Који је механизам деловања експанзионог средства у бетону?

У грађевинарству је честа појава бетонских пукотина и цурења воде, а структуралне пукотине могу утицати на естетику или, у тежим случајевима, на безбедност зграде. Због фактора као што су повећана употреба цемента, већи захтеви за чврстоћом, услови изградње и неадекватно очвршћавање, стварање пукотина у бетонским конструкцијама је неизбежно. Тренутно, једини изводљиви приступ у инжењерингу је контрола пукотина у безопасним границама.

Узроци пуцања бетона

Постоје различити разлози за пуцање бетона у грађевинским пројектима, укључујући пројектовање конструкција, грађевинско очвршћавање и сировине. Примарни узрок пукотина је затезни напон који настаје када бетон доживи оптерећење, деформацију и мешање током процеса очвршћавања. Пукотине настају када унутрашњи затезни напон премашује крајњу затезну чврстоћу бетона. Међу њима, неструктурне пукотине узроковане деформацијом чине 80%, а већина ових неструктурних пукотина настаје због скупљања бетона (као што је аутогено скупљање, пластично скупљање, скупљање при сушењу, термичко скупљање итд.).

Не постоје детаљне техничке спецификације за контролу неструктурних пукотина, а уобичајене методе које се користе у инжењерингу укључују пројектовање дилатационих спојева или коришћење „метода скакаћег складишта“ током изградње. Међутим, овај приступ продужава период изградње и повећава трошкове чишћења. Обимне инжењерске примене су показале да је најефикаснији метод коришћење бетона који компензује скупљање за контролу пукотина.

Механизам и примена експанзивних агенаса

Експанзивна средства за бетон су адитиви који, када се додају бетону, изазивају његово ширење у запремини, надокнађујући скупљање бетона. Експанзивни агенси се класификују на основу њихових експанзивних компоненти, као што су калцијум сулфоалуминат, на бази ЦаО, на бази МгО, калцијум сулфоалуминат-калцијум оксид и типови композита калцијум-магнезијум. Због различитих експанзивних компоненти, њихов учинак проширења такође варира. Најшире прихваћени механизми експанзивних агенаса укључују теорију кристалног раста, теорију бубрења упијања воде и теорију експанзије запремине чврсте фазе.

2.1 Експанзивна средства на бази калцијум сулфоалумината

Ефекат експанзије експанзивних средстава на бази калцијум сулфоалумината првенствено се постиже формирањем калцијум етрингита (Ц3А-3ЦаСО4-32Х2О) током хидратације. Постојеће студије сугеришу да је комбиновани ефекат притиска кристалног раста и силе бубрења упијања воде код етрингита основни узрок експанзије, при чему је бубрење упијања воде доминантан фактор. На основу ове теорије, реакција хидратације етрингита захтева значајну количину воде, што ограничава његову примену у бетонима високе чврстоће са ниским водоцементним односом. Поред тога, бетон који садржи експанзивне агенсе на бази калцијум сулфоалумината захтева строгу контролу очвршћавања. Неправилно очвршћавање не само да не компензује скупљање, већ и повећава ризик од пуцања. Штавише, калцијум етрингит се може разградити у влажним и врућим срединама, утичући на снагу и издржљивост. Стога, посебну пажњу треба обратити на температуру околине када се у инжењерству користе експанзивна средства на бази калцијум сулфоалумината.

2.2 Експанзивни агенси на бази калцијум оксида

Механизам експанзије експанзивних агенаса на бази калцијум оксида укључује хидратацију калцијум оксида (ЦаО) да би се формирао калцијум хидроксид (Ца(ОХ)2). Овај процес повећава запремину чврсте фазе, а локално накупљање продуката хидратације повећава запремину пора, што доводи до проширења запремине пасте. У поређењу са експанзивним агенсима на бази калцијум сулфоалумината, експанзивни агенси на бази калцијум оксида захтевају мање воде, имају већу ефикасност експанзије и исплативији су, што их чини широм употребом. Међутим, ЦаО реагује егзотермно са водом, што је штетно за контролу температурних пукотина у бетону. Поред тога, брза стопа хидратације ЦаО доводи до значајног ширења које се троши у пластичној фази бетона, што га чини неефикасним за компензацију скупљања у каснијој фази. ЦаО је такође осетљив на влагу у околини, што захтева пажљиво паковање како би се спречила апсорпција влаге, што може смањити његову ефикасност ширења. Штавише, Ца(ОХ)2 је растворљив под одређеним притисцима воде, тако да је потребан опрез када се користе експанзивна средства на бази калцијум оксида у пројектима подводне изградње.

2.3 Експанзивна средства на бази магнезијум оксида

Ефекат експанзије експанзивних агенаса на бази магнезијум оксида јавља се кроз хидратацију магнезијум оксида (МгО) да би се формирао магнезијум хидроксид (Мг(ОХ)2), са променом запремине коју покреће сила бубрења упијања воде Мг(ОХ)2 у ране фазе хидратације и притисак кристалног раста Мг(ОХ)2 у каснијим фазама. Опсежне студије и инжењерске примене су показале да експанзивни агенси на бази магнезијум оксида показују одложено ширење и дуг циклус експанзије, што може ефикасно да компензује скупљање температуре током хлађења и сушења. Њихова механичка својства су стабилна и захтевају мање воде за хидратацију. Експанзивни агенси на бази магнезијум оксида такође имају предности стабилних производа за хидратацију и подесивих својстава експанзије, што их чини широко применљивим у великим бетонским пројектима као што су бране. У пракси, факторе као што су степен чврстоће бетона, структурне димензије и грађевинско окружење треба узети у обзир при избору агенаса за бетон високих перформанси отпорних на пукотине или експанзивних агенаса од магнезијум оксида са различитом реактивношћу (Р-тип, М-тип, С-тип) за компензују скупљање бетона, чиме се постиже контрола пукотина у пуном циклусу и поједностављују мере контроле температуре. Међутим, мора се обратити пажња на дозу експанзивних агенаса на бази магнезијум оксида, јер превелике количине могу изазвати прекомерно ширење, што доводи до слабе стабилности запремине.

2.4 Експанзивни агенти са двоструким извором експанзије

Уобичајени експанзивни агенси са двоструким извором експанзије на тржишту укључују експанзивне агенсе на бази калцијум сулфоалумината и калцијум оксида (као што су ХЦСА, ЦСА, ФКИ, итд.) и композитне експанзивне агенсе калцијум-магнезијума.

Експанзивни агенси на бази калцијум сулфоалумината-калцијум оксида: Извори експанзије ових агенаса су етрингит и Ца(ОХ)2. Када се ова средства користе у бетону, Ца(ОХ)2 компензује рано скупљање, док етрингит компензује скупљање у каснијим фазама. Експанзија из ових извора се дешава у различитим фазама, чиме се постиже ефикасан ефекат компензације скупљања. У поређењу са изворним агенсима са једном експанзијом, експанзивни агенси на бази калцијум сулфоалумината и калцијум оксида имају предности веће експанзије, мање потражње за водом и ранијег стабилног периода експанзије. Они се широко користе у пројектима као што су само-хидроизолационе бетонске конструкције и бешавна конструкција супер-дугачких конструкција.

Калцијум-магнезијум композитни експанзивни агенси: Ови агенси су направљени комбиновањем благо спаљеног магнезијум оксида са калцијум оксидом, са експанзијским изворима из Ца(ОХ)2 и Мг(ОХ)2. Брзина експанзије ових композитних средстава је подешена бржом брзином хидратације калцијум оксида и споријом брзином хидратације магнезијум оксида. Ово подешавање омогућава постепено компензацију скупљања бетона у пуном циклусу. Штавише, калцијум-магнезијум композитни експанзивни агенси превазилазе температурну осетљивост појединачних експанзивних агенаса на бази калцијум оксида, што их чини погодним за пројекте са мање строгим захтевима за контролу температуре.