Jaki jest mechanizm działania środka spieniającego w betonie?

W budownictwie występowanie pęknięć betonu i przesiąkania wody jest zjawiskiem powszechnym, a pęknięcia konstrukcyjne mogą mieć wpływ na estetykę lub, w poważnych przypadkach, bezpieczeństwo budynku. Ze względu na takie czynniki, jak zwiększone zużycie cementu, wyższe wymagania wytrzymałościowe, warunki konstrukcyjne i nieodpowiednie utwardzanie, powstawanie pęknięć w konstrukcjach betonowych jest nieuniknione. Obecnie jedynym możliwym podejściem w inżynierii jest kontrola pęknięć w nieszkodliwych granicach.

Przyczyny pękania betonu

Istnieje wiele przyczyn pękania betonu w projektach budowlanych, w tym projekt konstrukcyjny, utwardzanie konstrukcji i surowce. Główną przyczyną pęknięć są naprężenia rozciągające powstające, gdy beton ulega obciążeniu, odkształceniu i mieszaniu podczas procesu utwardzania. Pęknięcia powstają, gdy wewnętrzne naprężenia rozciągające przekraczają ostateczną wytrzymałość betonu na rozciąganie. Spośród nich 80% stanowią pęknięcia niekonstrukcyjne spowodowane deformacją, a większość tych pęknięć niekonstrukcyjnych wynika ze skurczu betonu (takiego jak skurcz autogeniczny, skurcz plastyczny, skurcz przy suszeniu, skurcz termiczny itp.).

Nie ma szczegółowych specyfikacji technicznych dotyczących kontrolowania pęknięć niekonstrukcyjnych, a powszechne metody stosowane w inżynierii obejmują projektowanie złącz dylatacyjnych lub stosowanie „metody skaczącego magazynu” podczas budowy. Jednak takie podejście wydłuża okres budowy i zwiększa koszty czyszczenia. Szerokie zastosowania inżynieryjne wykazały, że najskuteczniejszą metodą jest użycie betonu kompensującego skurcz do kontroli pęknięć.

Mechanizm i zastosowanie środków ekspansywnych

Środki ekspansywne do betonu to dodatki, które po dodaniu do betonu powodują jego zwiększenie objętości, kompensując skurcz betonu. Środki ekspansywne są klasyfikowane na podstawie ich składników ekspansywnych, takich jak sulfoglinian wapnia, na bazie CaO, na bazie MgO, sulfoglinian wapnia-tlenek wapnia i kompozyty wapniowo-magnezowe. Ze względu na różne komponenty ekspansywne, ich wydajność ekspansji również jest różna. Do najpowszechniej akceptowanych mechanizmów środków ekspansywnych zalicza się teorię wzrostu krystalicznego, teorię pęcznienia po absorpcji wody i teorię rozszerzania objętości fazy stałej.

2.1 Środki ekspansywne na bazie sulfoglinianu wapnia

Efekt ekspansji środków ekspansyjnych na bazie sulfoglinianu wapnia osiąga się głównie poprzez tworzenie się ettringitu wapniowego (C3A-3CaSO4-32H2O) podczas hydratacji. Istniejące badania sugerują, że połączony wpływ ciśnienia wzrostu kryształów i siły pęcznienia ettringitu przy absorpcji wody jest podstawową przyczyną ekspansji, przy czym dominującym czynnikiem jest pęcznienie poprzez absorpcję wody. W oparciu o tę teorię reakcja hydratacji ettringitu wymaga znacznej ilości wody, co ogranicza jego zastosowanie w betonach o wysokiej wytrzymałości o niskim stosunku wody do cementu. Dodatkowo beton zawierający środki ekspansywne na bazie sulfoglinianu wapnia wymaga ścisłej kontroli utwardzania. Niewłaściwe utwardzanie nie tylko nie kompensuje skurczu, ale także zwiększa ryzyko pękania. Ponadto ettringit wapniowy może rozkładać się w wilgotnym i gorącym środowisku, wpływając na wytrzymałość i trwałość. Dlatego przy stosowaniu w inżynierii środków ekspansyjnych na bazie sulfoglinianu wapnia należy zwrócić szczególną uwagę na temperaturę otoczenia.

2.2 Środki ekspansywne na bazie tlenku wapnia

Mechanizm ekspansji środków ekspansyjnych na bazie tlenku wapnia polega na uwodnieniu tlenku wapnia (CaO) z wytworzeniem wodorotlenku wapnia (Ca(OH)2). Proces ten zwiększa objętość fazy stałej, a miejscowa akumulacja produktów hydratacji zwiększa objętość porów, co powoduje zwiększenie objętości pasty. W porównaniu ze środkami ekspansyjnymi na bazie sulfoglinianu wapnia, środki ekspansyjne na bazie tlenku wapnia wymagają mniej wody, mają wyższą wydajność rozszerzania i są bardziej opłacalne, co czyni je szerzej stosowanymi. Jednakże CaO reaguje egzotermicznie z wodą, co jest szkodliwe dla kontrolowania pęknięć temperaturowych w betonie. Dodatkowo szybkie tempo hydratacji CaO prowadzi do znacznego zużycia ekspansji w fazie plastycznej betonu, co czyni go nieskutecznym w kompensowaniu skurczu w późniejszym etapie. CaO jest również wrażliwy na wilgotność otoczenia, dlatego wymaga ostrożnego pakowania, aby zapobiec wchłanianiu wilgoci, co może zmniejszyć skuteczność jego rozszerzania. Ponadto Ca(OH)2 jest rozpuszczalny pod pewnym ciśnieniem wody, dlatego należy zachować ostrożność podczas stosowania środków ekspansyjnych na bazie tlenku wapnia w projektach podwodnych.

2.3 Środki ekspansywne na bazie tlenku magnezu

Efekt rozszerzania środków ekspansyjnych na bazie tlenku magnezu zachodzi poprzez uwodnienie tlenku magnezu (MgO) do wodorotlenku magnezu (Mg(OH)2), przy czym zmiana objętości wynika z siły pęcznienia Mg(OH)2 wchłanianej przez wodę wczesnych etapach hydratacji i ciśnienie wzrostu kryształów Mg(OH)2 w późniejszych etapach. Szeroko zakrojone badania i zastosowania inżynieryjne wykazały, że środki ekspansywne na bazie tlenku magnezu wykazują opóźnione rozszerzanie i długi cykl rozszerzania, co może skutecznie kompensować skurcz temperaturowy podczas skurczu podczas chłodzenia i suszenia. Ich właściwości mechaniczne są stabilne, a do nawodnienia wymagają mniej wody. Środki ekspansywne na bazie tlenku magnezu mają również tę zaletę, że są stabilnymi produktami hydratacji i regulowanymi właściwościami rozszerzania, dzięki czemu są szeroko stosowane w projektach betonowych na dużą skalę, takich jak tamy. W praktyce przy wyborze wysokowydajnych środków odpornych na pękanie lub środków ekspansyjnych na bazie tlenku magnezu o różnej reaktywności (typ R, typ M, typ S) należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak klasa wytrzymałości betonu, wymiary konstrukcyjne i środowisko budowy. kompensują skurcz betonu, osiągając w ten sposób kontrolę pęknięć w pełnym cyklu i upraszczając środki kontroli temperatury. Należy jednak zwrócić uwagę na dawkowanie środków ekspansywnych na bazie tlenku magnezu, ponieważ nadmierne ilości mogą powodować nadmierne rozszerzanie, co prowadzi do słabej stabilności objętości.

2.4 Agenci ekspansywni z podwójnym źródłem rozszerzenia

Powszechnie stosowane na rynku środki ekspansywne o podwójnym źródle spieniania obejmują środki ekspansyjne na bazie sulfoglinianu wapnia i tlenku wapnia (takie jak HCSA, CSA, FQY itp.) oraz złożone środki ekspansyjne wapniowo-magnezowe.

Środki ekspansywne na bazie sulfoglinianu wapnia i tlenku wapnia: Źródłami ekspansji tych środków są ettringit i Ca(OH)2. Kiedy te środki są stosowane w betonie, Ca(OH)2 kompensuje wczesny skurcz, natomiast ettringit kompensuje skurcz w późniejszych etapach. Ekspansja z tych źródeł następuje na różnych etapach, uzyskując efektywny efekt kompensacji skurczu. W porównaniu ze środkami ekspandującymi o pojedynczym źródle, środki ekspandujące na bazie sulfoglinianu wapnia i tlenku wapnia mają zalety polegające na większej ekspansji, niższym zapotrzebowaniu na wodę i wcześniejszym stabilnym okresie ekspansji. Są szeroko stosowane w projektach takich jak samoizolacyjne konstrukcje betonowe i bezszwowa konstrukcja bardzo długich konstrukcji.

Kompozytowe środki ekspansywne wapniowo-magnezowe: Środki te wytwarza się przez połączenie lekko spalonego tlenku magnezu z tlenkiem wapnia, ze źródłami ekspansji z Ca(OH)2 i Mg(OH)2. Szybkość ekspansji tych środków złożonych jest regulowana przez większą szybkość hydratacji tlenku wapnia i mniejszą szybkość hydratacji tlenku magnezu. Regulacja ta umożliwia stopniową kompensację skurczu betonu w pełnym cyklu. Co więcej, kompozytowe środki ekspansyjne wapniowo-magnezowe pokonują wrażliwość temperaturową pojedynczych środków ekspansyjnych na bazie tlenku wapnia, dzięki czemu nadają się do projektów o mniej rygorystycznych wymaganiach dotyczących kontroli temperatury.