjściowych [16]. Inna krajowa domieszka − Upłynniacz SK−1 umożliwia zmniejszenie zawartości cementu o ok. 15÷20%, również przy zachowaniu założonej wytrzymałości betonu i konsystencji mieszanki. Uzyskiwa-na oszczędność spoiwa zależy od ilości domieszki (w dopuszczalnych granicach) i składu betonu. Także o około 10% pozwala zaoszczędzić ilość cementu plastyfikator Klutan P, również bez pogor-szenia urabialności (ciekłości) mieszanki betonowej i zmniejszenia wytrzymałości betonu [44]. 4.5 Moment i sposób dozowania domieszek a właściwości reologiczne mieszanek

betonowych W procesie dozowania środków wpływających na uplastycznienie lub upłynnienie mieszanki betono-wej możemy je wprowadzić w różnym okresie:

a) dozowanie przed dodaniem wody, na kruszywa − daje ono najsłabsze działanie domieszki, ponie-waż kruszywa i suchy cement trwale wiążą czynne składniki domieszki, których później brak w mieszance betonowej,

b) dozowanie równocześnie z wodą, c) dozowanie po dodaniu wody, do wymieszanej mieszanki betonowej [76].

Superplastyfikatory zachowują się bardzo podobnie do plastyfikatorów, jeśli są wprowadzone do mie-szanki betonowej wraz z wodą zarobową. Dodane na końcu mieszania wywołują już większe upłynnienie, natomiast ich wyższość nad środkami uplastyczniającymi uwidacznia się wtedy, gdy dodaje się je po pewnym czasie od zakończenia mieszania betonu. Wprowadzone 30, 60, 120 minut po wykonaniu zaczy-nu wywołują lepkość 0.04÷0.16 Pa•s. Plastyfikatory nie poprawiają już w znaczniejszym stopniu płyn-ności zaczynu, gdy doda się je po godzinie, a płynność jest nawet niższa od wzorca, gdy dodatek stosuje się po dwóch godzinach od sporządzenia zaczynu [34]. Wydłużenie czasu utrzymywania się znacznej ciekłości mieszanki i większe działanie uplastyczniające superplastyfikatora można uzyskać przez dodanie go już po 1÷2 minutach, po wstępnym wymieszaniu suchych składników betonu z wodą [44].



Rys. 4.14 Lepkość zaczynów cementowych (W/C=0.40), do których plastyfikatory wprowadzono:

a) do wody zarobowej, b) w różnych okresach po zarobieniu: 1 − żywica melaminowa, 2 − naftalenosulfonian wapniowy, 3 − lignosulfonian sodowy + ester fosforowy, 4 − lignosulfonian sodowy + ślady naftalenu sulfo-

nowanego, T − bez dodatku [34]

Na podstawie badań stwierdzono, że w przypadku dodania superplastyfikatora wraz z całą ilością wo-dy zarobowej będzie się on adsorbował przede wszystkim na powierzchni nieuwodnionego C3A. Jeśli zaś cement zetknie się wstępnie z wodą, część zawartego w nim gipsu i C3A przereaguje i ulegnie hydratacji, a powstały etryngit upłynniacze adsorbują znacznie słabiej niż na C3A. Przez zmniejszenie się ilości nie-uwodnionego glinianu trójwapniowego oraz gipsu więcej superplastyfikatora będzie wykorzystane do upłynnienia mieszanki betonowej [27,44]. Oddziaływanie superplastyfikatora na beton ma jednak pewną wadę, a co najmniej niedogodność. W porównaniu choćby z plastyfikatorami trwa bowiem znacznie krócej. Po upływie prawie 30 minut od chwili dodania upłynniacza, mieszanka zaczyna stopniowo tracić znaczną ciekłość i po około 60÷90 mi-nutach może wrócić do konsystencji wyjściowej, jak przed wprowadzeniem superplastyfikatora. W beto-nie z domieszkami uplastyczniającymi ciekłość mieszanki utrzymuje się znacznie dłużej [26,44]. Inne źródła podają, iż proces utraty ciekłości jest jeszcze intensywniejszy. Przy dodatku lignosulfonianu ura-bialność betonu utrzymuje się praktycznie na stałym poziomie przez 30 minut, podczas gdy dla żywic melaminowych i sulfonowanego naftalenu, wprowadzonych z wodą zarobową, zmniejszenie urabialności występuje już po 15 minutach, a po 30 minutach osiąga znaczną wartość. W tym przypadku intensywność tego zjawiska zmniejsza się, gdy superplastyfikator wprowadzimy na końcu mieszania, wówczas urabial-ność jest równa dla wielkości początkowej wzorca po 30 minutach, a większa od wzorca w tym samym wieku po 60 minutach. Większa szybkość utraty płynności melamin w porównaniu z lignosulfonianami występuje nawet wówczas, gdy są one wprowadzone w najkorzystniejszym momencie, to jest pół godziny po wykonaniu mieszanki betonowej. Wobec tego proponuje się kilkakrotne dozowanie su-perplastyfikatora do mieszanki betonowej, gdy betonowanie ulega opóźnieniu. Prowadzi to do odzyskania przez beton znacznej płynności [36]. Wielkość porcji przy tego typu dozowaniu, a także odstępu między ich wprowadzaniem do mieszanki, zależą od składu mineralogicznego cementu, a także od składu betonu oraz wartości W/C. Liczba takich porcji nie powinna być zbyt duża, gdyż wielokrotne dozowanie może wywołać skutki negatywne, pogorszyć strukturę porowatości i zmniejszyć jego wytrzy-małość [44]. Przyjrzyjmy się zmianom urabialności w czasie dla różnych upłynniaczy stosowanych z opóźnienim oraz dozowanych kilkakrotnie porcjami, przedstawionym na rysunkach 4.15 i 4.16.



Rys. 4.15 Zmiany urabialności zaprawy w zależności od czasu. Upłynniacz wprowadzony po 30 min. Rodzaje

upłynniaczy jak na rys 4.14 [34] Wzrost lepkości żywicy melaminowej następuje najszybciej. W przypadku po raz trzeci wprowadzo-nej domieszki wiązanie nie rozpoczyna się jeszcze nawet po 54 godzinach. Drugi i trzeci z rzędu dodatek lignosulfonianów także zmniejsza lepkość, jednak mieszanka gęstnieje praktycznie natychmiast. Metoda kilkukrotnego dozowania jak widać wymaga jeszcze dalszych badań przed rozpoczęciem jej praktyczne-go wykorzystywania. Mechanizm tego zjawiska nie jest do końca wyjaśniony zwłaszcza, że żywice me-laminowe praktycznie nie opóźniają wiązania.

Rys. 4.16 Zmiany urabialności w zależności od czasu. Kilkakrotnie dodawane upłynniacze (po 30, 60, 90 min).

Dodatki jak poprzednio [34]



W celu ograniczenia negatywnego zjawiska szybkiego tężenia, przy kilkakrotnym dozowaniu super-plastyfikatora proponuje się stosowanie opóźniaczy, lub specjalnych kompozycji superplastyfikatorów [34]. Niektórzy producenci zalecając porcjowane dozowanie używają określeń: dozowanie pierwotne i wtórne. Pierwotne oznacza dodanie domieszki do mokrej mieszanki betonowej już na węźle betoniar-skim, wtórne dozowanie zaś następuje do betoniarki samochodowej, bezpośrednio przed ułożeniem i za-gęszczeniem betonu w konstrukcji [44]. Często producenci przewidują możliwość wprowadzenia podczas dozowania pierwotnego domieszki uplastyczniającej z uwagi na jej stosunkowo długi czas działania. Traktowana jest wówczas jako swoista „pomoc transportowa” ułatwiająca utrzymanie konsystencji w czasie transportu i stanowiąca podkład pod dozowanie wtórne i upłynniacze [21]. Zobaczymy jak to dzia-ła na przykładzie plastyfikatora Plastiment 40 i superplastyfikatora Sikament FF :

Rys. 4.17. Działanie plastyfikatora i superplastyfikatora [21]

Ustalając wielkość dozowania, zwłaszcza pierwotnego należy mieć na uwadze, że zmniejszenie płyn-ności betonu rośnie z temperaturą. Równocześnie, co wydaje się raczej nieoczekiwane, tężenie zachodzi szybciej w przypadku betonów mieszanych niż pozostawionych w spoczynku [34]. Zaletą takiego układu dozowania domieszek uplastyczniających i upłynniających jest możliwość zmniejszenia kosztów, gdyż plastyfikatory są znacznie tańsze, niż superplastyfikatory, a odbywa się to bez pogorszenia uzyskiwanego skutku działania. Należy tu być ostrożnym, gdyż łączenie takie może tu być wykonywane tylko wówczas, gdy zezwala na to producent domieszek obu rodzajów. Stosowanie w jednej mieszance betonowej domieszek produkcji różnych firm zawsze wymaga uprzedniego przeprowa-dzenia badań sprawdzających [44]. Przechodząc do konkretnych przypadków, ukazano wpływu momentu dozowania na konsystencję mieszanki betonowej na przykładzie plastyfikatora Klutan A. Próby wykonano przy użyciu cementu mo-stowego 45 w ilości 350 kg/m3. Domieszkę dozowano w ilości 0,5 i 0,7% masy cementu z zachowaniem stałej konsystencji zaczynu cementowego. W pierwszej serii badań domieszkę stosowano razem z wodą zarobową, w drugiej sporządzono najpierw zaczyn bez domieszki przy ilości wody analogicznej jak w pierwszej serii, następnie po upływie 10 minut dodano odpowiednią ilość domieszki i mieszano przez 1 minutę. W efekcie zaczyny cementowe wykonywane przy opóźnionym dozowaniu domieszki charakte-ryzowały się większą ciekłością niż te, w których domieszka stosowana była razem z wodą zarobową. Jak wykazały badania w warunkach opóźnionego dozowania wolniejsze są także zmiany konsystencji mie-szanki betonowej po jej wykonaniu związane z utratą ciekłości zaczynu cementowego [43]. Odzwiercie-dla to poniższy wykres:



Rys. 4.18. Zmiana konsystencji mieszanek betonowych z domieszką Klutanu. A po ich wykonaniu w zależności od sposobu dozowania domieszki; cement mostowy 45 z cementowni "Rejowiec", beton o zawartości cementu 350

kg/m3 [43]. Kolejne potwierdzenie omawianych w tym miejscu prawidłowości znaleziono w badaniach efektyw-ności Betoplastu 1 i SKP−26. Tutaj znów uwidocznił się korzystny wpływ późniejszego dodania super-plastyfikatora do zaczynu cementowego. Optymalnym czasem opóźnienia jest tu 15 minut od zmieszania wody z cementem, a nieco lepsze wyniki w tym względzie pozwala uzyskać domieszka z grupy naftale-nowej. Korzystny wpływ dodatku superplastyfikatora na utrzymanie konsystencji mieszanki betonowej przy opóźnionym dozowaniu jest także obserwowany mimo zmniejszenia dodatku superplastyfikatora [27]. Nieco wnikliwiej należy się przyjrzeć wpływowi momentu dozowania superplastyfikatorów na wła-ściwości reologiczne mieszanek betonów wysokowartościowych. Opierać się tu będziemy na testach wy-konanych z użyciem Betoplastu 6 (SNF) i SKP−26 (SMF). W przypadku badania reologii mieszanek BWW nie sprawdzają się klasyczne mierniki konsystencji: stożek opadowy i metoda Ve−Be. Jedynym miarodajnym narzędziem, którym i tutaj się posłużono jest test reometryczny. Mieszanka betonowa skła-dała się w tym przypadku z wysokiej zawartości cementu CP45 w ilości 500 kg/m3, pyłów krzemionko-wych (10%), W/C = 0,34, co uwzględnia wodę zawartą w superplastyfikatorze oraz łączną masę cementu i mikrokrzemionki. Wysoka w obu przypadkach była wielkość dawki superplastyfikatora wynosząca każ-dorazowo aż 5% wagi cementu. Właściwości reologiczne mieszanki betonowej BWW mogą być wystar-czająco dokładnie identyfikowane przez parametry zmodyfikowanego modelu reologicznego Binghama, tj. granicą płynięcia (g) i lepkość plastyczną (h). Model Binghama stosuje się tutaj według równania: [65]

M g h N= + ⋅ [ ]N m⋅ gdzie M − moment oporu ścinania, wywołany płynięciem mieszanki betonowej przy prędkości obrotowej N. Poniżej przedstawiono plan badania i oznaczenia z nimi związane:

Tablica 4.4 Plan badania i kod testów Superplastyfikator Moment dozowania superplastyfikatora od dodania wody zarobowej z wodą zarobową po 1 minucie po 2 minutach po 3 minutach SKP−26 (SMF) S0 S1 S2 S3 Betoplast 6 (SNF) B0 B1 B2 B3



Uwidocznił się tutaj znów korzystny wpływ późniejszego dozowania superplastyfikatora. Wraz z opóźnieniem momentu dozowania domieszki granica płynięcia i lepkość plastyczna mieszanek modyfi-kowanych plastyfikatorami obniżają się, poprawiając urabialność. Efekt ten dla mieszanek betonowych SKP−26 jest wyraźny dopiero przy 3−minutowym opóźnieniu dozowania, natomiast dla mieszanek beto-nowych z Betoplastem 6 zwiększeniu opóźnienia początkowo towarzyszy obniżenie lepkości plastycznej (h) przy niewielkich zmianach granicy płynięcia (g), a następnie silne obniżenie granicy płynięcia.

Rys. 4.19 Procedury mieszania zastosowane w badaniach [65]

Poniżej zamieszczono w sposób graficzny odwzorowane wyniki testu reometrycznego:

Rys. 4.20 Wpływ dozowania superplastyfikatora [65]

W tym miejscu nasuwa się wniosek, iż najkorzystniejsze jest dodanie superplastyfikatora z opóźnie-niem co najmniej 2 minut, natomiast należy unikać dodawania domieszki razem z wodą zarobową. Wcze-śniejsze dodanie superplastyfikatora spowoduje zaadsorbowanie jego większej części przez C3A oraz związki gipsu, co było już wcześniej sygnalizowane. Efektem będzie osłabienie upłynnienia. Betoplast 6 podobnie jak Betoplast 1 odznacza się silniejszym działaniem od SKP−26. Zawierająca go mieszanka



betonowa charakteryzuje się niższą granicą płynięcia jak i lepkością plastyczną przy analogicznej dawce i momencie dozowania. Przewaga wypełniacza typu SNF wzrasta wraz z wielkością opóźnienia dozowa-nia domieszki. I tak przy dozowaniu superplastyfikatora wraz z wodą zarobową granica płynięcia przy użyciu Betoplastu 6 jest ok. 10% niższa niż mieszanki betonowej z SKP−26 przy niemal identycznej lep-kości plastycznej. Opóźnienie dozowania mieszanki do 3 minut potęguje przewagę Betoplastu 6: granica płynięcia − niższa o 50 %, lepkość plastyczna − niższa o 60%. Wpływ momentu dozowania upłynniacza na zmiany urabialności w czasie dla mieszanek betonowych o opadzie stożka ponad 90 mm został okre-ślony metodą stożka opadowego [65]. Mieszankę betonową z SKP−26 charakteryzuje niższy początkowy opad stożka oraz szybsza utrata jego poziomu w odniesieniu do mieszanki z Betoplastem 6. Opóźnienie dozowania superplastyfikatora powoduje zwiększenie początkowego opadu stożka oraz mniejszą utratę jego poziomu w czasie. Wyniki uzyskane dla domieszek SKP−26 i Betoplast 6 metodą stożka opadowego zestawiono poniżej.

Rys. 4.21 Badanie konsystencji mieszanki z SKP−26 [65]

Rys. 4.22 Badanie konsystencji mieszanki z Betoplastem 6 [65]

Jak już wspomniano opad stożka nie oddaje w pełni zjawiska zmian urabialności. Mieszanki betonowe BWW o tym samym opadzie stożka mogą się istotnie różnić z reologicznego punktu widzenia. Np. taki sam opad stożka (180 mm) mamy dla mieszanek betonowych B1 oraz S3, a jednak przy zbliżonej granicy płynięcia różnią się lepkością plastyczną aż o 40%. Ponadto nawet niewielkiej utracie stożka opadowego towarzyszyć może gwałtowny wzrost lepkości plastycznej co potwierdza mankamenty w tym zakresie metody stożka opadowego [65]. Nie stwierdzono skłonności mieszanek betonowych do segregacji składników mimo wysokiego po-ziomu dozowania domieszek (5% − ze względu na wymaganą urabialność). Wskaźnik segregacji



(2.8÷7.9%) był wyższy dla mieszanek betonowych z opóźnionym dozowaniem upłynniacza oraz uogól-niając dla mieszanek betonowych z Betoplastem 6. W omawianych próbach moment dozowania ma pierwszoplanowe znaczenie dla właściwości reolo-gicznych mieszanek betonowych BWW. Opóźnienie dozowania superplastyfikatora idzie w parze z po-prawą urabialności mieszanki, która jest tym wyższa im większe jest opóźnienie. Zakres i intensywności zmian właściwości reologicznych mieszanki betonowej BWW wywołanych opóźnienim momentu dozo-wania superplastyfikatora, są silnie uzależnione od jego rodzaju. Okazało się ponadto, że upłynniacze naftalenowe są w identycznych warunkach stosowania efektywniejsze w poprawie urabialności miesza-nek betonowych BWW niż upłynniacze melaminowe. Różne są wzajemne proporcje granicy płynięcia i lepkości plastycznej w zależności od momentu dozowania i typu upłynniacza. Niewielkie (do 1 min) opóźnienie dozowania superplastyfikatora Betoplast 6 (typu SNF) powoduje przede wszystkim obniżenie lepkości plastycznej mieszanki betonowej, a w minimalnym stopniu granicy płynięcia. Relacje te od-miennie wyglądają w przypadku SKP−26 (SMF), gdzie niezależnie od wielkości opóźnienia lepkość pla-styczna i granica płynięcia obniżają się w tym samym stopniu [65]. 4.6 Wpływ ilości i rodzaju cementu na skuteczność oddziaływania plastyfikato-

rów i superplastyfikatorów Wpływ domieszek na cechy technologiczne zapraw i betonów zależy w istotny sposób od rodzaju użytego cementu. Oznacza to, że zastosowanie domieszki powinno być poprzedzone badaniami laborato-ryjnymi dotyczącymi jej współdziałania z danym cementem [64]. W przypadku plastyfikatorów najkorzystniejsza wielkość ich domieszki zależy od szeregu czynników, z których na pierwszym miejscu trzeba wymienić skład zaczynu. Ilość i rodzaj fazy siarczanu wapniowe-go oraz zawartość i właściwości fazy C3A odgrywają pierwszoplanowy wpływ na płynność zaczynu. Domieszka środka plastyfikującego rośnie z zawartością C3A. Ilustruje to poniższy wykres:

Rys. 4.23 Zmniejszenie urabialności zaprawy cementowej z dodatkiem 2% lignosulfonianu wapniowego w zależ-

ności od zawartości C3A w cemencie, przy C3S/C2S=const. [34] Gdy cement zawiera zbyt dużo fazy C3A i alkaliów lignosulfoniany mogą w pewnych przypadkach wywoływać fałszywe wiązanie. Aby przeciwdziałać temu procesowi zwykle plastyfikator dodaje się z pewnym opóźnieniem, lub zwiększa się dodatek siarczanu wapniowego [34]. Plastyfikatory charakteryzują się w odróżnieniu od superplastyfikatorów podobną skutecznością dzia-łania niezależnie od ilości cementu zawartej w mieszance betonowej. Wyniki badań świadczą, że sku-teczność działania superplastyfikatorów wyraźnie zwiększa się wraz ze wzrostem ilości cementu w betonie [44]. I tak na przykład efektywność działania upłynniającego Betoplastu 1 wyraźnie wzrasta ze zwiększe-niem cementu o 1 m3 betonu zarówno z zachowaniem jednakowego współczynnika W/C, jak i zachowa-niem jednakowej konsystencji mieszanki betonowej. W badaniach weryfikujących tę zależność stosowa-no betony o zawartości cementu 250÷500 kg/m3, ze zmianą co 50 kg. Współczynnik W/C wynosił od 0.35 do 0.6. Stosowano cement portlandzki CP35, z domieszką dozowaną w ilości 1.5% masy cementu



bezpośrednio do już przygotowanej mieszanki betonowej. Największe upłynnienie uzyskano dla mieszanki zawierającej 500 kg/m3 cementu, wówczas konsystencja zmieniła się z plastycznej (8 s wg VeBe) na płynną (25 cm opadu stożka). W miarę zmniejszania ilości cementu do 350 kg/m3 upłynnienie stopniowo maleje, chociaż jest jeszcze bardzo znaczne. Dopiero przy zawartości cementu 250 kg/m3 upłynniające oddziaływanie Betoplastu 1 zmalało zdecydowanie. Wpływ upłynniacza na wytrzymałość badanych betonów na ściskanie (po 28 dniach) nie zależy w wy-raźny sposób od ilości cementu. Przy stałym W/C wytrzymałość betonów z Betoplastem 1, w tym także wykonanych z płynnej mieszanki praktycznie nie ulega zmniejszeniu. Natomiast przy stałej konsystencji mieszanki betonowej wytrzymałość betonów zwiększyła się o 30÷35%. Jedynie w betonie o zawartości 500 kg/m3 nastąpił wzrost wytrzymałości betonu z domieszką jedynie o 20%. Wiąże się to zapewne z tak dużą ilością cementu warunkującą i tak znaczną wytrzymałość betonu, jak również z bardzo niskim W/C − wówczas cement nie uzyskuje wystarczającej ilości wody i stopień jego hydratacji jest niższy [41]. Można spotkać w literaturze zalecenia, by przy stosowaniu superplastyfikatorów zawartość cementu w betonie utrzymywać w granicach 300÷350 kg/m3, a uziarnienie kruszywa ograniczyć do 32 mm, aby uzy-skać optymalne wyniki [34]. Wpływ superplastyfikatorów zmienia się z rodzajem cementu i zawartością gipsu. Wzrost płynności jest także większy w przypadku cementów zawierających popiół lotny. Ulega on także zmianie wraz ze stopniem rozdrobnienia cementu. Przykładem niech będzie upłynnienie spowodowane przez sulfoniany naftalenu, które rośnie bez mała dwukrotnie przy wzroście powierzchni właściwej tego samego cementu od 3200 do 4000 cm2/g. Uzyskano tu znów potwierdzenie, że wybór superplastyfikatora powinien się opierać na wynikach odpowiednich prób [34]. Zwróćmy uwagę na jeszcze inny aspekt wpływu cementu na skuteczność oddziaływania omawianych domieszek. Otóż negatywnie na skuteczność działania superplastyfikatora wpływa duża zawartość alka-liów w cemencie. Nawiasem mówiąc często sam superplastyfikator zawiera pewną dozę alkaliów np. Upłynniacz SK−1, NB−2, czy Betoplast 1 zawierają do 4% alkaliów [6]. Przechodząc do omówienia określonych przypadków współdziałania superplastyfikatorów, czy plasty-fikatorów z cementami różnej klasy, jakości, o różnej charakterystyce, rozpoczęto od badań, którym pod-dano mieszanki betonowe zawierające CP35 z cementowni „Ożarów” oraz „Nowiny I”, a także nietypo-wy cement portlandzki hydrotechniczny B50/90 z cementowni „Pokój”. Nietypowość tego ostatniego polegała na tym, że z punktu widzenia składu mineralnego zawierał zaledwie 2.5% C3A oraz co się rzad-ko zdarza, znaczną ilość C2S i niewielką C3S. Użyto tutaj 354 kg/m3 cementu, a punkt piaskowy stosu okruchowego wynosił 45.5%. Mieszanka wyjściowa miała konsystencję plastyczną. Wreszcie: badano efektywność SK−1 (2.3% i 4%), Betoplastu 1 (1.5%, 2% i 3%) oraz Klutanu (0.1%, 0.15% i 0.3%) przy stałej wartości wskaźnika W/C (I seria). Każda domieszka powodowała znaczne upłynnienie, proporcjo-nalne do jej ilości. Największe upłynnienie uzyskano wówczas, gdy jako spoiwo używano cementu „Po-kój”, najmniejsze w przypadku cementu portlandzkiego „Nowiny”. Niezależnie od cementu najsilniej upłynniał Betoplast, najsłabiej plastyfikator Klutan. Podczas badania wpływu domieszek na wytrzymałość betonu na ściskanie okazało się, że betony z domieszkami i spoiwem w postaci cementu „Ożarów” i „Nowiny I” miały w kilku wypadkach po 28 dniach wytrzymałość mniejszą niż beton kontrolny. Dopiero po 90 dniach wytrzymałość tych betonów okazała się większa niż betonu kontrolnego. Może to mieć duże znaczenie w praktyce budowlanej. W II serii utrzymywano stałą konsystencję. Z badań tej serii wynika, że największe przyrosty wytrzy-małości uzyskano stosując cement „Pokój”, najmniejszy zaś dla cementu „Ożarów”. Generalizując można w tym momencie wyciągnąć wniosek mówiący, iż wpływ redukcji wody, spowodowany daną domieszką, a co za tym idzie zwiększenie wytrzymałości lub zmniejszenie ilości spoiwa, zależą od rodzaju użytego cementu. Ponadto na podstawie przeprowadzonych badań nie można było uszeregować badanych domie-szek pod względem wpływu na zmianę nasiąkliwości bez brania pod uwagę rodzaju cementu (w serii I − stałe W/C). Podczas badania wodoszczelności, również przy stałym W/C, najlepsze wyniki uzyskano w przypadku betonów opartych na cemencie „Ożarów”, najgorsze zaś na cemencie „Pokój” [64]. Dokonując pewnego uogólnienia prezentowanych tutaj wyników badań, należy stwierdzić, iż wobec tak znacznego wpływu rodzaju cementu na skuteczność stosowania domieszki uplastyczniającej, lub upłynniającej, praktyczne zastosowanie domieszki należałoby poprzedzić weryfikacją laboratoryjną umożliwiającą dobranie odpowiedniego rodzaju cementu, określenie najskuteczniejszej w danych warun-kach domieszki oraz jej optymalnej ilości. Procedurę powyższą należy bezwzględnie stosować w wypad-ku betonów specjalnych hydrotechnicznych, masywowych, a zwłaszcza dużej wytrzymałości.



Istotne znaczenie ma skład chemiczno−mineralny cementu we współdziałaniu z daną domieszką. Określoną rolę odgrywają powierzchnia właściwa cementu, zawartość C3A, SO3 i alkaliów, jednak brak jest jednoznacznych wniosków co do ich wpływu na właściwości mieszanki betonowej i betonu [64]. Interesujące też wydają się być wyniki badań, którym poddano mieszankę betonową o punkcie pia-skowym 40%, zawartości cementu 350 kg/m3 i z 2% dodatkiem plastyfikatora. Stosowano tutaj cementy „Warta II”, „Odra”, „Rejowiec”, a środki upłynniające to SKP−26 i Betoplast 1. Badania te ukierunkowa-ne zostały między innymi na określenie wpływu mineralogicznego składu cementu na zmianę konsysten-cji mieszanki betonowej. Zarówno początkowe upłynnienie, jak i czas działania superplastyfikatorów za-leżą od zawartości glinianu trójwapniowego C3A. Im mniejsza jego zawartość, tym większe upłynnienie i dłuższy jego czas. Mieszanka betonowa z cementem „Warta II” przez pierwsze 30 minut wykazuje nie-wielką zmianę konsystencji. Największą zmianę w tym okresie wykazuje mieszanka z cementem „Rejo-wiec” [27]. Prezentują to wykresy na rys 4.23. Wiadomo, że betony z cementów o dużej zawartości C3A (powyżej 9%) charakteryzują się dużą utratą konsystencji w czasie. Jednak nie oznacza to, że uzyskanie cementów o małej zawartości C3A (do 5%) spowoduje, że strata konsystencji będzie mniejsza. Z rysunku wynika, że w miarę najdłużej utrzymuje wysoką urabialność mieszanka o zawartości trójtlenku siarki w cemencie równej 3.15%, a szybki spadek urabialności wykazuje mieszanka z cementem o zawartości SO3 równej 2.37%, chociaż w wypadku tego cementu zawartość C3A wynosi tylko 3.98%. Można więc wnioskować, że na omawianą zależność ma wpływ wzajemna reakcja między zawartością C3A i SO3, co jest logiczne, gdyż zachowanie się C3A jest w dużym stopniu uzależnione od zawartości gipsu, lub innych łatwo rozpuszczalnych siarczanów. Ponadto w mieszance betonowej skuteczność działania superplastyfikatorów zależy w dużej mierze od uziarnienia stosu okruchowego i zawartości cementu. W przypadku kruszyw o wysokim punkcie piasko-wym i niezbyt dużych ilościach cementu potrzebne są znacznie większe dodatki superplastyfikatora, niż wynika to z zaleceń producentów, a mimo to efekt upłynniający może być wątpliwy [27].

Rys. 4.24 Wpływ mineralogicznego składu cementu na zmianę konsystencji mieszanki betonowej [27]

Na zakończenie jeszcze kilka słów na temat badań przeprowadzonych przez kolejny ośrodek badaw-czy na cemencie portlandzkim 35 „Ożarów” i cemencie portlandzkim 35 „Kujawy” z dodatkami. Użyto domieszek firmy „Sika” i „Addiment”. Stosowane ilości domieszek były tutaj mniejsze co wymuszało mniejszy efekt działania. Na nieco większą redukcję ilości wody zarobowej pozwolił CP35 z dodatkami „Kujawy” i to w dodatku niezależnie od użytych domieszek i ich producenta. Podobnie jak wobec wpły-wu na konsystencję, tak i pod względem uzyskiwanych wytrzymałości korzystniejsze rezultaty uzyskano stosując cement „Kujawy”, co potwierdziły także wyniki badania wytrzymałości betonów wykonywa-nych już jako sprawdzające receptury robocze dla wykonawcy [4].



4.7 Wpływ plastyfikatorów i superplastyfikatorów na wybrane cechy betonu do-

tyczące jego trwałości W klasycznym zarobie cement i woda jako „klej cementowy” spełniają funkcje „smaru” do przygoto-wania świeżego betonu. Podczas reakcji wiązania tworzy się z tego kamień cementowy z osadzonym kru-szywem. Po dodaniu wody zarobowej ten układ twardnieje. Podczas tego procesu składniki cementu takie jak np. krzemiany, czy związki aluminium wchłaniają ponownie wodę, wytraconą podczas procesu spie-kania. Tworzone wówczas hydraty budują ogromną ilość maleńkich, silnie związanych ze sobą kryszta-łów utrzymujących całą strukturę. Oczywistym jest, że im więcej dodaje się wody do cementu, tym pla-styczniejszy będzie świeży beton i z technologicznego punktu widzenia tym lepiej wpasuje się w szalu-nek, bez powstawania pustych przestrzeni tzw. jam. Tej formie poprawy urabialności betonu towarzyszą jednak bardzo poważne mankamenty − obniżenie wytrzymałości i trwałości materiału. Podczas hydratacji cementu określona ilość tego materiału może związać chemicznie tylko pewną ilość wody oscylującą wokół 25% ciężaru cementu. Pozostała woda, która nie została związana chemicznie w procesie hydrata-cji pozostaje w strukturze betonu i po wyschnięciu pozostawia kapilary. Te maleńkie kanaliki rozluźniają strukturę betonu i powodują, że przepuszcza zarówno wodę jak i gaz [12]. Dla wodoszczelności i nasią-kliwości betonu decydujące znaczenie mają więc obecne w nim kapilary i pory, ich ilość, struktura i roz-mieszczenie. Powstają one przede wszystkim przez odparowanie wody nie związanej, a także wskutek kontrakcji zaczynu cementowego, niewłaściwego zagęszczenia mieszanki betonowej, sedymentacji składników, utrzymywania się resztek powietrza zadsorbowanego podczas mieszania [22]. Środki plasty-fikujące i upłynniające nie zapobiegają w pełni tworzeniu się kapilar. Niemniej jednak fakt, że ogranicza-ją ich powstawanie przyczynia się zdecydowanie do zwiększenia trwałości budowli, bowiem właśnie przez te drobne kanaliki wnikają wszystkie szkodliwe i niszczące beton substancje z dwutlenkiem węgla na czele. Beton zwiera, oprócz hydratów zwiększających wytrzymałość, wodorotlenek wapnia, który wy-twarza bardzo alkaliczne środowisko. Na stali zbrojeniowej powstaje mocno osadzona warstwa oksydo-wa, która zapobiega korozji. Wnikający dwutlenek węgla likwiduje środowisko alkaliczne w kamieniu cementowym, a przez to pozbawiona ochrony stal zaczyna rdzewieć, powiększa swą objętość i rozsadza beton. Z podobnym efektem rozsadzenia mamy do czynienia w wyniku zamarzającej wody, która się mo-że dostać w kapilary. Tak więc szczelna mieszanka zwiększa wytrzymałość na mrozy [12]. Z punktu wi-dzenia wodoszczelności betonu także decydujący wpływ ma współczynnik W/C. Zwiększając wodosz-czelność i zmniejszając nasiąkliwość betonu należy więc zmniejszyć ilość wody zarobowej przy zacho-waniu wyjściowej konsystencji mieszanki betonowej, a to za sprawą stosowania domieszek uplastycznia-jących i superplastyfikatorów. Przyjrzyjmy się zatem rezultatom, jakie uzyskano stosując określone do-mieszki tej grupy [22]. Pierwszą prezentowaną domieszką niech będzie plastyfikator Klutan P. Jego wpływ na nasiąkliwość i mrozoodporność betonu ukazuje tablica 4.5.

Tablica 4.5 Wpływ Klutanu P na nasiąkliwość i mrozoodporność betonu [43] Ilość domieszki

Zmniejszenie ilośći wody

Nasiąkliwość ciężarowa

Mrozoodporność, strata wytrzymałości [%] po cyklach:

[%] [%] [%] 25 50 100 − − 5.4 7.5 8.5 11.5 0.7 − 5.2 1.5 5.5 10.5 0.7 14 4.7 − 4.0 3.5

Na podstawie tych badań stwierdzono, że nasiąkliwość betonu jest obniżona nawet wtedy, gdy do-mieszka jest stosowana jako czynnik zwiększający ciekłość mieszanki betonowej. Zmniejszenie ilości wody zarobowej możliwe do uzyskania przez zastosowanie domieszki zawiązane jest z większym obni-żeniem nasiąkliwości betonu, około 15%. Natomiast mrozoodporność betonu oznaczana po 25, 50, 100 cyklach zamrażania przez spadek wytrzymałości na ściskanie (także dla betonu z domieszką stosowaną przy stałym W/C) nie jest obniżona w stosunku do betonu kontrolnego, przy obniżeniu ilości wody zaro-bowej spadek wytrzymałości próbek wskutek zamrażania jest zdecydowania mniejszy, niż betonu bez domieszki. Ponadto zmniejszeniu ulega wielkość skurczu [43,47]. Z kolei w przypadku superplastyfikatora Betoplast 1 przy zachowaniu założonej konsystencji mie-szanki betonowej nasiąkliwośc może się zmniejszyć do 30%, zwiększa się także wodoszczelność i mro-



zoodporność, a zmniejsza skurcz [44]. Na przykład gdy poddano badaniom betony zawierające 1.5% Be-toplastu 1 oraz 3 różne zawartości cementu CP35 z dodatkami: 300, 339, 378 kg/m3 (odpowiednio seria I, II, III) okazało się, że:

• przy stałym W/C nasiąkliwość zmniejszyła się w porównaniu z nasiąkliwością betonu kontrolne-go o ok. 6% (seria I, II) oraz o ok. 10% (seria III),

• przy stałej konsystencji nasiąkliwość obniżyła się o 12, 25, 23% (dla odpowiednio serii I, II, III), • przy obniżonej zawartości cementu nasiąkliwość próbek znów się zmniejszyła.

Stosując domieszkę i zmniejszając ilość cementu o 10 i 15%, zachowując stałą w porównaniu z mie-szanką kontrolną konsystencję, nasiąkliwość zmniejszyła się o ok. 5.2% w przypadku serii II i do ok. 5% dla serii III [16]. Wpływ domieszek uplastyczniających i upłynniających na nasiąkliwość i wodoszczelność jest często zdeterminowany rodzajem cementu. Za przykład niech posłużą badania przeprowadzone na cementach portlandzkich z cementowni „Ożarów” i „Nowiny I” oraz portlandzkim hydrotechnicznym 35/90 z ce-mentowni „Pokój”. Stosowano superplastyfikatory SK 1, Betoplast 1 oraz plastyfikator Klutan. Dawki superplastyfikatorów: 1.5 do 4%, a doza Klutanu od 0.1 do 0.3%. Badania przeprowadzono przy stałym W/C (seria I) lub stałej konsystencji (seria II). W badaniach nasiąkliwości, w przypadku zachowania sta-łego poziomu W/C, stosując cementy „Pokój” oraz „Ożarów” w zasadzie w wypadku wszystkich próbek uzyskano zmniejszenie nasiąkliwości wagowej betonu w stosunku do betonu bez domieszki. Jedynie sto-sując cement „Nowiny I” nie zaobserwowano stałego wpływu działania domieszek. Na podstawie prze-prowadzonych badań nie można było uszeregować badanych domieszek pod względem wpływu na zmia-nę nasiąkliwości bez brania pod uwagę rodzaju cementu. Redukcja wody (seria II) w wypadku betonów na wszystkich cementach, niezależnie od rodzaju domieszki, powodowała zmniejszenie nasiąkliwości w stosunku do próbek serii I. Badając natomiast wpływ domieszek na wodoszczelność stwierdzono, że nie-zależnie od domieszki największą poprawę tego parametru uzyskano w wypadku betonów na cemencie „Ożarów”, najmniejszą na cemencie „Pokój”. Oceniając zaś wpływ rodzaju domieszki okazuje się, że zgodnie z oczekiwaniami wpływ ten był silniejszy w wypadku superplastyfikatorów, słabszy zaś w przypadku Klutanu [64]. Stosując superplastyfikator napowietrzający Betoplast N, beton napowietrzony ma nasiąkliwość zale-dwie 2.2%, czyli około 55% mniejszą od betonu kontrolnego, który miał nasiąkliwość 5.1%. Ponadto be-ton napowietrzony odznaczał się także znacznie większą wodoszczelnością od betonu kontrolnego. Na-tomiast skurcz betonów pozostał bez istotnej zmiany [42]. Ostatnim aspektem trwałości betonu, na który wpływ wywierają domieszki do niego jest ryzyko zwiększenia korozji alkalicznej betonu. Jedną z przyczyn powstawania uszkodzeń betonu jest pęcznienie niektórych składników kruszywowych, spowodowane obecnością odpowiedniej ilości alkaliów w beto-nie. Całkowita zawartość alkaliów w betonie zależy nie tylko od jakości cementu i jego ilości w 1 m3, lecz również od zawartości w innych składnikach, takich jak: dodatki, domieszki, woda zarobowa. Zawartość alkaliów w domieszkach i cemencie oblicza się jako równoważnik Na2O tj. Na2O+ 0.658 K2O. Domieszki pod względem zawartości alkaliów można podzielić na:

• nie zawierające alkaliów np. Klutan, • zawierające do 4% alkaliów np. Betoplast 1, Upłynniacz SK−1, • o dużej zawartości alkaliów (powyżej 20%).

Na świecie przyjęto dwa kryteria, których przekroczenie może spowodować potencjalne niebezpie-czeństwo alkalicznej korozji destrukcyjnej betonu. Pierwsze dotyczy jakości cementu. Graniczna zawar-tość alkaliów w cemencie stosowanym do betonu z kruszywem reaktywnym wynosi 0.6% równoważnika Na2O. Drugie kryterium dotyczy ilości alkaliów w 1 m3 betonu. Na podstawie badań przeprowadzonych w Niemczech, Kanadzie, USA i innych krajach, stwierdzono, że bezpieczną ilością alkaliów, jaką można dodać do 1 m3 betonu, jest wielkość nie przekraczająca 3 kg. Domieszki nie zawierające alkaliów, mogą być stosowane bez obawy zagrożenia trwałości betonu. Drugą grupę możemy traktować jako domieszki bezpieczne (wprowadzają od 0.3 do 0.7 kg alkaliów do 1 m3 betonu). Wreszcie ostatnia grupa domieszek wprowadza do betonu znacznie więcej alkaliów, niż war-tość dopuszczalna (od 4 do 7 kg/m3) [6].

Documents

4. Í Rola plastyfikatorów i superplastyfikatoró · Rola plastyfikatorów i ... utrzymania stałych źródeł zaopatrzenia w kruszywa i przede ... (przy jednoczesnym zmniejszeniu