Jaký je mechanismus působení expanzního činidla v betonu?

Ve stavebním inženýrství je výskyt trhlin v betonu a prosakování vody běžný a strukturální trhliny mohou ovlivnit estetiku nebo v závažných případech i bezpečnost budovy. Kvůli faktorům, jako je zvýšená spotřeba cementu, vyšší požadavky na pevnost, stavební podmínky a nedostatečné vytvrzování, je tvorba trhlin v betonových konstrukcích nevyhnutelná. V současné době je jediným možným přístupem ve strojírenství kontrola trhlin v neškodných mezích.

Příčiny praskání betonu

Existují různé důvody pro praskání betonu ve stavebních projektech, včetně konstrukčního návrhu, ošetřování konstrukce a surovin. Primární příčinou trhlin je tahové napětí vznikající při zatížení, deformaci a míchání betonu během procesu tuhnutí. Trhliny vznikají, když vnitřní tahové napětí překročí mezní pevnost betonu v tahu. Mezi nimi tvoří nestrukturální trhliny způsobené deformací 80 % a většina těchto nestrukturálních trhlin je způsobena smršťováním betonu (jako je autogenní smršťování, plastické smršťování, smršťování vysycháním, tepelné smršťování atd.).

Neexistují žádné podrobné technické specifikace pro kontrolu nestrukturálních trhlin a běžné metody používané ve strojírenství zahrnují navrhování dilatačních spár nebo použití "metody skákacího skladu" během výstavby. Tento přístup však prodlužuje dobu výstavby a zvyšuje náklady na čištění. Rozsáhlé inženýrské aplikace ukázaly, že nejúčinnější metodou je použití betonu s kompenzací smršťování pro kontrolu trhlin.

Mechanismus a aplikace expanzních činidel

Expanzní přísady do betonu jsou přísady, které po přidání do betonu způsobují jeho objemovou expanzi, čímž kompenzují smršťování betonu. Expanzní činidla jsou klasifikována na základě jejich expanzních složek, jako je sulfoaluminát vápenatý, na bázi CaO, na bázi MgO, sulfoaluminát vápenatý-oxid vápenatý a kompozity na bázi vápníku a hořčíku. Vzhledem k různým expanzním komponentům se jejich expanzní výkon také liší. Mezi nejrozšířenější mechanismy expanzních činidel patří teorie růstu krystalů, teorie bobtnání absorpce vody a teorie objemové expanze pevné fáze.

2.1 Expanzní činidla na bázi síranu vápenatého

Expanzního účinku expanzních činidel na bázi sulfoaluminátu vápenatého je dosaženo především tvorbou ettringitu vápenatého (C3A-3CaSO4-32H2O) během hydratace. Stávající studie naznačují, že základní příčinou expanze je kombinovaný účinek růstového tlaku krystalů a bobtnací síly absorpce vody u ettringitu, přičemž dominantním faktorem je bobtnání při absorpci vody. Na základě této teorie vyžaduje hydratační reakce ettringitu značné množství vody, což omezuje jeho použití ve vysokopevnostních betonech s nízkými poměry voda-cement. Navíc beton obsahující expanzní činidla na bázi sulfoaluminátu vápenatého vyžaduje přísnou kontrolu vytvrzování. Nesprávné vytvrzení nejenže nedokáže kompenzovat smrštění, ale také zvyšuje riziko praskání. Kromě toho se vápenatý ettringit může rozkládat ve vlhkém a horkém prostředí, což ovlivňuje pevnost a trvanlivost. Při použití expanzních činidel na bázi sulfoaluminátu vápenatého ve strojírenství by proto měla být věnována zvláštní pozornost teplotě prostředí.

2.2 Expanzní činidla na bázi oxidu vápenatého

Expanzní mechanismus expanzních činidel na bázi oxidu vápenatého zahrnuje hydrataci oxidu vápenatého (CaO) za vzniku hydroxidu vápenatého (Ca(OH)2). Tento proces zvyšuje objem pevné fáze a lokální akumulace hydratačních produktů zvětšuje objem pórů, což má za následek objemovou expanzi pasty. Ve srovnání s expanzními činidly na bázi sulfoaluminátu vápenatého vyžadují expanzní činidla na bázi oxidu vápenatého méně vody, mají vyšší expanzní účinnost a jsou nákladově efektivnější, díky čemuž se více používají. CaO však reaguje exotermicky s vodou, což je škodlivé pro kontrolu teplotních trhlin v betonu. Kromě toho vede rychlá rychlost hydratace CaO k významné expanzi spotřebované v plastické fázi betonu, což jej činí neúčinným pro kompenzaci smršťování v pozdější fázi. CaO je také citlivý na vlhkost prostředí a vyžaduje pečlivé balení, aby se zabránilo absorpci vlhkosti, což může snížit jeho expanzní účinnost. Kromě toho je Ca(OH)2 rozpustný za určitých tlaků vody, takže při použití expanzních činidel na bázi oxidu vápenatého v projektech podvodních staveb je nutná opatrnost.

2.3 Expanzní činidla na bázi oxidu hořečnatého

Expanzní účinek expanzních činidel na bázi oxidu hořečnatého nastává prostřednictvím hydratace oxidu hořečnatého (MgO) za vzniku hydroxidu hořečnatého (Mg(OH)2), přičemž objemová změna je řízena bobtnací silou Mg(OH)2 při absorpci vody. raná stádia hydratace a krystalický růstový tlak Mg(OH)2 v pozdějších stádiích. Rozsáhlé studie a technické aplikace ukázaly, že expanzní činidla na bázi oxidu hořečnatého vykazují zpožděnou expanzi a dlouhý expanzní cyklus, což může účinně kompenzovat smrštění teploty během smršťování při chlazení a sušení. Jejich mechanické vlastnosti jsou stabilní a vyžadují méně vody pro hydrataci. Expanzní činidla na bázi oxidu hořečnatého mají také výhody stabilních hydratačních produktů a nastavitelných expanzních vlastností, což je činí široce použitelnými ve velkých betonových projektech, jako jsou přehrady. V praxi by se při výběru vysoce výkonných činidel odolných vůči prasklinám nebo expanzních činidel na bázi oxidu hořečnatého s různou reaktivitou (typ R, typ M, typ S) měly vzít v úvahu faktory jako pevnost betonu, konstrukční rozměry a konstrukční prostředí. kompenzovat smršťování betonu, čímž se dosáhne kontroly trhlin v celém cyklu a zjednoduší se opatření pro kontrolu teploty. Je však třeba věnovat pozornost dávkování expanzních činidel na bázi oxidu hořečnatého, protože nadměrné množství může způsobit nadměrnou expanzi, což vede ke špatné objemové stabilitě.

2.4 Expanzivní agenti duálního zdroje expanze

Běžná expanzní činidla se dvěma zdroji expanze na trhu zahrnují expanzní činidla na bázi sulfoaluminátu vápenatého a oxidu vápenatého (jako HCSA, CSA, FQY atd.) a kompozitní expanzní činidla vápník-hořčík.

Expanzní látky na bázi síranu vápenatého a oxidu vápenatého: Zdroje expanze těchto látek jsou ettringit a Ca(OH)2. Když jsou tato činidla použita v betonu, Ca(OH)2 kompenzuje časné smrštění, zatímco ettringit kompenzuje smrštění v pozdějších fázích. Expanze z těchto zdrojů nastává v různých fázích, čímž se dosáhne účinného kompenzačního účinku smrštění. Ve srovnání s jednoexpanzními zdrojovými činidly mají expanzní činidla na bázi sulfoaluminátu vápenatého a oxidu vápenatého výhodu větší expanze, nižší potřeby vody a dřívější stabilní expanzní periody. Jsou široce používány v projektech, jako jsou samoizolační betonové konstrukce a bezproblémová výstavba superdlouhých konstrukcí.

Vápno-hořčíkové kompozitní expanzní činidla: Tyto prostředky se vyrábějí kombinací lehce spáleného oxidu hořečnatého s oxidem vápenatým, s expanzními zdroji z Ca(OH)2 a Mg(OH)2. Rychlost expanze těchto kompozitních činidel je upravena vyšší rychlostí hydratace oxidu vápenatého a nižší rychlostí hydratace oxidu hořečnatého. Toto nastavení umožňuje stupňovitou kompenzaci smršťování betonu v celém cyklu. Kromě toho kompozitní expanzní činidla na bázi vápníku a hořčíku překonávají teplotní citlivost jednotlivých expanzních činidel na bázi oxidu vápenatého, což je činí vhodnými pro projekty s méně přísnými požadavky na kontrolu teploty.