4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów. 4.1 Przesłanki do stosowania plastyfikatorów i superplastyfikatorów

Transkrypt

1 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 1 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 związków organicznych na zwiększenie urabialności kompozycji cementowych ukazała się już w 1932 r. Podkreślano 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 pięćdziesiątych 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 uprzemysłowionych 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 początku 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 zagęszczenie dużych ilości mieszanki betonowej stanowi zawsze pracochłonne zadanie. Uciążliwość jest tym większa, gdy stosuje się kruszywo łamane oraz gdy ze względu na wymaganą jakość betonu nie można zwiększyć 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 oddziaływań [44]. Sens zastosowania środków uplastyczniających i upłynniających graficznie oddaje wykres zmian konsystencji w funkcji wartości stosunku wodno cementowego W/C w obszarze dwóch krzywych, obrazując pole manewru technologicznego [76]. Rys 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

2 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 2 przy zachowaniu konsystencji mieszanki i wytrzymałości betonu. Te trzy przesłanki do stosowania plastyfikatorów i superplastyfikatorów zostały tutaj jedynie zasygnalizowane, a szczegółowo zostaną omówione 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 spowalniającymi szybkość utraty konsystencji i proces wiązania cementu. Podczas całego czasookresu wbudowywania betonu należy także utrzymać tą samą konsystencję, co stanowić może pewne utrudnienie, zwłaszcza wobec krótkotrwałego oddziaływania superplastyfikatorów, lecz nie jest to w praktyce budowlanej problemem, a zagadnienie dotyczące korelacji dozowania domieszki i reologii mieszanki betonowej stanowić będzie tematykę odrębnego rozdziału opracowania [76]. Kolejnym technologicznym celem stosowania domieszek tu omawianych jest konieczność produkcji 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 charakterystyka 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 pozwala 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 zarysowań 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 zabarwienie 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 powierzchni betonu, bez porów, pęcherzyków powietrza, wżerów, jam itp. Rzutuje to także na kolejny cel stosowania plastyfikatorów i superplastyfikatorów, czyli na trwałość konstrukcji betonowej. Domieszki te pozwalają 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 bardziej zwarta i nieprzepuszczalna dla czynników zewnętrznych [76]. Zwróćmy jeszcze uwagę na dziedzinę, w której zastosowanie zwłaszcza superplastyfikatorów jest nieodzowne i rodzi szerokie możliwości rozwoju, czyli technologię betonów wysokiej wytrzymałości. Superplastyfikatory stosowane łącznie z mikrowypełniaczami, są podstawą technologii otrzymywania betonów wysokiej wytrzymałości. Obecność upłynniaczy jest jednym z podstawowych warunków do ujawnienia unikalnych właściwości mikrokrzemionki w układzie z cementem. Nawiasem mówiąc przy zastosowaniu 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 betonów 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 cementu, dawka pyłu krzemionkowego, itd. Zatem ze względu na złożoność i szereg wzajemnych oddziaływań wyżej wymienionych czynników konieczne jest doświadczalne sprawdzenie, w konkretnych warunkach, wpływu domieszki upłynniającej na właściwości reologiczne mieszanki betonowej BWW [65]. Problematyka ta zostanie przybliżona w dalszej części tego rozdziału.

3 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 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 domieszki. 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 Domieszki do betonu. Klasyfikacja i określenia. Przyjęto w niej układ klasyfikacyjny obejmujący ok. 20 grup domieszek. Interesujące nas domieszki modyfikujące właściwości reologiczne mieszanki betonowej oraz zawartość 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 związki wielkocząsteczkowe, wywierające działanie dyspergujące, smarne lub zmniejszające napięcie powierzchniowe wody. Głównym celem ich użycia jest: zwiększenie ciekłości mieszanki betonowej lub zaprawy, bez zmiany składu (W/C = const.), lub zwiększenie wytrzymałości betonu (efekt redukcji 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 wytrzymałości, zwłaszcza początkowej, betonu w stopniu większym niż uzyskuje się stosując domieszki 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, rodzajach 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 betonowej w znacznie większym stopniu, niż zwykłe domieszki uplastyczniające lub alternatywnie: umożliwiają zdecydowanie większe zmniejszenie ilości wody zarobowej w mieszance, co w konsekwencji powoduje 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 rozgraniczenie. Dla szerszego ujęcia zagadnienia posłużę się danymi zawartymi w Polskiej Normie PN 90/B Domieszki do betonu. Domieszki uplastyczniające i upłynniające. Wymagania i badanie efektów oddziaływania na beton oraz propozycjami wspomnianego już projektu normy EN 934-2:1994. Pamiętać należy, że efekty oddziaływania domieszki wykorzystywanej w celu upłynnienia (uplastycznienia) mieszanki betonowej ocenia się porównując właściwości betonu zawierającego badany produkt oraz betonu kontrolnego, wykonanych z mieszanek o jednakowym W/C. Jeśli z kolei domieszka ma być wykorzystywana w celu zwiększenia wytrzymałości betonu, jej oddziaływanie ocenia się

4 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 4 przez porównanie właściwości betonu zawierającego badany produkt oraz betonu kontrolnego, wykonanych 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 zwiększenia wytrzymałości betonu [44]. Podejście do sklasyfikowania omawianych domieszek jest jednak bardzo zróżnicowane, czego najlepszym przykładem są normatywy niemieckie. Dla plastyfikatora BV (Betonver flüssiger) kryterium badania stanowi warunek: koniec wiązania zaczynu cementowego przy podwojonym maksymalnym dozowaniu domieszki powinien nastąpić w czasie krótszym, niż 16 godzin. Badanie przeprowadza się na 16 cementach. 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 powinna 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 technologicznych plastyfikatorów wiele krajów nie wprowadziło tego podziału środków plastyfikujących, lub przyjęło inne kryteria oceny [76]. W dotychczasowych rozważaniach ujęcie klasyfikacyjne było przyporządkowane efektowi technologicznemu uzyskiwanemu wskutek zastosowania odpowiedniej domieszki. Spójrzmy teraz na domieszki uplastyczniające i upłynniające przez pryzmat ich budowy i składu chemicznego. 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 produkcji 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 podczas, 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 powtarzalnych wyników, co go dyskwalifikuje [76]. Lignosulfoniany wprowadzają zwykle małe ilości 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 dodatki modyfikujące ich działanie, a mianowicie zwiększające wpływ napowietrzający lub przyspieszający wiązanie [34].

5 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 5 Porównanie podstawowych wymagań PN 90/B i pren 934-2:1994 dla domieszek uplastyczniających i upłynniających stosowanych w celu zwiększenia ciekłości mieszanki betonowej [44] Wyszczególnienie Wymagania wg PN 90/B pren 934 2:1994 DOMIESZKI UPLASTYCZNIAJĄCE Zwiększanie (poprawa) cie kłości mieszanki betonowej z domieszką; zmiana konsystencji mieszanki o składzie wzorcowym z wartości, stożka opado- 70 mm wego 30±10 mm do wartości Tablica 4.1 Zmniejszenie ciekłości mieszanki betonowej z domieszką (w funkcji czasu) zmiana konsystencji po upływie 30 min od wprowadzenia domieszki nie więcej niż o 60% w porównaniu z konsystencją tej samej mieszanki, zmierzoną po 10 min od wprowadzenia domieszki Zawartość powietrza w mieszance betonowej z domieszką nie większa niż 2% norma nie określa wymagań dla domieszek uplastyczniających stosowanych w celu zwiększenia ciekłości mieszanki betonowej Wytrzymałość na ściskanie betonu z domieszką w porównaniu z betonem kontrolnym 2) po 28 dniach 90% DOMIESZKI UPŁYNNIAJĄCE Zwiększanie (poprawa) ciekłości mieszanki betonowej z domieszką zmiana konsystencji mieszanki o składzie wzorcowym 1) z wartości stożka opado- 150 mm 150 mm wego 30±10 mm do wartości Zmniejszenie ciekłości mieszanki betonowej z domieszką (w funkcji czasu) zmiana konsystencji po upływie 30 min od wprowadzenia domieszki nie więcej niż o 60% w porównaniu z konsystencją tej samej mieszanki, zmierzoną po 10 min od wprowadzenia domieszki Zawartość powietrza w mieszance betonowej z domieszką nie większa niż 2% Wytrzymałość na ściskanie betonu z domieszką w porównaniu z betonem kontrolnym 2) po 28 dniach [%] 90% 90% do wartości nie mniejszej niż wartość wyjściowej konsystencji mieszanki kontrolnej wzrost nie większy niż o 2% w porównaniu z mieszanką kontrolną 1) skład betonów wzorcowych wg PN 90/B i pren 480 1:1994, 2) beton z domieszką i beton kontrolny wykonuje się z mieszanek o jednakowym W/C.

6 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 6 Porównanie podstawowych wymagań PN 90/B i pren 934-2:1994 dla domieszek uplastyczniających i upłynniających stosowanych w celu zwiększenia wytrzymałości betonu [44] Wyszczególnienie Wymagania wg PN 90/B pren 934 2:1994 DOMIESZKI UPLASTYCZNIAJĄCE Zmniejszanie ilości wody zarobowej w mieszance z domieszką w porównaniu z mieszanką kontrolną 8% 5% Zawartość powietrza w mieszance z domieszką 2) nie większa niż 2% wzrost nie większy niż 2% w porównaniu z mieszanką kontrolną Wytrzymałość na ściskanie betonu z domieszką w porównaniu z betonem kontrolnym: po 1 dniu po 7 dniach po 28 dniach Zmniejszanie ilości wody zarobowej w mieszance z domieszką w porównaniu z mieszanką kontrolną 1) o 115% nie określa się nie określa się 110% 105% 110% DOMIESZKI UPŁYNNIAJĄCE 16% 12% Zawartość powietrza w mieszance z domieszką 2) nie większa niż 2% wzrost nie większy niż 2% w porównaniu z mieszanką kontrolną Wytrzymałość na ściskanie betonu z domieszką w porównaniu z betonem kontrolnym: po 1 dniu po 28 dniach 135% 115% 140% 115% Tablica 4.2 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, Sikament FF; związek ten buduje także domieszkę kompleksową SKP-26 [44]. Są to syntetycznie wyprodukowane polimery z żywicy melaminowej. Osiągają pełną skuteczność dopiero przy wyższym dozowaniu. Nie zauważa się ubocznych działań typu napowietrzającego, czy opóźniającego. Produkty te nadają się najlepiej do wyrównania wahań jakości betonu występujących z powodu zmiennych właściwości technologicznych piasku (niejednolitość uziarnienia, zmienne zawilgocenie) [76]. Uważa się, że szybkość utraty płynności maleje ze wzrostem stężenia superplastyfikatora, a jednak beton z superplastyfikatorem 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 połączeniu 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

7 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 7 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 kruszywie miałkich frakcji [76]. Superplastyfikatory na bazie naftalenu są efektywniejsze w dyspergowaniu cementu i mają pewne właściwości opóźniające [39]. Upłynniacze naftalenowe SNF okazują się także skuteczniejsze w oddziaływaniu na właściwości reologiczne mieszanki betonowej (granicę płynięcia i lepkość pozorną) w stosunku do upłynniaczy melaminowych SMF. Różnica ta jest tym większa, 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 melaminowo-naftalenowa daje ten sam efekt przy o połowę niższym dozowaniu. Efekt działania superplastyfikatora zanika w czasie najszybciej dla preparatów melaminowych (ok. 20 min), najwolniej dla preparatów naftalenowych (ok. 60 min). Mieszaniny tych dwóch związków dają efekt dokładnie wypośrodkowany [76]. d) Modyfikowane sole kwasów lignosulfonowych e) Inne: polimery o nie zbadanych szerzej właściwościach, których charakterystykę podają tylko wytwórcy, np. wielkopierścieniowe sulfoniany, kwasy alkiloarylosulfonowe, sulfonowane polistyreny i inne [34]. Domieszki uplastyczniające i upłynniające można wreszcie uszeregować z punktu widzenia mechanizmu 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 dyspergujące, smarne i zmniejszających napięcie powierzchniowe wody, powodujących utrzymanie się w mieszance betonowej początkowo znacznych ilości wolnej wody na skutek opóźnienia tworzenia się etryngitu i/lub zmniejszenie ilości wody utrzymywanej w otoczkach solwatacyjnych wokół ziaren cementu i pyłów (cząstek wielkości do mm). Powstający z opóźnieniem etryngit wiąże znaczne ilości wody i konsystencja mieszanki betonowej stopniowo zwiększa się (mieszanka gęstnieje). Zanim to nastąpi zwiększa się ciekłość oraz urabialność zaprawy, lub mieszanki betonowej [44]. W tym miejscu należałoby zaprezentować mechanizmy oddziaływań zachodzących podczas uaktywniania się domieszek plastyfikujących i upłynniających Działanie dyspergujące W grupie domieszek uplastyczniających i upłynniających występują także związki organiczne charakteryzujące się wyłącznie działaniem dyspergującym i nie będące związkami powierzchniowo czynnymi. Takie domieszki zwiększają ciekłość mieszanki betonowej, natomiast nie mają działania napowietrzającego i zwilżającego. Są to np. sole kwasów hydroksykarboksylowych, sulfonaty melaminowe, czy sulfonaty 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 cząsteczki o charakterze anionowym nadają powierzchniom ładunek ujemny. Na pograniczu faz, to jest wokół ziarn cementu i cząstek pyłów, tworzy się podwójna warstwa elektryczna, tzw. warstwa Helmholza-Sterna i potencjał elektrokinetyczny dzeta. W wyniku powstawania znacznych sił odpychających, następuje 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 przeciwdziałają adhezji cząstek cementu, w wyniku czego uzyskuje się znaczną deflokulację (tj. rozsegregowanie)

8 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 8 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 powierzchniowego na granicy faz ciecz - powietrze, czego jednym z efektów jest umiarkowane napowietrzenie 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 intensywnym działaniu dyspergującym tych domieszek. Zwiększenie zaś liczby cząsteczek cementu przyspiesza jego hydratację [34] Działanie zmniejszające napięcie powierzchniowe wody Istnieje wyraźna zależność między właściwościami poszczególnych związków powierzchniowo czynnych, a ich oddziaływaniem na cechy mieszanki betonowej oraz betonu. Związki te odznaczają się w różnym stopniu zdolnością zmniejszania napięcia powierzchniowego wody i poprawy jej zdolności do zwilżania oraz działania dyspergującego, co powoduje w konsekwencji zróżnicowany wzrost ciekłości mieszanki betonowej. Zmniejszanie napięcia powierzchniowego wody jest związane z dipolową budową cząsteczek substancji powierzchniowo czynnych. Większość z nich jest wydłużona asymetrycznie: na przeciwległych końcach ma biegun dodatni i ujemny, czemu towarzyszy stały moment dipolowy. Jedną 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 odpychają 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 adsorpcyjnych stanowi warunek zmniejszenia napięcia powierzchniowego na granicy faz w wyniku działania sił międzycząsteczkowych (tzw. sił Van der Waalsa). Wynikiem tego jest właśnie poprawa ciekłości zaprawy lub mieszanki betonowej, uzyskiwana przez zmniejszenie sił oddziaływania między cząsteczkami 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 powierzchniowo czynne dzielimy na jonowe i niejonowe. Jeśli w wyniku dysocjacji 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 właściwości 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-

9 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 9 niowo czynnego nie pociąga za sobą tak negatywnych skutków, jak w przypadku środków napowietrzających Działanie smarne Uplastycznienie mieszanki może być także spowodowane działaniem smarnym warstewek domieszki zaadsorbowanej na ziarnach cementu i kruszywa. Wytwarzający się poślizg między cząsteczkami 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 Zmiana konsystencji mieszanki betonowej przy stałym W/C Istnieją trzy możliwości uzyskania z betonu o konsystencji gęstoplastycznej, wymagającego do właściwego 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 płynność, 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 składników 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 plastyfikatorów 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 plastyfikatorów 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 zasygnalizowane, 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 podatność na segregację. Stwardniały beton ma wówczas bardziej jednorodną i szczelną strukturę. Wobec czego np. dla mieszanki betonowej, gdzie W/C=0.59, przy użyciu cementu portlandzkiego CP35 w ilości

10 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów kg/m 3 i dawce domieszek rzędu 0.2% wagi cementu, udało się zwiększyć opad stożka z 8.5 cm (beton kontrolny) do 14.5 cm uzyskując mieszankę ciekłą [44]. W przypadku zastosowania krajowego plastyfikatora np. Klutanu P bez zmniejszania ilości wody zarobowej, powoduje się silne uplastycznienie mieszanki betonowej o jeden, a nawet o dwa stopnie konsystencji. 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 kontrolny) do 5.5 cm 5% Klutanu P. oraz do 8.5 cm przy dawce domieszki rzędu 0.9%. Wytrzymałość betonu wykonanego z mieszanek o zwiększonej ciekłości praktycznie nie zmniejsza się w porównaniu z betonem kontrolnym: spadek R 28 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 zaczyny 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 plastyfikator powodujący wzrost urabialności betonu ze wzrostem temperatury [34]. Przejdźmy teraz do wpływu superplastyfikatorów. Są one domieszkami o znacznie silniejszym działaniu 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 opóźniającym) [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 momencie 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 mieszanki i usuwania z niej nadmiaru powietrza, spełniają więc równocześnie funkcję domieszek zagęszczających [21]. Pierwszym superplastyfikatorem, którego wpływ na zmianę konsystencji mieszanki betonowej przybliżono, jest Betoplast 1. Wpływa on silnie dyspergująco, zmniejszając napięcie powierzchniowe wody poprawia jej zdolności zwilżające. Zależność ilości Betoplastu 1 i skuteczności jego oddziaływania bada-

11 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 11 no stosując beton kontrolny wykonany z cementu portlandzkiego marki 35 oraz kruszywa naturalnego o uziarnieniu do 20 mm, przy zawartości cementu 300 kg/m 3, W/C=0.53 i konsystencji mieszanki kontrolnej (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 rozpływ 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 zawartości cementu. I tak np. mieszanka zawierająca 500 kg/m 3 cementu zmieniła konsystencję z plastycznej na płynną (25 cm opadu stożka) przy udziale 1.5% Betoplastu 1 dozowanego bezpośrednio do przygotowanej 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 mieszanki, która ma uzyskać konsystencję płynną, powinien zapewniać brak możliwości segregacji składników 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 mieszanki wyjściowej). Czas utrzymywania się płynnej konsystencji oscyluje w granicach min. Duże działanie uplastyczniające Betoplastu 1 zostało potwierdzone także w badaniach reologicznych zaczynów cementowych. Granica płynności, lepkość plastyczna, energia upłynnienia tiksotropowego zaczynów cementowych z tą domieszką ulegają znacznemu zmniejszeniu [44]. Podobnie jak Betoplast 1 zachowuje się, stosowana w celu upłynnienia mieszanki betonowej, domieszka kompleksowa SKP 26 (upłynniająco przyspieszająca). W tym przypadku użyto cementu portlandzkiego CP35 w ilości 350 kg/m 3, 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 betonową, nie zależą od rodzaju zastosowanego cementu (czystoklinkierowy, czy z dodatkiem żużla). Zastosowanie domieszki w celu znacznego upłynnienia nie powoduje zmniejszenia wytrzymałości, lecz jej wzrost, zwłaszcza 1-dniowa wytrzymałość wynosi 130% w stosunku do wytrzymałości betonu kontrolnego (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 wyniesie 350 i 450 kg; dawka superplastyfikatora 2 i 3% masy cementu, W/C wahało się będzie w granicach , 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 superplastyfikatora, a także co ważne od ilości i składu mineralogicznego cementu oraz zawartości piasku [27].

12 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 12 Przy ilości cementu 350 kg/m 3 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 Betoplast 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% dodatek 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/m 3 [27]. Początkowe upłynnienie mieszanek o p.p. 40 i 50% w zasadzie nie zależy ani od rodzaju superplastyfikatora, 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 upłynnienie można uzyskać stosując 3% dodatku. We wszystkich wypadkach nieznacznie lepiej działa Betoplast 1. Interesujące jest, że mieszankę betonową o p.p. 25% wykonano tylko przy wyższej zawartości cementu w 1m 3 betonu, gdyż w wypadku użycia 350 kg cementu mieszanka miała za mało frakcji drobnych 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/m 3 [27]

13 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 13 Rys. 4.7 Wpływ superplastyfikatorów na zmianę konsystencji mieszanek betonowych o zawartości cementu 450 kg/m 3 [27] Obniżanie wartości W/C przy zachowaniu stałej konsystencji Stosunek wodno cementowy jest najważniejszym parametrem wpływającym na jakość betonu. Przytoczono 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%

14 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 14 Rys 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 Zależność porowatości kapilarnej betonu oraz współczynnika filtracji wody od wartości W/C [21]

15 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 15 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 zawierających 300 kg/m 3 CP35, domieszkę wprowadzono wraz z wodą zarobową, a W/C zawierało się w przedziale 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 R s 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/m 3 cementu 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 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 % [44]. Interesujące w tym miejscu wydają się być wyniki badań skuteczności Betoplastu 1, którymi objęto betony o jednakowej konsystencji. Domieszkę w ilości 1.5 % dozowano bezpośrednio do już przygotowanej mieszanki betonowej, zawierającej ilości cementu od 250 do 500 kg/m 3. Rezultaty prezentuje tablica 4.3. Dzięki zachowaniu stałej konsystencji i zredukowaniu udziału wody (wskaźnik W/C obniżył swą wartość o %) wytrzymałość betonów zwiększyła się o 30 35%. Jedynie w betonie o zawartości cementu 500 kg/m 3 nastąpił wzrost wytrzymałości betonu z domieszką tylko o 20%. Wiąże się to niewątpliwie 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/m 3 CP35. Wskaźniki W/C zmieniały się odpowiednio: przy niższej zawartości cementu z 0.53 do 0.4 i dla wyższej zawartości z 0.35 do W jednym i drugim przypadku na szczególne podkreślenie zasługuje kształtowanie się wczesnej wytrzymałości tj. po jednym dniu.

16 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 16 Właściwości mieszanek betonowych i wytrzymałość betonów zawierających kg/m 3 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 Ilość Wytrzyma [s] łość cementu w 1 m 3 betonu [kg] współc z. W/C zmniejszenie W/C bez domieszki z Betoplastem 1 powietrza w mieszance betonowej [%] betonu na ściskanie po 28 dniach Tablica 4.3 Niezależnie od ilości cementu, przy tym samym poziomie redukcji wody zarobowej (25 26%) następuje 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 większego 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/m 3, 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 ( %). Mieszanki betonowe zawierały od 300 do 378 kg/m 3 cementu CP35 z dodatkami, który również miał niższe od wymaganych w PN 88/B 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 C 3 A lub/i zwiększona zawartość alkaliów, co może zmniejszyć efektywność superplastyfikatorów. Wpływ ilości i rodzaju cementu zostanie później omówiony pod również tym kątem w punkcie 4.6 [16]. Poświęcono także nieco uwagi domieszkom dwufunkcyjnym: napowietrzającemu superplastyfikatorowi 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 towarzyszy 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/m 3, kruszywo o p.p. = 35, a konsystencję utrzymywano na średnim poziomie ok. 6.3s wg. Ve Be. Ze zwiększaniem ilości domieszki ilość powietrza w mieszance jest w miarę stała ( %), natomiast ilość wody stopniowo zmniejsza się od 10% przy dozowaniu 1%, do 27.5% przy dozowaniu 3% Betoplastu N.

17 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 17 Rys Wpływ Betoplastu N na mieszankę betonową przy różnej ilości wody w mieszane: [42] a ilość powietrza w mieszance; b ilość wody w mieszance. Rys 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 wody zarobowej, dla zachowania przyjętej konsystencji, w znacznym stopniu przyspiesza wzrost początkowej wytrzymałości betonu oraz podwyższa wytrzymałość 28 dniową. W omawianej próbie do wykonania betonu stosowano dwa rodzaje cementu w ilości 300 kg/m 3 : cement portlandzki czystoklinkierowy CP35 i cement portlandzki z dodatkami CP35 i D20h. Domieszka została zastosowana w ilości 3% masy cementu, z jednoczesnym zmniejszeniem ilości wody zarobowej o ok. 19%. Spowodowało to bardzo zdecydowany wzrost wytrzymałości na ściskanie, zwłaszcza w okresie początkowym, w porównaniu z betonem kontrolnym dojrzewającym w takich samych warunkach i badanym w tym samym czasie. Wytrzymałość 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-

18 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 18 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 uplastyczniających i upłynniających z opóźniającymi wiązanie: Addiment BVT, Sika Retarder oraz napowietrzającymi: Addiment LPS 87. Uzyskiwano beton klasy B35 przy użyciu 460 kg/m 3 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 wynikające z tego zwiększenie wytrzymałości na ściskanie. Najkorzystniejsze rezultaty uzyskano przy stosowaniu Addimentu BV3, chociaż redukował on ilość wody zarobowej tylko o 8.5%. Po 7 dniach podnosi 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 obniżające nieco wytrzymałość, co jednak kłóci się z faktem, iż stosowanie samej tylko domieszki napowietrzającej w tych próbach podnosi R 28 o 4% Obniżenie zawartości cementu Możliwość redukcji ilości cementu przy zachowaniu podstawowych cech betonu, głównie jego wytrzymałości 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 zastosowano domieszki opóźniające: Addiment BVT, lub Sika Retarder, a po upływie godziny upłynniacze: Addiment FM6, lub Sikament FF. Sprawdzano w ten sposób receptury robocze dla wykonawcy, który wymagał opóźnienie wiązania cementu (ze względu na cykl: produkcja betonu transport wbudowanie betonu). Dla porównania użyto także Hydrozolu K (plastyfikator uszczelniający używany w kraju do wykonywania hydrotechnicznego betonu specjalnego), a także Betoplastu 1. Generalnie lepsze rezultaty uzyskano na cemencie Kujawy, a optymalnym układem zapewniającym przy obniżeniu ilości cementu o 100 kg/m 3 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 Addimentu 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 Hydrozolem 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 opóźniającej w wytypowanej wcześniej optymalnej kombinacji (Addiment BVT/FM6 i obniżona zawartość cementu o kolejne 40 kg/m 3 ) 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/m 3 cementu CP35 z dodatkami (mieszanka 1 ) lub 378 kg/m 3 cementu (mieszanka 2 ). Ich wyjściowe parametry:

19 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 19 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 C 3 A i alkaliów dając niższe od minimalnych wytrzymałości 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 R 28 wyższą o 10% od wytrzymałości mieszanki kontrolnej. Przy obniżeniu zaś ilości cementu o 15%, a wody zarobowej o 22%, R 28 zwiększyła się o 9%. Cały czas zachowywano stałą konsystencję. 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 %, również przy zachowaniu założonej wytrzymałości betonu i konsystencji mieszanki. Uzyskiwana 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 pogorszenia 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 betonowej możemy je wprowadzić w różnym okresie: a) dozowanie przed dodaniem wody, na kruszywa daje ono najsłabsze działanie domieszki, ponieważ 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 mieszanki 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 zaczynu wywołują lepkość Pa s. Plastyfikatory nie poprawiają już w znaczniejszym stopniu płynności 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].

20 4. Rola plastyfikatorów i superplastyfikatorów 20 Rys 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 sulfonowanego, T bez dodatku [34] Na podstawie badań stwierdzono, że w przypadku dodania superplastyfikatora wraz z całą ilością wody zarobowej będzie się on adsorbował przede wszystkim na powierzchni nieuwodnionego C 3 A. Jeśli zaś cement zetknie się wstępnie z wodą, część zawartego w nim gipsu i C 3 A przereaguje i ulegnie hydratacji, a powstały etryngit upłynniacze adsorbują znacznie słabiej niż na C 3 A. Przez zmniejszenie się ilości nieuwodnionego 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 minutach może wrócić do konsystencji wyjściowej, jak przed wprowadzeniem superplastyfikatora. W betonie z domieszkami uplastyczniającymi ciekłość mieszanki utrzymuje się znacznie dłużej [26,44]. Inne źródła podają, iż proces utraty ciekłości jest jeszcze intensywniejszy. Przy dodatku lignosulfonianu urabialność 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 urabialność 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 superplastyfikatora 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 wytrzymałość [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.