Technologia betonu

Domieszki stałe w technologii suchych zapraw

Kraków, 2012 r.

WPROWADZENIE

• Zgodnie z normą PN-EN 934-2:

DOMIESZKA – to materiał dodawany podczas wykonywania mieszanki betonowej w ilości nie przekraczającej 5% masy cementu w betonie, w celu zmodyfikowania właściwości mieszanki betonowej i/lub stwardniałego betonu.

Współczesna technologia betonu wspomagana jest bardzo często przez produkty chemii budowlanej.Szczególnym zainteresowaniem cieszą się domieszki chemiczne dodawane do betonów w trakcie jego produkcji

KLASYFIKACJA DOMIESZEKzgodnie z PN – EN 934-2

Domieszki do betonu

Zwiększające

więźliwość

wodyNapowietrzające

Przyspieszając

e

twardnieni

e

KompleksoweZwiększające

wodoodporność

Opóźniające wiązanie

Przyspieszając

e wiązanie

Redukujące ilość wody

Inny spotykany w literaturze podział domieszek

http://www.inzynierbudownictwa.pl/technika,materialy_i_technologie,artykul,domieszki_do_betonu,178

PODZIAŁ DOMIESZEK DYSPERGUJĄCYCH

domieszki dyspergujące

plastyfikatorydomieszki plastyfikujące

reduktory wody zarobowejLS

superplastyfikatorydomieszki upłynniającesilne reduktory wody

zarobowej

domieszki I generacji

NSF, MSF, MLS

domieszki II generacji

PC, PE, CAE, CLAP

DOMIESZKI REDUKUJĄCE ZAWARTOŚĆ WODY

ŚRODKI UPLASTYCZNIAJĄCE

PLASTYFIKATORY PL

ŚRODKI UPŁYNNIAJĄCE

SUPERPLASTYFIKATORY SP

tradycyjne i nowej generacji

5 do 12 % > 12 % (do 30%)

PLASTYFIKATORY (Pl)

Domieszki uplastyczniające to substancje organiczne, których działanie dyspergujące – zwiększające ruchliwość ziaren – zwiększa płynność zaczynu

• sole kwasów lignosulfonowych LG, (lignosulfoniany sodu i wapnia)

• sole kwasów hydroksykarboksylowych HK,• polimery hydroksylowane HP.

WYGLĄD:

Brązowa ciecz o nieprzyjemnym zapachu

DOZOWANIE:

Do 0,5% względem masy cementu

ZANIECZYSZCZENIA:

- cukry- substancje

powierzchniowo – czynne

WYMAGANIA STAWIANE PLASTYFIKATOROM

Zgonie z wymaganiami normy PN-EN 934-2:

- Zmniejszenie ilości wody zarobowej o co najmniej 5% w stosunku do mieszanki nie modyfikowanej o takiej samej konsystencji.

- Wytrzymałość na ściskanie po 7 i 28 dniach betonu wykonanego z użyciem plastyfikatora powinna wynosić co najmniej 110% wytrzymałości betonu kontrolnego.

- Objętościowa zawartość powietrza w mieszance modyfikowanej betonowej może być maksymalnie o 2% większa w stosunku do mieszanki kontrolnej.

DODATEK RZĘDU:

0,1 – 0,5% w stosunku do masy cementu

MECHANIZM DZIAŁANIA PLASTYFIKATORÓW

Związki lignosulfonowe mają budowę dwubiegunową (dipolową).

Biegun naładowany ujemnie jest hydrofobowy i łączy się powierzchniowo (orientuje się) z cząsteczką wody, biegun naładowany dodatnio zaś łączy się z cząstką cementu.

Grudki cementu rozpadają się na mniejsze cząstki, zmniejsza się napięcie powierzchniowe na powierzchni ziaren zwilżanych przez wodę zarobową, a drobne ziarna cementu łatwiej przesuwają się względem siebie

SUPERPLASTYFIKATORY (SP)

Domieszki upłynniające to polimery złożone z monomerów

• sulfonowane kondensaty melaminowo - formaldehydowe SMF,• sulfonowane kondensaty naftaleno - formaldehydowe SNF,• modyfikowane sulfoniany (sole kwasów lignosulfonowych) MLG,• inne, np. sulfonowane aminy aromatyczne AS

Związki wielkocząsteczkowe, których cząsteczki o rozwiniętej budowie liniowej,

pozwalają dobrze otaczać ziarna cementu i tym samym

skuteczniej na nie działać.

WYGLĄD:

brązowa (SNF) lub jasna (SMF)

ciecz o neutralnym zapachu

DOZOWANIE:

Dodatek rzędu 0,1 – 0,3% w stosunku do

masy cementu

SUPERPLASTYFIKATORY I GENERACJI

SNFsulfonowane kondensaty

naftalenowo - formaldehydowe

SMFsulfonowane kondensaty

melaminowo - formaldehydowe

WYMAGANIA STAWIANE SUPERPLASTYFIKATOROM

Zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 934-2:

A. Stała konsystencja:- Zmniejszenie ilości wody zarobowej o co najmniej 12% w stosunku do mieszanki nie modyfikowanej o takiej samej konsystencji.- Wytrzymałość na ściskanie po 1 – co najmniej 140%, po 28 dniach – co

najmniej 115% wytrzymałości betonu kontrolnego.B. Stałe W/C:- Zwiększenie opadu stożka o co najmniej 120 mm lub rozpływu o 160

mm. Po 30 min od dodania domieszki ciekłość mieszanki nie powinna być mniejsza od początkowej wartości.

- Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach, nie mniejsza niż 90% wytrzymałości betnonu kontrolnego (niemodyfikowanego)

- Objętościowa zawartość powietrza w mieszance modyfikowanej betonowej może być większa o nie więcej niż 2% w stosunku do mieszanki kontrolnej.

Skąd różnica pomiędzy LS a SNF, SMF?

SNF i SMF to produkty syntezowane przemysłowo w instalacjach chemicznych

Mniej zanieczyszczeń

Mniej działań ubocznych

Możliwość wyższego dozowania

Większe możliwości modyfikacji mieszanki

PN-EN 934–2

Właściwość Domieszka redukująca ilość

wody / uplastyczniająca

Domieszka znacznie redukująca ilość

wody / upłynniająca

Zmniejszenie ilości wody zarobowej

W mieszance badanej ≥ 5% w porównaniu z mieszanką kontrolną

W mieszance badanej ≥ 12% w porównaniu z mieszanką kontrolną

Wytrzymałość na ściskanie

Po 7 i 28 dniach: beton badany ≥ 110% betonu kontrolnego

Po 1 dniu: beton badany ≥ 140% betonu kontrolnego Po 28 dniach: beton badany ≥ 115% betonu kontrolnego

Zawartość powietrza w mieszance betonowej

Mieszanka badana ≤ 2% V/V powyżej zawartości w mieszance kontrolnej, jeśli producent nie ustalił inaczej

Mieszanka badana ≤ 2% V/V powyżej zawartości w mieszance kontrolnej, jeśli producent nie ustalił inaczej

Domieszka redukująca ilość wody / uplastyczniająca – domieszka, która umożliwia zmniejszenie zawartości wody w danej mieszance betonowej bez wpływu na jej konsystencję, lub która bez zmniejszania ilości wody powoduje zwiększenie opadu stożka/rozpływu lub wywołuje oba te efekty jednocześnie

Domieszka znacznie redukująca ilość wody / upłynniające – domieszka, która umożliwia znaczne zmniejszenie zawartości wody w danej mieszance betonowej bez wpływu na jej konsystencję, lub która bez zmniejszenia ilości wody powoduje znaczne zwiększenie opadu stożka/rozpływu lub wywołuje oba te efekty jednocześnie

SUPERPLASTYFIKATORY I GENERACJI

A skąd wiadomo że tak jest?

Beton – konsystencja i domieszki

adsorpcja posiadających ładunek ujemny łańcuchów

elektrostatyczne odpychanie ziaren cementu

221

r

qqkF

Mechanizm działania

superplastyfikatorów

ElektrostatycznySmarny

Hydrofilowy Steryczny

MECHANIZM SMARNY

SMF (sulfonowane żywice melaminowo – formaldehydowe) tworzą na ziarnach cementu i mikrowypełniaczy tzw. warstwy „smarne”, o grubości molekularnej, oddzielające poszczególne ziarna.

Ze względu na swoją charakterystyczną budowę domieszki te stwarzają poślizg między cząsteczkami, zmniejszając tym samym tarcie wewnętrzne mieszanki betonowej

MECHANIZM ELEKTROSTATYCZNY SNF (sulfonowane żywice naftalenowo – formaldehydowe) otaczają

ziarna cementu ładunkami ujemnymi, powodującymi ich wzajemne odpychanie się

To wzajemne odpychanieprzeciwdziała flokulacji, czyli łączeniu się ziaren cementu w większe agregaty

MECHANIZM HYDROFILOWY MLS - modyfikowane lignosulfoniany wapniowe lub sodowe, a także

inne produkty, jak kopolimery kwasu mrówkowego z kwasem naftaleno-sulfonowym lub kwasem metylonaftaleno-sulfonowym zmniejszają napięcie powierzchniowe wody w stosunku do cementu i mikrowypełniaczy

Superplastyfikatory te jako środki powierzchniowo czynne tworzą warstwę adsorpcyjną na powierzchni wody skutkiem czego widać zmniejszenie napięcia powierzchniowego i zwilżanie ziarna cementu

MECHANIZM STERYCZNY

Mechanizm taki wykazuje nowa generacja domieszek upłynniających. Są to związki z grupy polikarboksylanów (PC), kopolimerów kwasu akrylowego z akrylanami (CAE) oraz sieciowanych żywic akrylowych (CLAP)

Na skutek geometrycznego ukształtowania łańcuchów polimeru na powierzchni ziaren, ziarna cementu nie mogą zbliżyć się do siebie.

Steryczny mechanizm działania domieszek nowej generacji powoduje,

że działają one „zapobiegawczo” – zamiast rozbijać już powstałe aglomeraty ziaren cementu, utrudniają ich powstawanie

KIERUNKI DZIAŁANIA DOMIESZEK UPŁYNNIAJĄCYCH

c (ciekłość) = constw/c = const f = const

urabialność = const c = const

w/c = const urabialność = const

f = const

urabialność

w/c f

c

Istota modyfikacji zapraw domieszkami dyspergującymi

Redukcja ilościwody przy zachowaniu

stałej konsystencji

zmniejszenie ilości cementu przy stałejkonsystencji i W/C

poprawa konsystencji przy zachowaniu

stałego W/C

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SKUTECZNOŚĆ DOMIESZKI

SKŁADDOMIESZKI

ILOŚĆDOMIESZKI

OBECNOŚĆ INNYCH

DOMIESZEK

SKUTECZNOŚĆ DOMIESZKI

CZASMIESZANIA

RODZAJ CEMENTU

RODZAJKRUSZYWA TEMPERATURA W/C

WPŁYW DODATKU PLASTYFIKATORA I SUPERPLASTYFIKATORA NA CZAS I ODLEGŁOŚĆ

TRANSPORTOWĄ MIESZANKI BETONOWEJ

Rys. Zmiana konsystencji mieszanki betonowej wraz z upływem czasu

WPŁYW DODATKU PLASTYFIKATORA I SUPERPLASTYFIKATORA NA CZAS I ODLEGŁOŚĆ

TRANSPORTOWĄ MIESZANKI BETONOWEJ cd.

Rys. Zmiana konsystencji mieszanki betonowej wraz z upływem czasu

przyjęto standardową mieszankę betonową (cement 32,5 – 350 kg, kruszywo –1850 kg, woda – 175 l, wskaźnik wodno – cementowy w/c = 0,5, konsystencja plastyczna).

Plastyfikatory i syperplastyfikatory „+”

• Plastyfikatory i upłynniacze (superplastyfikatory) pozwalają na redukcję ilości wody w mieszance betonowej i jednocześnie poprawę jej urabialności.

• Dodając te domieszki uzyskać można jednorodną mieszankę betonową o lepszej plastyczności, dającą się lepiej transportować, układać, formować i zagęszczać.

Superplastyfikatory => „minusy” Pewną niedogodność w stosowaniu domieszek upłynniających stanowi fakt,

iż ich czas działania jest ograniczony i domieszki z upływem czasu tracą swe właściwości upłynniania – po 60-90min mieszanka powraca do pierwotnej urabialności

Wydłużenie czasu upłynnienia można uzyskać przez dozowanie porcjami. Zaleca się dodawanie dwukrotne:

-> w węźle betoniarskim (dozowanie pierwotne) -> i bezpośrednio przed układaniem i zagęszczaniem

mieszanki betonowej (dozowanie wtórne)

Domieszki napowietrzające

Domieszki napowietrzające tworzą i stabilizują w mieszance betonowej zamknięte pęcherzyki powietrza, które pozostają w stwardniałym betonie, jako równomiernie rozmieszczone mikropory.

Pęcherzyki powstałe w wyniku wprowadzenia domieszki napowietrzającej charakteryzują się małą średnicą 20-300 μm, są rozłożone w odległościach 120-250 μm i otoczone cienką warstwą zaczynu

• Wprowadzenie domieszek napowietrzających powoduje zmianę struktury betonu przez co uzyskuje się znaczną poprawę mrozoodporności.

• W masie betonu powstają równomiernie rozłożone niewielkie pęcherzyki powietrza, które „przerywają” pory kapilarne. Woda zamarzając w kapilarach zwiększa swoją objętość, a powstający lód zamiast rozsadzać beton wciska się w powstałe pory powietrzne.

Domieszki opóźniające wiązanie

• Domieszki opóźniające wydłużają reakcję hydratacji cementu i spowalniają wydzielanie ciepła hydratacji.

• Są one niezbędne w transporcie betonu towarowego na większą odległość, w technologii betonów masywnych (betonowanie ciągłe warstwami) i w pracach prowadzonych w wysokich temperaturach otoczenia.

Domieszki przyspieszające wiązanie

Domieszki przyspieszające zwiększają szybkość reakcji między cementem a wodą, skracając czas przejścia z postaci plastycznej w stałą. Są one stosowane głównie w szybkich naprawach (np. tamponaż), w betonach natryskowych, w niektórych przypadkach pomocniczo jako preparat ułatwiający betonowanie w okresie niskich temperatur.

Domieszki przyspieszające twardnienie

• Celem stosowania domieszek przyspieszających twardnienie jest zwiększenie dynamiki przyrostu wytrzymałości betonu w czasie.

• Przyspieszony zostaje przyrost wytrzymałości początkowej betonu, zwykle przy braku negatywnego wpływu na wytrzymałość końcową.

• Działanie tych domieszek polega głownie na skróceniu czasu wydzielania ciepła hydratacji cementu. Z tego względu znajdują one szczególne zastosowanie w prefabrykacji, gdyż z ich użyciem można ograniczyć lub wyeliminować obróbkę cieplną formowanych elementów.

Domieszki ekspansywne

Domieszki ekspansywne są preparatami działającymi kompleksowo; uplastyczniają mieszankę, opóźniają wiązanie i powodują jej spęcznienie. Są stosowane jako domieszki do zapraw iniekcyjnych, w tym do wypełnienia kanałów w elementach sprężonych. Używane są także do iniekcyjnego wypełniania wolnych przestrzeni i szczelin w konstrukcjach betonowych i murowych.

Domieszki stabilizujące

• Domieszki stabilizujące zwiększają więźliwość wody i kohezję mieszanki betonowej. Staje się ona bardziej jednorodna i ma mniejszą skłonność do segregacji i wydzielania wody.

• Stosuje się je w betonach zwykłych, lekkich, zwłaszcza w mieszankach o większej płynności (SCC) oraz w fasadowych betonach architektonicznych.

Domieszki do betonowania pod wodą

Są one stosowane do betonów podwodnych zbrojonych i niezbrojonych. Tak stabilizowane mieszanki mogą być swobodnie podawane przez warstwę wody bez ryzyka segregacji

składników.

Domieszki spieniające

• Domieszki spieniające wprowadzają do mieszanki betonowej dużą ilość pęcherzyków powietrza. Napowietrzenie betonu, zależnie od metody wytwarzania, może mieć duży zakres;

• można obniżać gęstość betonu poniżej 2 kg/dm3 przy stosowaniu kruszyw naturalnych, a przy stosowaniu kruszyw lekkich poniżej 1 kg/m3. W przypadku pianobetonów można uzyskać gęstości nawet poniżej 0,8 kg/m3.

• Mieszanki o silnym napowietrzaniu są na ogół łatwo pompowalne. Znajdują zastosowanie jako warstwy izolacyjne w budownictwie, jako beton wypełniający w budownictwie podziemnym oraz do wypełnienia wyrobisk, starych kanałów i pustek podziemnych.

Domieszki do zaczynów iniekcyjnych

• Domieszki do zaczynów iniekcyjnych powodują obniżenie wodo żądności zaczynu cementowego, działają stabilizująco na zawiesinę i zapobiegają jej sedymentacji.

• Poprzez obniżenie napięcia powierzchniowego wody następuje lepsze zwilżenie cementu, zmniejszają tarcie wewnętrzne między ziarnami cementu, przez co obniżają się opory tłoczenia.

• Stosowane do zaczynów cementowych i mikrocementowych używanych do wzmocnienia i uszczelniania rys w procesach naprawczych konstrukcjach betonowych, a także do iniekcyjnego wzmacniania gruntów i otworów gazowniczych.

Domieszki uszczelniające

• Domieszki uszczelniające stosuje się w celu poprawy wodoszczelności i zmniejszenia nasiąkliwości betonu. Prowadzi to do znacznego zwiększenia trwałości betonu.

• Aby zrozumieć istotę działania domieszek uszczelniających należy pamiętać o istnieniu porów (kapilar) w zaczynie cementowym.

• Pory kapilarne tworzą „sieć mikrokanalików”, którymi woda lub czynniki agresywne wnikają w beton. Wyższą szczelność betonu wynikającą z działania domieszek chemicznych można uzyskać kilkoma sposobami:

• wypełnienie porów przez pyły mineralne,• wprowadzenie substancji reagujących z Ca(OH)2 (produkt hydratacji cementu), w wyniku, którego powstają trudno rozpuszczalne związki chemiczne wypełniające pory,• zmniejszenie zwilżalności - hydrofobizacja - utrudniona penetracja czynników agresywnych,• zmniejszenie ilości wody zarobowej - korzystne obniżenie wskaźnika w/c.

ZALECANE ZASTOSOWANIA DOMIESZEK CHEMICZNYCH

Stosowanie domieszek wg PN-EN 206-1: 2003

POLIMEROWE PROSZKI REDYSPERGOWALNE

proszki termoplastyczne

Redyspergowalne proszki polimerowe używane jako dodatki do suchych wyrobów cementowych

proszki elastomerowe

poliestry kwasu akrylowego ze styrenem (SAE)

poliestry akrylowe (PAE)

kopolimery butadien - styren (SBR)

kopolimery octan winylu - etylen (EVA)

kopolimery octan winylu - VeoVa (VA/VeoVa)

Rys. Rodzaje proszków redyspergowalnych

MODYFIKACJA MATERIAŁÓW CEMENTOWYCH

44

Wpływ proszków redyspergowalnychna wytrzymałość na zginanie (po lewej) oraz ściskanie (po prawej).

Zaprawy o stałej konsystencji.

Wpływ proszków redyspergowalnychna wytrzymałość na zginanie (po lewej) oraz ściskanie (po prawej).

Trwałość zapraw modyfikowanych dodatkiem proszku EVA. Jako miary trwałości użyte: strata masy (po

lewej) oraz względny moduł sprężystości (po prawej)

ETERY CELULOZYCharakterystyka chemiczna domieszki na przykładzie eterów celulozy

stosowanych w technologiach suchych zapraw

• Pochodne celulozy to grupa domieszek modyfikujących lepkość wody zarobowej.

• Są to rozpuszczalne w wodzie łańcuchy celulozy z „dodanymi” w trakcie procesu przetwórczego grupami bocznymi umożliwiającymi rozpuszczanie, oraz kształtującymi właściwości uzyskanej celulozy. • Własności te (rozpuszczalność, lepkość roztworów, własności termiczne) mogą być regulowane w szerokim zakresie właśnie poprzez odpowiedni dobór grup modyfikujących, ich rodzaju, ilości jak również poprzez dobór odpowiedniej długości łańcuchów.

− masy cząsteczkowej

(długości łańcucha):

lepkość rośnie wraz

ze wzrostem długości

łańcucha

- stężenia w roztworze: lepkość

rośnie wraz ze stężeniem

eteru celulozy w roztworze

Właściwości eterów celulozy stosowanych w technologiach suchych zapraw

Lepkość wodnych roztworów eterów celulozy zależy przede wszystkim od 3 czynników:

− temperatury:

wzrost temperatury

powoduje spadek lepkości roztworu

Zależność lepkości 1,9% wodnego roztworu metylocelulozy w funkcji

długości łańcucha polimeru

Zmiany lepkości w funkcji stężenia eterów celulozy o różnych klasach lepkości

Zależność lepkości 1,9% roztworu eterów celulozy

o różnych klasach lepkości od temperatury

Dobór odpowiedniego rodzaju eteru celulozy polega zwykle na kompromisie pomiędzy

potrzebą zapewniania odpowiedniej reologii (odporność na segregację, spływanie,zapewnienie odpowiedniej płynności),

odpowiedniej retencji wody (regulacji ilości wody potrzebnej do prawidłowego przebiegu procesów hydratacji

i zapobieżenia spękaniomskurczowym) oraz kosztów.

Dobór odpowiedniej domieszki do konkretnego zastosowania

1. Wiesław Kurdowski – Chemia cementu i betonu, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2010

2. Beton według normy PN – EN 206-1 – komentarz-, praca zbiorowa pod kierunkiem prof. Lecha Czarneckiego, Wyd. Polski Cement, Kraków 2004

3. Edward Szymański – Materiałoznawstwo budowlane z technologią betonu, tom II, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999

4. Rozprawa doktorska Łukasz Kotwica, AGH Kraków