Jaki jest mechanizm środka napowietrzającego?

Środki napowietrzające to głównie anionowe środki powierzchniowo czynne. Na granicy woda-powietrze grupy hydrofobowe są zorientowane w stronę powietrza, natomiast na granicy cement-woda cement lub jego jony hydratacyjne są adsorbowane przez grupy hydrofilowe. Grupy hydrofobowe są odpychane od cementu i jego jonów hydratacyjnych, tworząc hydrofobową warstwę adsorpcyjną, która ma tendencję do zbliżania się do powierzchni powietrza. Dzięki jonowemu podejściu do powierzchni powietrza i adsorpcji cząsteczek czynnika napowietrzającego na granicy faz powietrze-woda, napięcie powierzchniowe wody ulega znacznemu zmniejszeniu, co powoduje powstawanie w betonie podczas mieszania licznych drobnych pęcherzyków powietrza. Pęcherzyki te posiadają kierunkową warstwę adsorpcyjną o tym samym ładunku, co powoduje, że odpychają się one i równomiernie rozprowadzają. Z drugiej strony wiele anionowych środków napowietrzających wytrąca sole wapnia w roztworach cementu o wysokiej zawartości wapnia, które adsorbują się na folii bąbelkowej, skutecznie zapobiegając pękaniu pęcherzyków. Wprowadzona drobna, jednolita pianka może pozostać stabilna przez pewien czas.

Z powyższego mechanizmu widać, że działanie międzyfazowe środków napowietrzających jest podobne do działania reduktorów wody. Różnica polega na tym, że aktywność międzyfazowa reduktorów wody występuje głównie na granicy faz ciecz-ciało stałe, podczas gdy aktywność międzyfazowa środków napowietrzających występuje głównie na granicy faz gaz-ciecz-ciało stałe. Jest oczywiste, że podstawową funkcją środków napowietrzających jest wprowadzenie pęcherzyków powietrza, a następnie działanie dyspergujące i zwilżające.

Po zmieszaniu z wodą suchej zaprawy zawierającej środki napowietrzające, środki te znacznie zmniejszają napięcie powierzchniowe i energię międzyfazową wody, powodując łatwe tworzenie się licznych drobnych, zamkniętych pęcherzyków powietrza podczas mieszania. Większość tych pęcherzyków ma średnicę poniżej 200 µm.

Środki napowietrzające wprowadzają do zaprawy stabilne mikropęcherzyki poprzez działanie fizyczne. Zmniejsza to gęstość mokrej zaprawy, poprawia urabialność i zwiększa wydajność mokrej zaprawy. Powietrze zatrzymane w zaprawie poprawia właściwości termoizolacyjne betonu, ale także zmniejsza jego wytrzymałość. Dozowanie środków napowietrzających różni się w zależności od rodzaju suchej zaprawy i użytego środka napowietrzającego, ale zazwyczaj jest bardzo niskie, zazwyczaj 0.002% do 0,01 % masy cementu, nie więcej niż 0,05% masy cementu.

Na zawartość powietrza w zaprawie wpływają różne czynniki, w tym charakterystyka i ilość cementu i domieszek, stosunek wody do cementu (stosunek wody do spoiwa), rodzaj i dawka środków napowietrzających, jakość i rozkład cząstek kruszywa, rodzaj i pojemność mieszalnik zaprawy, temperatura mieszania, konsystencja mieszanki i temperatura otoczenia. Chociaż ilość dodanego środka napowietrzającego jest bardzo mała, ma to znaczący wpływ na właściwości użytkowe suchej zaprawy. Jego główne funkcje to:

Poprawa urabialności suchej zaprawy

Dodatek środków napowietrzających powoduje powstawanie w mieszance betonowej licznych, drobnych, zamkniętych pęcherzyków powietrza. Mikropęcherzyki te działają jak łożyska kulkowe, zmniejszając opór tarcia pomiędzy cząstkami kruszywa, zwiększając w ten sposób płynność mieszanki betonowej. Jeśli płynność jest utrzymywana na stałym poziomie, zawartość wody może zostać zmniejszona. Jednocześnie, dzięki równomiernemu rozprowadzeniu wody na powierzchni licznych pęcherzyków powietrza, zmniejsza się ilość swobodnie przemieszczającej się wody, co skutkuje zmniejszeniem wydzielania się mokrej zaprawy i odpowiednio zwiększeniem retencji i spójności wody.

Obniżenie wytrzymałości suchej zaprawy

Ze względu na obecność licznych pęcherzyków powietrza powierzchnia nośna zaprawy zmniejsza się, co prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości betonu. Jednakże środki napowietrzające mają pewne działanie redukujące wodę (zwłaszcza napowietrzające reduktory wody, które mają bardziej znaczące działanie redukujące wodę). Zmniejszony stosunek wody do cementu w pewnym stopniu kompensuje wytrzymałość. Jednak dodatek środków napowietrzających w dalszym ciągu powoduje zmniejszenie wytrzymałości zaprawy, zwłaszcza wytrzymałości na ściskanie. Dlatego też należy ściśle kontrolować dozowanie środków napowietrzających, a optymalne dozowanie ustalić na podstawie badań zawartości powietrza, urabialności i związanej z tym wytrzymałości zaprawy. Dodatkowo, na skutek obecności licznych pęcherzyków powietrza, zwiększa się odkształcenie sprężyste zaprawy i zmniejsza się moduł sprężystości, co korzystnie wpływa na poprawę odporności zaprawy na pękanie.

Zwiększenie wodoszczelności i mrozoodporności zaprawy

Dodatki napowietrzające zmniejszają przesiąkanie mieszanek betonowych (ogólnie zmniejszając wypływ powietrza o 30% do 40%). W rezultacie zmniejszają się również kanały kapilarne, w których może krwawić. Jednocześnie obecność licznych zamkniętych mikropęcherzyków blokuje lub przerywa kapilarne kanały wodne w zaprawie, zmieniając strukturę porów i zwiększając szczelność zaprawy. Pęcherzyki charakteryzują się znaczną zdolnością do odkształcenia sprężystego, zapewniając efekt amortyzacji przed naprężeniami rozszerzającymi wywołanymi zamarzaniem wody, poprawiając w ten sposób mrozoodporność zaprawy i zwiększając jej trwałość. Dodatkowo dodatek środków napowietrzających zmniejsza gęstość zaprawy, oszczędzając materiały i zwiększając powierzchnię budowy.

Czynniki wpływające na zawartość powietrza w zaprawie:

Charakterystyka i ilość cementu i domieszek

Stosunek woda-cement (stosunek woda-spoiwo)

Rodzaj i dawkowanie środków napowietrzających

Jakość i rozkład cząstek kruszyw

Rodzaj i pojemność mieszalnika zaprawy

Temperatura mieszania

Konsystencja mieszanki

Temperatura otoczenia