Pôsobenie prísad na konzistenciu betónu v čase

Tento článok sa venuje potrebe stavebnej (betonárskej) praxe poznať, resp. odhadnúť, očakávanú spracovateľnosť čerstvého betónu pri jeho dodaní v určitom čase. Už je to 192 rokov od patentovania portlandského cementu. Betón je približne rovnako starý. V tom období bol definovaný ako kompozitný materiál pozostávajúci z troch zložiek – cement, voda a kamenivo. V súčasnosti je betón päťzložkovým materiálom. Pribudli prímesi a prísady. Pre dosiahnutie čoraz špecifickejších požiadaviek na betón a súčasnú optimalizáciu nákladov na cement sa využívajú rôzne prísady. Prakticky neodmysliteľnou súčasťou betónu sú prísady plastifikačné. Umožňujú znížiť dávku zámesovej vody a tým zlepšiť mechanické charakteristiky alebo zlepšiť spracovateľnosť betónu pri nezmenenej dávke vody.

Plastifikačné prísady sa rozdeľujú podľa materiálovej bázy a princípu pôsobenia, ale rovnako aj podľa účinnosti. Menšia pozornosť (ak vôbec) sa v stavebnej praxi venuje ich pôsobeniu v čase. Nie je preto jasné, ako klesá ich pôsobenie v čase a aký je kritický čas, dokedy musí byť betón s tou-to prísadou zabudovaný, resp. aká je maximálna dopravná vzdialenosť betónu s touto prísadou.

Tento článok podáva prehľad vývoja pôsobenia plastifikačných prísad v čase pri bežných klimatických podmienkach a pri obvyklom dávkovaní (t.j. dolná a horná výrobcom odporúčaná dávka prísady v pomere k množstvu cementu).

Pre pochopenie princípu pôsobenia plastifikátorov je dôležité uvedomiť si, čo sa deje pri zamiešaní cementu s vodou. Častice cementu sú jemné zrná nepravidelného tvaru, ktorých povrch má kladný a záporný náboj. Pri zamiešaní s vodou dochádza k zhlukovaniu (flokulácii) čiastočiek cementu v dôsledku elektrostatického priťahovania kladne a záporne nabitých povrchov zŕn cementu. V priestoroch medzi zrnami cementu je pritom zadržiavaná časť zámesovej vody. Účinnými zložkami plastifikačných prísad sú povrchovo aktívne látky. Tieto látky sú pri zamiešaní do cementových kompozitov adsorbované na povrchu cementových zŕn a dávajú im záporný elektrický náboj. To vedie k vzájomnému odpudzovaniu zŕn cementu, k ich dispergácii, deflokulácii a k stabilizácii cementovej disperzie. To spolu vytvára lepšie podmienky pre hydratáciu a pre zvýšenie pevnosti cementových kompozitov [3].

Konzistencia čerstvého betónu je výrazne ovplyvňovaná dávkou plastifikačnej prísady. Pri veľmi malých dávkach je tento vplyv málo výrazný. S narastaním dávky sa konzistencia postupne zlepšuje – až do určitej dávky. Superplastifikátory sa bežne dávkujú v množstve 0,6 až 1 % prísady z hmotnosti cementu. Dávka prísady potrebná na dosiahnutie vyžadovanej konzistencie závisí aj od začiatočnej konzistencie čerstvého betónu, t.j. konzistencie betónu bez prísady.

Čas pridania prísady taktiež ovplyvňuje účinnosť prísady a teda aj konzistenciu čerstvého betónu. Vyššia účinnosť prísad sa dosiahne, ak sa pridávajú niekoľko minút po zamiešaní betónu.

Konzistencia čerstvého betónu sa mení s časom odležania. Táto vlastnosť sa označuje ako strata spracovateľnosti. Počítať s ňou treba hlavne pri transportbetóne, kde môže doprava trvať aj relatívne dlhý čas. Vo všeobecnosti možno povedať, že pri aplikácii plastifikačných prísad je strata spracovateľnosti rýchlejšia, hlavne v prípade superplastifikátorov. Väčšina plastifikačných prísad na báze lignosulfonanov sa vyznačuje aj spomaľovacím účinkom. Tieto prísady podstatnejšie neovplyvňujú stratu spracovateľnosti.

Rýchlejšia strata spracovateľnosti betónov s plastifikátormi je daná mechanizmom pôsobenia týchto látok. Plastifikačný účinok trvá tak dlho, kým je v roztoku dostatok molekúl prísady na obalenie jednotlivých zŕn cementu a produktov hydratácie. S pokračujúcou hydratáciou však narastá množstvo produktov hydratácie a postupne sa spotrebováva aj plastifikačná prísada, jej zásoba sa stáva nedostatočná a rapídne sa stráca spracovateľnosť čerstvého betónu. Je pravdepodobné, že pri dlhšom miešaní (napr. pri doprave betónu v autodomiešavačoch) dochádza k oddeľovaniu čiastočiek hydratačných produktov od povrchu cementových zŕn a hydratácia môže pokračovať intenzívnejšie do hĺbky. Tým sa strata spracovateľnosti ešte zvýrazňuje.

Hlavné faktory, ktoré ovplyvňujú rýchlosť straty spracovateľnosti čerstvého betónu, sú začiatočná konzistencia, typ a množstvo plastifikačnej prísady, druh a množstvo cementu, čas pridania prísady, poveternostné podmienky (teplota, vlhkosť), spôsob miešania a prítomnosť iných prísad.

Technická prax teda pozná rámcové pôsobenie plastifikačných prísad podľa materiálovej bázy. Podľa nej (vychádzajúc z empirických poznatkov) dokonca aj vie predpokladať či betón s danou prísadou bude náchylný na stratu konzistencie/spracovateľnosti alebo nie. Pre zhotovovanie technicky menej náročných a menej významných konštrukcií je to postačujúce. Pre zhotovovanie technicky náročnejších konštrukcií – pohľadové betóny alebo konštrukcie napríklad s požiadavkou na kontinuálnu betonáž takáto úroveň poznania nepostačuje. Nielen pri návrhu zloženia betónu, ale aj pri plánovaní organizácie výstavby je potrebné vedieť predikovať stratu konzistencie a tomu prispôsobiť organizáciu dopravy betónu alebo dodatočné pridávanie prísady pred ukladaním betónu.

Z hľadiska bežnej betonárskej praxe je pre sekundárnu dopravu, ukladanie a spracovanie čerstvého betónu kľúčovým parametrom jeho konzistencia. Pre konštrukčné betóny zákazníci často požadujú konzistenciu S3 alebo ešte lepšie S4. V prípade ak sa betonárskej čate zdá betón málo tekutý, prilejú na stavbe vodu. Takýto zásah významne mení kvalitatívne parametre betónu a musí sa zapísať do dodacieho listu. Ak ale chýba priamy kontakt výrobcu betónu so zhotoviteľom a využívajú sa služby dopravcov, zvyšuje sa riziko, že pridanie vody do betónu sa nezaznamená. Je preto kľúčové navrhnúť receptúru betónu tak, aby mala požadovanú konzistenciu bez pridávania vody a zároveň, aby si ju zachovala počas dostatočne dlhej doby. Používajú sa plastifikačné prísady na rôznych materiálových bázach. Je však vždy žiaduce, aby plastifikátor pôsobil konštantne počas celej doby deklarovanej spracovateľnosti. Ďalšou kľúčovou požiadavkou je, aby plastifikátor nestratil účinnosť veľmi rýchlo, čo by viedlo k technologickým problémom v systéme sekundárnej dopravy. Tu je dôležité poznamenať, že prísady (pôsobia chemickým procesom) sú citlivé na teplotu. Niektoré viac, niektoré menej. Preto sa očakáva iný priebeh zmeny spracovateľnosti pre betón s teplotou napr. 15 °C a iný pre betón s teplotou napr. 25 °C. Pre betonársku prax je preto potrebné kvantifikovať pôsobenie plastifikátorov v čase a aspoň rámcovo demonštrovať aj vplyv teploty.

Experiment
Kvôli jedinečnosti plastifikačných prísad a ich modifikácii na konkrétne požiadavky významných stavieb s predpokladom vysokého odberu prísad je potrebné pristúpiť k zjednodušeniam. Je ním napríklad hodnotenie prísad podľa materiálovej bázy.

Plastifikačné prísady sa použili od dvoch dodávateľov a reprezentujú tri základné materiálové bázy – lignosulfonany, naftalény a polykarboxyláty. Receptúra sa použila prakticky len jedna a je bližšie popísaná a vysvetlená v metodike skúšky, pretože je s chronológiou dávkovania, a teda procesom úzko spätá.

Na skúšky sa použili dva druhy cementu CEM II/A-S 42,5 N a CEM II/A-LL 42,5 R. Ako plnivo sa použil normový piesok. Voda sa použila pitná. Všetky zložky zmesí sa pred použitím kondiciovali podľa výpočtu kalorimetrickej rovnice na požadovanú teplotu tak, aby sme dosiahli požadovanú teplotu čerstvého betónu, a to minimálnu (15 ±2) °C a maximálnu (25 ±2) °C.

Overilo sa pôsobenie prísad na rôznych materiálových bázach, avšak použitím overeného postupu spoločnosti Holcim (v súčasnosti CRH). V ďalšom postupe experimentálnej časti sa pristúpilo k adaptácii daného postupu na podmienky počas transportu betónu. Pokles konzistencie sa kompenzoval doplnením vody potrebnej na obnovenie konzistencie, t.j. odporu proti miešaniu. Zvážili sa dve pravdepodobne limitné teploty čerstvého betónu (tabuľka 1).

Tabuľka 1

CEMENT	BÁZA PRÍSADY	OZNAČENIE	DÁVKA
CEM II/A-S 42,5 N	–	0	0,0 %
	Lignosulfonan	L1	0,6 %
		L2	0,6 %
	Naftalén	N1	0,6 %
		N2	0,6 %
	Polykarboxylát	PC1.1	0,6 %
		PC1.2	0,6 %
		PC2	0,6 %
CEM II/A-LL 42,5 R	–	0	0,0 %
	Lignosulfonan	L1	0,6 %
		L2	0,6 %
	Naftalén	N1	0,6 %
		N2	0,6 %
	Polykarboxylát	PC1.1	0,6 %
		PC1.2	0,6 %
		PC2	0,6 %

Použitá skúšobná metóda je súčasťou celej metodiky komerčného porovnávania cementov, kamenív, prímesí a prísad. Použila sa najmä tá časť, ktorá sa venuje vlastnostiam malty v čerstvom stave. S ohľadom na zameranie úlohy sa meral odpor proti ustálenému miešaniu malty, ktorý je nepriamo-úmerný jej konzistencii.

Meralo pôsobenie prísad pri bežných laboratórnych podmienkach, pričom teplota malty na počiatku miešania bola vždy v intervale (23–25) °C. V tejto časti sa vytvorili aj vzorky/trámčeky (4x4x16) cm na stanovenie 2- a 28dňovej pevnosti v tlaku, ako kontrolného parametra účinnosti jednotlivých materiálových báz prísad.

V druhej časti skúšok sa matica meraní doplnila o merania pri rôznych počiatočných teplotách malty. Skúšobná metodika sa modifikovala tak, že sa zvýšila frekvencia meraní odporu proti miešaniu na 4/h počas prvých 60 minút, a následne 5/h až do 120. minúty.

Referenčná vzorka s CEM II/A-S 42,5 N vykazuje vyššiu potrebu vody na dosiahnutie požadovanej konzistencie (v počiatočnej fáze i v konečnej). S týmto je potrebná rátať pri návrhu receptúry čerstvého betónu s použitím daného cementu. Zvýšenú potrebu vody možno kvantifikovať na cca 5 %. Zámesi s prísadami na báze lignosulfonanov pri dávke 0,6 % vykazujú obdobný trend straty konzistencie ako referenčné vzorky. Porovnaním L1 a L2 v oboch grafoch je možné pozorovať prakticky rovnaké absolútne konzistencie, no v relatívnom vyjadrení to môže zvádzať k interpretácii ich lepšieho pôsobenia s A–S cementmi. Takáto interpretácia je zavádzajúca a v technickej praxi je potrebné sa jej vyhnúť. Obdobne sa správajú aj obe naftalénové prísady N1 a N2. Významnejší rozdiel sa spozoroval v prípade polykarboxylátovej prísady PC1.1. Táto prísada je pomerne silná (na začiatku vyžaduje nízku dávku doplnkovej vody) a relatívne dobre udržiava konzistenciu v čase, obzvlášť v kombinácii s cementom A-S. Polykarboxylátová prísada PC2 sa naopak lepšie javí v kombinácii s cementom A-LL, ale čo je dôležité, bezpečne udržiava konzistenciu bez zmien minimálne 90 minút.

Predchádzajúce výsledky potvrdzujú aj obr. 6 a 7. Je z nich zrejmá celková spotreba vody na udržanie konštantnej konzistencie vyjadrená ako celkový vodný súčiniteľ a 28dňová pevnosť v tlaku.

Sledovanie účinku plastifikačných prísad v čase a ich správanie sa pri rôznych teplotách (min. = 15 °C a max. = 25 °C) je zobrazené na obr. 8 a 9.

V súlade s očakávaniami, referenčné vzorky u oboch cementov pri teplote 25 °C rýchlejšie strácali konzistenciu (spracovateľnosť)  ako vzorky s teplotou 15 °C. Pre porovnanie referenčné vzorky s maximálnou teplotou dosiahli hodnotu odporu proti miešaniu (hodnota 3,5) zhruba po 1 hodine od zamiešania, pričom referenčné vzorky s minimálnou teplotou dosiahli túto hodnotu až po 1,5 hodine od zamiešania.

Strata plastifikačného účinku sa najvýraznejšie prejavila na vzorkách s naftalénovou prísadou (N), a to už v počiatočnej fáze zhruba do 15 minút od zamiešania u oboch cementov.

V prípade prísady na báze lignosulfonanov (L) s CEM II/A-LL 42,5 R pri teplote 25 °C mala vzorka v počiatočnej fáze (do 30 minút) rýchlejšiu stratu konzistencie v porovnaní s teplotou 15 °C. V kombinácií prísady s  CEM II/A-S 42,5 N  pri teplote 15 °C došlo v počiatočnej fáze do (30 minút) dokonca k stekuteniu zmesi.

Výrazný vplyv teploty na plastifikačný účinok sa zaznamenal pri polykarboxylátovej prísade (PC). Pri tejto prísade došlo k výraznému stekuteniu zmesi pri teplote 15 °C v oboch druhov cementov. Tento jav sa však už nepreukázal na vzorkách s teplotou 25 °C. Všeobecne PC prísada lepšie reagovala pri oboch teplotách s A–S cementom. Potrebné je však zohľadniť aj fakt, že pri A-S cemente si vyžiadala táto prísada o 4,5 % viac vody ako pri A–LL cemente. 

V prípade všetkých použitých prísad sa potvrdilo, že s nárastom teploty dochádza k rýchlejšej strate konzistencie (spracovateľnosti) okrem prísady N, kde bol účinok teploty opačný aj keď rozdiel v konzistencii bol veľmi malý. Všeobecne treba tiež zohľadniť to, že na dosiahnutie rovnakej počiatočnej konzistencie potreboval CEM II/ A-LL 42,5 R menej vody CEM II/A-S 42,5 N, čo je znázornené v tab. 2 aj s percentuálnym rozdielom.

Tabuľka 2: Porovnanie vodného súčiniteľa [–] na dosiahnutie počiatočnej konzistencie s odporom 3,0 N

Druh cementu	Označenie vzorky
	0 min.	0 max.	PC min.	PC max.	L min.	L max.	N min.	N max.
CEM II/A-S 42,5 N	0,5121	0,511	0,4591	0,4729	0,4866	0,4993	0,4803	0,4689
CEM II/ A-LL 42,5 R	0,4988	0,5041	0,4555	0,4633	0,4760	0,4087	0,4582	0,4476
Percentuálne vyjadrený rozdiel v dávke vody [%]	2,6	1,3	0,8	1,4	2,2	3,7	4,6	4,5

Záver

Z výsledkov analýzy vyplýva, že podľa materiálovej bázy plastifikačnej prísady (prípade podľa pomeru dávkovania jej zložiek) je možné očakávať stratu jej účinnosti. Prezentované grafy (obr. 8 a 9) zachytávajú reológiu malty s konštantnou dávkou rôznych prísad pri rôznych teplotách a rôznych cementoch. Všeobecný princíp výberu prísady k danému cementu sa potvrdil aj z hľadiska časového pôsobenia pri jednotlivých typoch variáciách cementu. Druhým kritickým ukazovateľom je teplota čerstvého betónu. V závislosti od bežne dosahovaných teplôt je možné očakávať rôznu stratu spracovateľnosti, a to až s časovým rozdielom od cca 5 minút pri N prísadách cez cca 30 min. pri L prísadách až po cca 60–70 minút pri PC prísadách. 

PETER BRIATKA, PETER MAKÝŠ, ROMAN BRIATKA

Poďakovanie
Tento článok vznikol riešením úlohy „Pôsobenie prísad na konzistenciu betónu v čase“, ktorej riešenie podporila STU v rámci Programu na podporu mladých výskumníkov. Technickú podporu pre riešenie úlohy poskytlo Technicko-kompetenčné centrum Holcim (v súčasnosti CRH), v ktorého laboratóriach sa skúšky vykonali.

Literatúra a súvisiace odkazy:
1) STN EN 206-1+NA – Betón. Časť 1: Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda.
2) STN EN 13670-1 – Zhotovovanie betónových konštrukcií.
3) STN EN 934-2 – Prísady do betónu.
4) RAMACHANDRAN, V. S. Concrete Admixtures Handbook. Properties, Science and Technology. New Jersey: Noyes Publications, 1984.
5) SEBÖK, T. Přísady a přídavky do malt a betonů. Praha: SNTL, 1985.
6) BAJZA, A.a I. Rouseková. Technológia betónu. Bratislava: Jaga group, 2006, s. 190.
7) UNČÍK, S. Ovplyvňovanie vlastností betónu prísadami. Bratislava: Nakladateľstvo STU, 2013.
8) UNČÍK, S., a kol. Príručka pre výrobcov betónu. Trnava: Edícia BetónRacio, 2005.
9) MAROLIYA, M. Influence of chemical admixtures on density and slump loss of concrete. International Journal of Modern Engineering Research (IJMER), Vol. 2, Issue.6, Nov–Dec. 2012, s. 4077–4079.

Ing. Peter Briatka, PhD., (*1982)
je absolventem Stavební fakulty STU. V současnosti působí ve společnosti COLAS SK. Specializuje se na technologii betonu, objemové změny betonu, jeho trvanlivost a nedestruktivní zkušební metody. Je členem technické komise TK 5.

Doc. Ing. Peter Makýš, PhD., (*1965)
působí na katedře technologie staveb na Stavební fakultě STU v Bratislavě. Věnuje se stavebnětechnologické přípravě, zařízením staveniště, technologii hrubé stavby se zaměřením na betonářské a zdicí procesy a manažerské systémy podle norem ISO.

Ing. Roman Briatka (*1988)
absolvoval Strojníckou fakultu STU. Působí v oblasti přípravy a řízení pozemného stavitelství.