Idea pielęgnacji wewnętrznej

Odpowiedni dobór metody i czasu pielęgnacji zależy głównie od wymaganych właściwości betonu, założonej trwałości i wytrzymałości. Większość tradycyjnych metod pielęgnacji opiera się na oddziaływaniu na powierzchnię betonu z zewnątrz, które zostały omówione w poprzednim punkcie. Pielęgnacja wewnętrzna polega na wprowadzeniu do składu mieszanki betonowej dodatku, który ma stanowić regulator rezerwy wody dla zapewnienia prawidłowego przebiegu dojrzewania i postępu hydratacji. Pielęgnacja wewnętrzna została zdefiniowana przez Amerykański Instytut Betonu (ACI- American Concrete Institute) jako „proces, dzięki któremu hydratacja cementu jest kontynuowana z uwagi na dostępność wewnętrznej wody, której źródłem nie jest woda zarobowa”.

Idea pielęgnacji wewnętrznej zyskała na znaczeniu w ostatnich latach, ponieważ okazała się przydatnym narzędziem do poprawy właściwości i trwałości betonu.

Klasyfikację metod pielęgnacji betonu wraz ze sposobem dostarczenia wody do/na mieszanki przedstawiono na rys.3.4 [3.9].

Rys. 3.4 Podział metod pielęgnacji betonu [3.9]

Do powyższego schematu można dodać materiały zmiennofazowe, które są przechowywane w kapsułkach wykonanych z superabsorbujących polimerów (SAP).

W piątym rozdziale raportu RILEM TC 196- ICC (ICC-Internal Curing of Concrete) [3.9] został opisany przegląd różnych innowacyjnych technik pielęgnacji wewnętrznej. Polegają one na dostarczeniu różnymi technologiami określonej ilości wody (nie zarobowej) do wnętrza mieszanki w celu zagwarantowania prawidłowego przebiegu hydratacji. Umożliwi to złagodzenie skurczu, zwiększy odporność na pękanie we wczesnym wieku i przedłuży trwałość betonu. Prowadzenie pielęgnacji ma na celu kontrolowanie temperatury i migracji wilgoci zarówno z, jak i do wnętrza betonu.

Dodatkowym celem pielęgnacji jest również minimalizacja skurczu w początkowym okresie dojrzewania młodego betonu.

Odpowiedni dobór metody i czasu pielęgnacji zależy głównie od wymaganych właściwości betonu, założonej trwałości i wytrzymałości. Większość tradycyjnych metod pielęgnacji opiera się na oddziaływaniu na powierzchnię betonu z zewnątrz.

Pielęgnacja wewnętrzna polega na wprowadzeniu do składu mieszanki betonowej Pielęgnacja betonu

komponentu, który ma stanowić „rezerwy” wody, dla zapewniania warunków do postępu hydratacji.

Rysunek 3.5. przedstawia mechanizm pielęgnacji zewnętrznej i wewnętrznej betonu [Górażdże, Vademecum Technologa Betonu].

Rys. 3.5. Mechanizm pielęgnacji zewnętrznej i wewnętrznej betonu – według [3.10]

Beton może utracić kapilarną wodę w wyniku zewnętrznych oddziaływań, jak np. suszenie, parowanie z powierzchni wystawionej na działanie powietrza i promieniowania słonecznego lub odsysanie z powierzchni wystawionej na działanie materiału chłonnego, np. poszycie deskowania. Ponadto, w mieszankach betonowych o niskim współczynniku w/c, w procesie hydratacji cementu może wystąpić zjawisko wewnętrznego suszenia lub samoosuszania. Zjawiska te mogą powodować znaczny skurcz zwłaszcza, gdy pielęgnacja zewnętrzna jest prowadzona w ograniczonym zakresie lub całkowicie zaniechana. Skurcz w betonach występuje w dwóch etapach: we wczesnym i w późnym okresie, co przedstawia rysunek 3.6.

Rys. 3.6. Etapy skurczu [3.11]

Wczesny okres definiowany jest jako pierwszy dzień, w którym beton został ułożony i zaczyna twardnieć. Późny wiek (długi okres) występuje powyżej 24h.

Przyrosty obu skurczów powodują zmianę objętości spowodowaną termicznymi zmianami i reakcją karbonatyzacji. Skurcze autogeniczne i suszenia są jednymi z głównych przyczyn pękania we wczesnym wieku dojrzewającego betonu [3.12] [3.13 [3.14].

Skurcz spowodowany utratą wody przez beton można podzielić na dwie kategorie:

skurcz autogeniczny i skurcz od wysychania. Skurcz autogeniczny odnosi się do zmniejszenia objętości produktów reakcji hydratacji cementu w stosunku do substratów, tj. cementu i wody, a także zmian objętości spowodowanych samoosuszaniem przy niskim współczynniku w/c. Skurcz od wysychania zwykle odnosi się do odkształceń betonu spowodowanych utratą wody kapilarnej, np. wskutek odparowania z powierzchni [3.15]. W takich okolicznościach pielęgnacja wewnętrzna może stanowić uzupełnienie ubytku wody kapilarnej, co umożliwi dalszy postęp hydratacji, zapewni przyrost wytrzymałości, wpłynie na ograniczenie i/lub opóźnienie skurczu oraz poprawę ogólnej trwałości betonu.

Na rysunku 3.7. przedstawiono wpływ pielęgnacji wewnętrznej na wilgotność względną (a) i naprężenia autogeniczne (b) zaczynów cementowych w temperaturze 20°C na podstawie [3.9].

Rys. 3.7. Wpływ pielęgnacji wewnętrznej na wilgotność względną (a) i naprężenia autogeniczne (b) zaczynów cementowych w temperaturze 20°C [3.9]

W raporcie RILEM TC 196- ICC omówiono pielęgnację wewnętrzną polegającą na stosowaniu materiałów zdolnych do pochłaniania wody, np. siłami kapilarnymi, tworząc w ten sposób „rezerwy” w betonie. Woda jest absorbowana (wchłaniana) przez materiał w mikropory, szczeliny porowate cząstki, np. ziarna kruszywa co przedstawia rysunek 3.8.

Rys.3.8. Sposób absorbowania wody na ziarnach kruszywa [3.10].

Celem jest uwolnienie wody wewnętrznej, gdy beton zaczyna twardnieć.

W okresie dojrzewania betonu zaabsorbowana woda powinna być stopniowo oddawana (uwalniania), aby zapewnić dalszą hydratację cementu (rys. 3.9).

Rys. 3.9. Postęp hydratacji w wyniku uwolnienia zaabsorbowanej wody [3.10]

Dostępność zaabsorbowanej wody jest kluczowa dla zapewnienia właściwej pielęgnacji wewnętrznej. Zaabsorbowana (wewnętrzna) woda jest to dodatkowa ilość wody wprowadzona do mieszanki, która nie zostanie odliczona od ilości założonej w recepturze betonu (potrzebnej dla zapewniania urabialności i przebiegu hydratacji).

Teoretyczna ilość wody koniecznej dla zapewnienia warunków pielęgnacji wewnętrznej, w przypadku betonu z wysoką zawartością cementu (betonu wysokowartościowego), obliczona na podstawie modelu Powers’a, zakładającego zrównoważenie samoistnego osuszania wynosi blisko 40kg/m³ [3.9]. Najszersze zastosowanie metody pielęgnacji wewnętrznej znajduje się właśnie w produkcji betonów wysokowartościowych i betonów wysokich wytrzymałości. Wynika to głównie

z ukształtowania struktury betonu (betony wysokowartościowe charakteryzują się zwartą i szczelną strukturą), a tym samym ograniczonej możliwości migracji wody z powierzchni.

W betonie „rezerwy wody” mogą być formowane przed lub po rozpoczęciu mieszania [3.15]. Tworzenie bufora wodnego oparte jest na zasadach fizycznych, tj.:

- fizycznie zaabsorbowana woda, np. woda w superabsorbujących polimerach, - woda fizycznie utrzymywana, np. woda kapilarna w drobnych porach kruszywa, - woda niezwiązana, np. kapsułkowana woda w cząstkach polimeru / parafiny.

Środki do pielęgnacji wewnętrznej można dodawać do zwykłej mieszanki betonowej w stanie suchym lub nasyconym (zależnie od rodzaju materiału i szybkości pochłaniania wody), co przedstawia rys.3.10.

Rys.3.10. Skład betonu poddanego pielęgnacji wewnętrznej [3.10].

Wprowadzenie tych środków do składu betonu w procesie produkcji (mieszania) zapewnia ich równomierne rozmieszczenie w pobliżu hydratyzujących ziaren cementu.

Jest to szczególnie istotne ze względu na to, że kształtująca się w procesie hydratacji struktura matrycy cementowej ulega zagęszczeniu, przez co zdolność do migracji wody jest ograniczona w czasie. W początkowym okresie hydratacji szacowany zasięg migracji wody wynosi 20 mm, w okresie końcowym zaledwie 1 mm.

Możliwe są dwa główne sposoby wprowadzenia do betonu „dodatkowej” wody.

Pierwszy, stosowany od lat, to wprowadzenie do składu mieszanki betonowej w pełni nasyconego wodą, mocno porowatego kruszywa lekkiego. Drugi, bardziej zaawansowany technologicznie, polega na zastosowaniu superabsorbentów polimerowych (SAP), jako domieszki do betonu.

Kruszywo lekkie stosowane jako nośnik wody dla zapewnienia warunków pielęgnacji wewnętrznej, musi być odpowiednio dobrane pod względem jakościowym, tak aby nie pogarszać specyfikowanych właściwości betonu. Kruszywa lekkie są bardzo porowate i mogą absorbować znaczne ilości wody. Neville podaje, że piaskowiec (żwir) i wapień może mieć 25% porowatości [3.2]. Wymienione składniki mieszanki betonowej stanowią 75% co oznacza, że gdyby te pory napełnić wodą to daje około 188 litrów wody na m³. Stanowi to więcej niż potrzebna ilość wody do produkcji 1 m³ betonu. Na podstawie badań doświadczalnych Ya Wei stwierdza, że za pomocą nawilżonego kruszywa można obniżyć skurcz autogeniczny nawet do 40% [3.16], [3.17].

Beton

Cement Woda Kruszywo

Dodatki Domieszki

Składnik absorbujący wodę do pielęgnacji

wewnętrznej

Zanim kruszywo lekkie zostanie wprowadzone do mieszanki betonowej, musi być zanurzone w wodzie. Całkowite nasycenie może potrwać wiele godzin lub dni, ponieważ powietrze obecne w cząsteczkach opóźnia wnikanie wody. Jeśli natomiast kruszywo lekkie w stanie suchym zostanie dodane do mieszalnika, osiągnięte zostanie tylko częściowe nasycenie. Ponadto ziarna cementu mogą częściowo wnikać w strukturę porów kruszywa razem z wodą, co poprawi właściwości strefy kontaktowej, ale w pewnym stopniu organiczny efekt pielęgnacji wewnętrznej. Wstępnie nasączone kruszywo lekkie w twardniejącym betonie uwalnia wodę z drobnych porów do otaczającego zaczynu cementowego (rys. 3.11).

Rys. 3.11. Kształtowanie strefy przejściowej na styku kruszywo – zaczyn cementowy w warunkach pielęgnacji wewnętrznej [3.10].

Z uwagi na zwiększoną dostępność wody dla przebiegu hydratacji i aktywność pucolanową na powierzchni ziaren kruszywa lekkiego strefa przejściowa między

ziarnami kruszywa a zaczynem cementowym ma lepszą przyczepność niż w przypadku betonu zwykłego.

Podstawowym mechanizmem odpowiedzialnym za utrzymywanie wody w porach ziaren kruszywa lekkiego są siły kapilarne. Tylko pory o rozmiarze powyżej 100 nm są przydatne do przechowywania wewnętrznej wody. W mniejszych porach woda jest trzymana tak mocno, że nie jest dostępna dla reakcji hydratacji. Celem zapewnienia dużego rozproszenia, ale jednocześnie równomiernego rozmieszczenia ziaren kruszywa pielęgnującego w strukturze betonu, należy odpowiednio dobrać uziarnienie kruszywa – powinny to być frakcje drobne (maksymalna wielkość ziaren 10 mm), najlepiej piaskowe, stosowane jako częściowy zamiennik zasadniczego kruszywa (piasku) w ilości 10÷25%. Wprowadzenie grubszych frakcji kruszywa lekkiego, jako źródła wody do pielęgnacji wewnętrznej prowadzi raczej do znacznego zmniejszenia wytrzymałości na ściskanie betonu.

Jako kruszywa lekkie, zapewniające bufor wodny do pielęgnacji wewnętrznej, mogą być stosowane zarówno naturalne kruszywa lekkie (pumeks, perlit, ziemia okrzemkowa), jak i lekkie kruszywa sztuczne, np. ziarna spiekane z popiołów lotnych, czy glin pęczniejących. Warunkiem koniecznym jest, aby wykazywały duże możliwości absorpcji (magazynowania) wody [3.10].

Domieszki/dodatki stosowane do pielęgnacji wewnętrznej nazywane są ogólnie superabsorbentami polimerowymi. Superchłonny polimer (SAP) jest materiałem polimerowym, który jest zdolny do pochłaniania znacznej ilości cieczy z otoczenia i zatrzymywania jej w strukturze, bez rozpuszczania. Teoretycznie SAP mogą przyjąć maksymalnie ilość wody, która jest ok. 500 razy większa niż masa własna (rys. 3.12).

Jeden kilogram nowej generacji SAP jest w stanie wchłonąć 125 litrów wody.

Rys. 3.12. Rysunek przedstawiający jak kilka gramów SAP zamienia wodę w żel [3.18].

Superabsorbenty polimerowe są kowalencyjnie usieciowanymi kopolimerami akryloamid/kwas akrylowy, które występują w dwóch rożnych stanach: napęczniałe i zwinięte (rys. 3.13).

Rys. 3.13. Schematycznie przedstawiona cząstka SAP [3.10].

SAP znalazły szerokie zastosowanie jako materiał high-tech, np. do soczewek kontaktowych, pieluszek dla niemowląt, gaszenia pożarów i pielęgnacji gleby.

Szybkość absorpcji produkowanych komercyjnie SAP wynosi około 50g/g w rozcieńczonych roztworach soli. W roztworach o wysokiej zawartości jonów, takich jak porowaty roztwór porowy zaczynu cementowego, chłonność może wynosić poniżej 20g/g. W zależności od rodzaju polimeru i oczekiwanego efektu w celu zapewnienia warunków pielęgnacji wewnętrznej SAP stosowane są na poziomie dozowania w ilości 0, 3÷0,6% masy cementu [3.9].

Zasadę działania superchłonnych polimerów w betonie przedstawiono na rys.

3.14. Wprowadzone do mieszanki betonowej SAP są nasycane wodą (rys. 3.14a), w trakcie hydratacji cementu, w fazie, w której względna wilgotność w układzie porów maleje, SAP uwalnia wodę do zaczynu, aby przedłużyć hydratację (rys. 3.14b). W trakcie dalszej hydratacji SAP wysycha i pozostawia pory w stwardniałym betonie (rys.

3.14c).

Rys. 3.14. Schemat zasady działania SAP w trakcie wiązania i twardnienia betonu [3.10].

Ze względu na zasadę działania w betonie stosowanie superchłonnych polimerów może przejawiać wielorakie efekty:

• umożliwienie wewnętrznej pielęgnacji poprzez wspomaganie i przedłużanie procesu hydratacji cementu,

• opóźnienie i ograniczenie autogenicznego skurczu,

• wprowadzenie porów w strukturę stwardniałego betonu (efekt analogiczny jak przy stosowaniu domieszki napowietrzającej) – zapewnienie poprawy mrozoodporności,

• obniżenie wytrzymałości na ściskanie w wyniku zwiększonej porowatości matrycy cementowej.

Ze względu na ograniczenia zastosowania niektórych metod oddziaływań powierzchniowych (powierzchnie pionowe, konieczność oczekiwania na usunięcie deskowań, itp.), korzystniejsze są zastosowania technologii, które obniżają temperaturę mieszanki betonowej i zapewniają pielęgnację wewnętrzną betonu, umożliwiając betonowanie w podwyższonej temperaturze przy ograniczeniu ingerencji z zewnątrz.

Obniżona temperatura mieszanki betonowej wywołuje zmniejszenie szybkości wydzielania ciepła przez cement, co ogranicza wzrost temperatury betonu wewnątrz konstrukcji. Obniżenie temperatury początkowej mieszanki można uzyskać przez:

I. Ochładzanie jej poszczególnych składników (kruszywa, cementu i wody), II. Zastępowanie części wody zarobowej lodem,

III. Ochładzanie mieszanki betonowej po jej wymieszaniu, np. ciekłym azotem [3.7].

Spośród innych metod mających na celu ograniczenie wrażliwości betonów na warunki dojrzewania w podwyższonej temperaturze należy wymienić także pielęgnację wewnętrzną [3.19][3.20]. Realizowana jest ona poprzez dodanie nasyconego wodą kruszywa lekkiego lub superchłonnego polimeru. Podczas hydratacji cementu, woda pochłaniana przez SAP jest uwalniana ze względu na spadek wilgotności wewnętrznej w betonie, co skutecznie redukuje kurczenie autogeniczne [3.21].

Na tym tle uzasadnione jest dalsze poszukiwanie metod, które umożliwiają betonowanie w podwyższonej temperaturze przy utrzymaniu odpowiednich cech zarówno mieszanki betonowej, jak i dojrzałego betonu. Chodzi nie tyle o zapobieganie

niepożądanym skutkom, wynikającym ze zbyt dużych gradientów termicznych, ale o to, aby różnica między rdzeniem a powierzchnią nie przekraczała 15÷20°C [3.22][3.2].

W związku z powyższym celowe byłoby opracowanie takiej metody, która dzięki odpowiedniej modyfikacji betonu ograniczyłaby ryzyko uszkodzeń w betonowanym elemencie, co zapewni wymaganą jakość betonu w całej konstrukcji i będzie przeciwdziałać powstawaniu spękań i rys. Należy podkreślić, że zapobieganie problemom jakościowym jest znacznie korzystniejsze od wykrywania błędów

i korygowania skutków (co w niektórych przypadkach może oznaczać konieczność wyburzenia i ponownego wykonania).

Zgodnie z tą sugestią zaproponowano w niniejszej pracy rozwiązanie, polegające na dozowaniu materiałów zmiennofazowych (PCM - Phase Change Materials) do mieszanki w celu pielęgnacji wewnętrznej mieszanki betonowej podczas jej dojrzewania.

Takie rozwiązanie ma na celu redukcję gradientów termicznych i, co za tym idzie, ograniczenie możliwości powstawania rys i spękań, zapewniając jednocześnie większą jednorodność cech elementu betonowanego w gorącym i suchym klimacie, co przedłuży jego trwałość.

Należy podkreślić, że w trakcie badań doświadczalnych zanotowano następujący fakt. Gdy dodano PCM-y do mieszanki betonowej, absorbowały one duże ilości wody zarobowej, powodując problemy z urabialnością. Po wnikliwej analizie ustalono przyczyny zaistniałego stanu, a mianowicie kapsułki, w których są przechowywane materiały zmiennofazowe, są wykonane z polimerów, które mają zdolność do absorpcji dużej ilości wody. W związku z tym kapsułkowane materiały zmiennofazowe są idealnym dodatkiem do pielęgnacji wewnętrznej betonu, gdyż odgrywają podwójną rolę. Po pierwsze, topniejąc (kiedy osiągają temperaturę przemiany fazowej), absorbują duże ilości ciepła, redukując pik termiczny w pierwszej fazie dojrzewania mieszanki betonowej. Po drugie ilość zaabsorbowanej wody przez polimery jest oddawana w mieszance, zwiększając wilgotność wewnętrzną dojrzewającego betonu, a tym samym redukując skurcze, czyli łagodząc zjawiska autogeniczne.

Pielęgnacja wewnętrzna jest doskonałym uzupełnieniem pielęgnacji zewnętrznej, jednak nie stanowi ona jej substytutu. Stosując pielęgnację wewnętrzną zapewnia się:

- redukcję skurczu autogenicznego, - pełniejszą hydratację cementu,

- redukcję zarysowań, - zwiększoną trwałość,

- utrzymywanie wysokiej wilgotności wewnątrz elementu [3.23].

Materiały zmiennofazowe umożliwią zredukowanie piku termicznego w początkowym okresie dojrzewania występującego na skutek reakcji egzotermicznej zdynamizowanej przez wysoką temperaturę otocznia oraz zapewniają bardziej równomierny rozkład temperatury w przekroju dojrzewającego elementu (redukcja gradientu termicznego). Możliwości wykorzystania materiałów zmiennofazowych w tym celu wskazali Bentz i Trupin [3.24]. Potwierdzeniem słuszności tych założeń są badania symulacyjne przeprowadzone przez A. Arora [3.25] oraz niniejsze badania laboratoryjne [3.26], które wykazały korzyści wynikające z zastosowania materiałów zmiennofazowych także podczas eksploatacji (niższe koszty utrzymania obiektów infrastruktury – np. mosty).

3.3. Zastosowanie materiałów zmiennofazowych i ich charakterystyka