Dnes už nezbytnou součástí technologie výroby betonu je efektivní využívání rozličných druhů přísad a příměsí, jež výrazně ovlivňují vlastnosti čerstvého i ztuhlého betonu. Umožňují výrobu betonu s takovými parametry, jichž by se bez jejich použití nedalo dosáhnout. Přísady představují takové složky betonových směsí, které se sice používají v malých množstvích (do 5 % hmotnosti cementu), ale výrazně cíleně ovlivňují vlastnosti čerstvé betonové směsi i ztuhlého betonu v široké škále podle potřeby a účelu použití betonu (umožňují například výrobu vysokopevnostních, samozhutnitelných a stříkaných betonů apod.). Krom toho umožňují betonování v nepříznivých povětrnostních podmínkách.
Přísady do betonu - chemické látky, které upravují některou z vlastností čerstvého nebo ztvrdlého betonu - prošly za posledních třicet let neuvěřitelným vývojem a tento vývoj stále pokračuje. V článku je stručně zmíněna historie jejich použití, avšak hlavní pozornost je věnována tomu, jak jsou přísady v dnešní době schopny ovlivnit a přizpůsobit požadavkům projektantů, stavbařů a investorů některé základní vlastnosti betonu jako např. konzistenci, rychlost hydratace či trvanlivost.
Historie a vývoj chemických přísad do betonu
Obecně se ví, že staří stavitelé používali různé materiály pro modifikaci vlastností betonu. Buď pro zjednodušení jeho zpracování, nebo pro prodloužení trvanlivosti konstrukce. Avšak počátky použití přísad do betonu vyráběných průmyslově byly zaznamenány až na počátku 20. století, a to jen ojediněle. Tehdy se zjistilo, že provzdušňovací přísady zlepšují vodonepropustnost a odolnosti proti mrazu a tání.
Po druhé světové válce se ve světě začala chemie do betonu zavádět masivněji, protože s pomocí lignosulfonátů a později výrazněji i melaminsulfonátů a naftalensulfonátů bylo možné zlepšit zpracovatelnost betonu při snížení vodního součinitele. Mezi první plastifikační přísady patřily lignosulfonáty, připravené ze sulfitových výluhů po chemickém zpracování dřeva. U nás se používaly už v 50. letech minulého století (plastifikátor S). Jejich nedostatkem byl zbytkový obsah sacharidů. Brzy však přišly na trh další syntetické makromolekulární sloučeniny, a to produkty kondenzace sulfonovaného naftalenu nebo melaminu s formaldehydem.
V ČR a v ostatních východoevropských zemích nastal zlom v 90. letech, kdy přísady etablovaných firem ze západní Evropy postupně nahradily těch několik lokálních produktů na trhu. Na konci tisíciletí už ale výrobce betonu v ČR nepoužívající přísady byl jen výjimkou.
Čtěte také: Aplikace chemických kotev Fischer
Typy a mechanismy působení chemických přísad
Z různých druhů přísad do betonu se nejčastěji používají plastifikační přísady, které při nezměněné dávce vody zlepšují konzistenci (tekutost) čerstvého betonu nebo umožňují snížit dávku směsové vody a tím i vodní součinitel, přičemž snížení dávky vody neovlivní konzistenci.
Plastifikátory a Superplastifikátory
Plastifikátor betonů umožňuje vyrábět betony při relativně nízké spotřebě cementu. Pro snížení spotřeby vody dodává plasticitu, zlepšuje zpracovatelnost, urychluje tuhnutí a vytvrzení betonů a hmot pojených cementem. Plastifikátor je chemická látka, díky které snadno připravíte vysokopevnostní beton tekuté konzistence při nízké spotřebě cementu. Plastifikační příměsi neutralizují povrchové napětí. Ve výsledku tak způsobují elektrostatické odpuzení zrn cementu, díky kterému je proces hydratace pomalejší. Po určitou dobu si tak beton s přidaným plastifikátorem zachová svou plasticitu.
Většinou se vyrábějí ve formě vodních roztoků s hustotou 1,1 až 1,15, koncentrace účinné složky je 35 až 40 %. Jde hlavně o sodné, méně často vápenaté soli, pH vodních roztoků je okolo 7. Dodávají se ve formě prášku nebo hnědé kapaliny.
Mezi superplastifikátory nové generace polykarboxylátového typu patří:
- Naftalenové plastifikátory: Dodávají se ve formě nažloutlé nebo čiré kapaliny. Mohou mít i podobu bílého prášku. Ve srovnání s běžně používanými naftalenovými plastifikátory nezpožďují tuhnutí.
- Lignosulfonáty: Dodávají se ve formě hnědého prášku či kapaliny. Protože se vyrábí z odpadu, který vzniká při výrobě papíru, jsou dostupné. Nevýhodou je však jejich náročnější dávkování - aby byl plastifikátor efektivní, měl by se do směsi po přidání záměsové vody doplnit se zpožděním.
- Polykarboxylátové přísady (PCE): V současnosti se mezi celosvětově nejpoužívanější přísady řadí skupina superplastifikačních přísad na bázi polykarboxylát éterů (PCE), jejichž výhodou je, že molekuly PCE působí nejen elektrostatickým odpuzováním, jako tomu bylo u předchozích superplastifikačních přísad, ale i sterickým odpuzováním molekul vody a cementu. Obvykle jsou vyrobené na bázi modifikovaných polykarboxylátů. Vyznačují se opravdu vysokým plastifikačním účinkem, kterým překonávají běžné plastifikátory. Superplastifikátor také výrazně snižuje množství potřebné záměsové vody, a to o 15 až 40 %.
Mechanismus působení plastifikačních přísad:
Čtěte také: Chemické kotvy do betonu: Kompletní průvodce
Mletím cementového slinku získávají jednotlivá zrna cementu nové povrchové plochy, na nichž se vyskytují elektrostatické náboje, a to kladné i záporné. Plastifikační přísady, např. na bázi sulfonátů, mají řetězec molekul s negativním nábojem. Části tohoto řetězce se vážou na cementová zrna s pozitivním nábojem. Zbývající náboj, orientovaný směrem od zrn cementu, způsobuje elektrostatické odpuzování jednotlivých zrn cementu.
Mechanismus působení super(hyper)plastifikátorů:
Super(hyper)plastifikátory, např. na bázi polykarboxylátů, jejichž hlavní řetězec nese záporný náboj, vázaný na zrna cementu, a postranní elektricky záporný řetězec, orientovaný do prostoru. Postranní řetězce jsou pohyblivé a rotují, takže vyplňují určitý prostor, a zrna cementu se nemohou k sobě přiblížit.
Přesné určení struktury makromolekuly polymeru není jednoduché. Čistotu (homogenitu) produktu včetně obsahu nečistot je možno ověřit například infračervenou spektrofotometrií nebo chromatograficky. Průměrná molekulová hmotnost se pohybuje řádově v tisících až desítkách tisíců g/mol. S ohledem na jistou polydisperznost není neobvyklé, když dvě komerčně vyráběné přísady na stejné bázi mají různé složení a tím i odlišný efekt. U některých produktů bylo potřebné odstranit minoritní příměsi způsobující nežádoucí pěnění nebo tvorbu příčných vazeb.
Většina přísad blokuje povrch zrn pojiva tak, že mají výrazný retardační (zpomalující) efekt, což umožňuje prodloužit míchání. Když se začátek tuhnutí už příliš oddálí, přidávají se k některým přísadám urychlovače tuhnutí.
Čtěte také: Hilti chemické kotvy: přehled
Funkce superplastifikátorů se poměrně často nesprávně interpretuje, což může zapříčinit nesprávné dávkování s následným neurčitým posunutím začátku tuhnutí. Toto riziko je mnohem nižší při aplikaci univerzálněji použitelných SP polykarboxylátového typu, např. polyakrylátů.
Přísadu superplastifikátorů je možné aplikovat i u plastbetonů, kde mohou modifikovat efekt příslušného polymeru.
Urychlovače tuhnutí
V posledním období jsou stále významnější přísady urychlující tuhnutí, hlavně ty, které způsobují extrémně rychlé tuhnutí a tvrdnutí; používají se především při výrobě stříkaných betonů. Urychlovače tuhnutí jsou materiály, které se přidávají do betonu, aby se zkrátilo tuhnutí a urychlilo zvyšování počáteční pevnosti. Používají se hlavně při betonování pod studenou vodou, za chladného počasí a při betonování stříkaným betonem. Urychluje tvrdnutí a umožňuje zpracovatelnost betonů a cementem pojených hmot při teplotách až do -10°C. Díky svému složení nepůsobí korozivně na ocelovou výztuž.
Při betonování pod studenou vodou je možné namísto urychlovačů použít větší dávku portlandského cementu nebo předehřáté suroviny. Jako urychlovače se používají například rozpustné anorganické soli (chlorid vápenatý, fluoridy, uhličitany, tiokyanidy, dusitany a dusičnany), rozpustné organické látky (trietanolamin TEA, mravenčan vápenatý, octan vápenatý).
Zpomalovače tuhnutí
Zpomalovače tuhnutí se naproti tomu používají při betonování v teplém podnebí nebo v případě, kdy by příliš rychlý vývin tepla mohl zhoršit mechanické vlastnosti struktury. Většinou jsou to vodorozpustné organické látky typu lignosulfonátů, hydroxykarboxylových kyselin, sacharidů atd. Vlastností většiny zpomalovačů je i snížení spotřeby směsové vody při stejné míře zpracovatelnosti, čili typické vlastnosti tzv. plastifikátorů, resp. superplastifikátorů.
Provzdušňovací přísady
Cyklické zmrazování a rozmrazování má na trvanlivost betonu negativní vliv. K potlačení tohoto vlivu se používají provzdušňovací přísady. Požadované optimální parametry obsahu, tvaru a vzájemného rozmístění vzduchových dutin v betonu ovlivňuje vícero faktorů: proměnlivé složení vstupních surovin, míchání, technologie betonování a teplota. Nové komerčně dodávané provzdušňovací přísady mají zabezpečit ochranu betonu před působením cyklického zmrazování a rozmrazování vytvořením velmi stabilních bublinek vzduchu, které jsou malé a umístěné blízko sebe. U těchto přísad jde v podstatě o vícesložkovou směs mastných kyselin, solí sulfonových kyselin a stabilizátorů.
Výše zmíněné provzdušňovací přísady, které stály na počátku rozvoje přísad, jsou stále běžně používané pro zajištění odolnosti proti mrazu a tání (zvláště v kontaktu s posypovými solemi). Jejich účinnost však závisí na velikosti pórů, které vzniknou po zamíchání (pro odolnost betonu proti cyklování mrazem jsou vhodné jen mikropóry do velikosti 0,3 mm). Většina pórů vzniklá přidáním provzdušňovací přísady je však větší než 0,3 mm a ty bohužel zapříčiňují pokles pevnosti betonu. Velikost pórů je ovlivněna množstvím okolností, které není jednoduché vždy uhlídat, takže se může stát, že změnou podmínek či míchání dojde k nežádoucí změně celkového obsahu vzduchu i snížení obsahu tolik potřebných mikropórů. Novinkou pro dosažení odolnosti proti mrazu a tání se solemi je použití tzv. mikrokuliček a příp. superabsorbérů. Ty mají definovanou velikost a po zamíchání do směsi vytvoří mikropóry pouze potřebné velikosti, a to i v případě změny složek betonu nebo změny míchání. Tím odpadá potřeba zkoušek obsahu vzduchu čerstvého betonu a současně je garantována odolnost betonu, i když se změní podmínky míchání či ukládání.
Krystalizační přísady
Krystalizační práškové přísady jsou používány desetiletí a v případě nedostatečného ošetření betonu vyplní vzniklé mikrotrhliny pomocí krystalů. Oříškem bylo vyvinout tekutou krystalizační přísadu tak, aby nezačala krystalizovat již před zamícháním do betonu.
| Typ přísady | Hlavní funkce | Příklady použití | Základní složení |
|---|---|---|---|
| Plastifikátory | Zlepšení zpracovatelnosti, snížení spotřeby vody | Vysokopevnostní betony, hustě armované konstrukce | Sulfonáty (naftalenové, melaminové), lignosulfonáty |
| Superplastifikátory | Radikální snížení vody, vysoká tekutost (SCC) | Samozhutnitelné betony, podlahové vytápění, vysokopevnostní betony | Polykarboxylátové étery (PCE) |
| Urychlovače tuhnutí | Zkrácení doby tuhnutí, rychlejší nárůst počátečních pevností | Betonování za chladného počasí, stříkaný beton, 3D tisk | Anorganické soli (chlorid vápenatý), organické látky (TEA), CSH krystaly |
| Zpomalovače tuhnutí | Prodloužení doby zpracovatelnosti | Betonování v teplém podnebí, masivní konstrukce | Lignosulfonáty, hydroxykarboxylové kyseliny, sacharidy |
| Provzdušňovací přísady | Zlepšení odolnosti proti mrazu a tání | Betony vystavené cyklickému zmrazování (silnice, mosty) | Směsi mastných kyselin, solí sulfonových kyselin, stabilizátory, mikrokuličky |
| Krystalizační přísady | Samoléčba mikrotrhlin, zlepšení vodotěsnosti | Vodohospodářské stavby, základové desky ve vlhkém terénu | Práškové nebo tekuté krystalizační látky |
Praktické využití a moderní technologie
Pomocí chemických přísad s minerálními příměsemi v cementech podle EN 197-1 je možné připravit kvalitní malty a betony s požadovanými vlastnostmi. Použití správné přísady dokáže vyřešit nejčastější problémy při betonování a zdění.
- Betonování v zimě: Plastifikátor a urychlovače tuhnutí umožňují zpracování cementových hmot i při teplotách hluboko pod bodem mrazu (až do -10 °C).
- Vodotěsný beton: Pro betonování jímek, bazénů nebo základů ve vlhkém terénu jsou klíčové přísady pro zvýšení vodotěsnosti.
- Podlahové vytápění a hustě armované konstrukce: Plastifikátor je nezbytností pro podlahové vytápění nebo hustě armované konstrukce, kde je potřeba vysoká tekutost a dobrá zpracovatelnost.
- Zkrácení doby výstavby: Urychlovače zkracují dobu, po které je beton pochozí nebo únosný.
Právě náhradou dřívějších surovin přísadami na bázi PCE bylo možné přejít od běžně používané plastické konzistence (sednutí 100 až 150 mm) na tekutou konzistenci (sednutí nad 200 mm nebo lépe rozlití od 550 do 850 mm). Tento přechod zlepšil homogenitu zhutnění čerstvého betonu, jeho čerpatelnost i rychlost zpracování. Bylo možné zlepšit také povrch betonu a trvanlivost.
Samozhutnitelné betony a stabilizační přísady
S vysokou konzistencí je spojeno riziko segregace čerstvého betonu v případě kolísání kvality vstupních materiálů. Zvláště pro samozhutnitelné betony byly vyvinuty nové typy stabilizačních přísad. Původně používané práškové přísady nebyly komfortní pro běžné používání vzhledem k tomu, že na betonárnách bývají jen dávkovače na tekuté přísady. Roku 2007 byla představena inovativní přísada zachycující přebytečnou vodu ve směsi do matrice polymeru, která byla následně patentována. Její použití v samozhutnitelném betonu umožnilo snížit množství cementu či příměsi na m3. Dalším krokem ve vývoji bylo představení nového typu stabilizační přísady v roce 2020, která umožňuje udržet pohyblivost čerstvého betonu v průběhu jeho ukládání, ale razantně zvyšuje třecí síly, jakmile je beton v klidu. To zamezuje nežádoucímu „krvácení“ čerstvého betonu po uložení.
Urychlení tvrdnutí a CSH krystaly
Běžným požadavkem investorů je zrychlení procesu výstavby. Z hlediska urychlení vývoje počátečních pevností betonu lze beton v prefě proteplit, což je ale spojeno s mikrotrhlinami zkracujícími jeho trvanlivost. Další možností je použití přísad urychlujících tvrdnutí betonu. Tradiční chemie umožňovala dosáhnout obvyklou počáteční pevnost cca 15 až 20 MPa potřebnou pro odbednění po 12 až 15 h dle druhu betonu, třídy cementu, hodnoty vodního součinitele, teploty prostředí atd. Avšak vývoj přísad dosáhl i v této oblasti značného posunu. V roce 2009 byla patentována přísada očkující beton CSH krystaly. Po přidání krystalů CSH fáze do směsi dochází ke zrychlení průběhu hydratace, takže pevnosti až 40 MPa potřebné pro řezání lan předpjatých nosníků je možné dosáhnout již po 8 h, a to bez proteplení. Pro výrobce to znamená dříve nedosažitelné možnosti urychlení výroby a také efektivnější využití nákladné formovací techniky. V důsledku toho lze např. betonovat na jedné dráze i třikrát denně (pokud je odbedňovací pevnost např. 20 MPa). Na stavbách výškových budov lze i v zimním období dosahovat taktu výstavby jedno podlaží za 6 dní.
Leštění průmyslových podlah se provádí s určitým odstupem od uložení betonu. Pokud se průmyslová podlaha nachází v obytné oblasti, může být leštění problém kvůli zákazu rušení nočního klidu. V takovém případě je možné použít přísadu na bázi CSH krystalů a přestávku před leštěním výrazně zkrátit. Anebo použít přísadu zpomalující tuhnutí a leštit druhý den. Samozřejmě je v takovém případě potřeba zajistit dostatečné ošetření betonu.
Stříkané betony
Ještě zajímavěji je možné si hrát s průběhem hydratace v případě stříkaných betonů. Požadovaná zpracovatelnost po dobu 4 h je běžně zaručena superplastifikační přísadou s polymerem pro udržení tekuté konzistence tak, aby bylo možné zpracovat stříkacím robotem celý autodomíchávač. Po přečerpání stříkacím robotem se na trysce přidá speciální přísada pro urychlení tuhnutí a tvrdnutí (urychlovač pro stříkané betony), takže se konzistence během několika sekund mění z tekuté na extrémně lepivou a během několika minut získává beton pevnosti umožňující spojení s ostěním tunelu a ztvrdnutí.
3D tisk betonu
Speciální kapitolou je vývoj přísad pro výstavbu domů technologií 3D tisku. Zde se jedná o celý komplex druhů chemie a vláken k zajištění udržení tvaru vrstvy, soudržnosti vrstev, sníženého smrštění, vyloučení trhlin, snadné čerpatelnosti a současně rychlého vývoje počátečních pevností, takže optimalizovat průběh hydratace je jedním z klíčových předpokladů. Jedním z prvních domů vytištěných robotem je tzv. Prvok, a to českou firmou Scoolpt, která se zvládla vypořádat s požadavky na konzistenci i na průběh hydratace. Vytištění Prvoka proběhlo v minulém roce v ČR po cca dvouletém vývoji.
Přísady redukující smrštění
Vývoj proběhl také v oblasti přísad redukujících smrštění - podařilo se zvýšit jejich efektivnost. V současné době je možné jejich pomocí v kombinaci s rozptýlenou výztuží polymerovými vlákny např. vytvářet tenkostěnné prvky s minimálním rizikem trhlin.
Ekologické a ekonomické aspekty
Dříve bylo hlavním důvodem pro použití chemie do betonu zajištění trvanlivosti betonu, příp. usnadnění jeho zpracování. Před cca 50 lety začalo být velkou motivací i snížení nákladů na m3 betonu. I v minulosti chemie do betonu přispívala také k ochraně prostředí, jen se to nekvantifikovalo. Bralo se to jako takový bonus. Přísady do betonu tím, že zvyšují trvanlivost betonu, prodlužují životnost staveb, což znamená i snížení potřeby rekonstruovat. Současně dochází redukcí množství vody do betonu při stejné zpracovatelnosti pomocí přísad ke značnému snížení čerpání spodních vod.
Při množství výroby 10 milionů m3 betonu v ČR (údaj za 2017) a odhadem průměrné spotřeby záměsové vody na m3 cca 180 l a dále průměrném faktoru redukce spotřeby vody přísadami cca 15 % (odhady autora) docházíme k úspoře spodní vody ve výši 270 milionů litrů za jediný rok (10 000 000 m3 × 180 l × 15 %). Za 60 let by tato voda naplnila např. brněnskou přehradu (v překladu Prýgl).
Dále tím, že se redukuje množství vody do betonu, klesá při stejném vodním součiniteli i hmotnost cementu v m3 betonu. Při předpokladu snížení spotřeby vody o 15 % je při stejném vodním součiniteli také spotřeba cementu nižší o 15 %. To jsou např. pozitiva přísad do betonu, která dostáváme jaksi mimoděk.
V současné době ovšem dochází k daleko větší snaze o ochranu životního prostředí, která cílí na další snižování výroby slínku (a tudíž používání nových náhradních pojiv), na náhradu tradičního kameniva za recyklované, na náhradu ocelové výztuže za polymerní rozptýlenou výztuž. To jsou výzvy, kterým budeme čelit v budoucnu stále více. S velkým potěšením jsem se v posledních dvou letech zúčastnil zavádění technologie betonu se 100% náhradou přírodního kameniva za recyklované kamenivo z demolice (předrcený beton, a dokonce předrcená cihelná suť). Vzhledem k neobvyklým vlastnostem recyklátu bylo v případě běžných přísad na bázi PCE hlavním problémem udržet požadovanou konzistenci po dobu 120 minut. Splnění požadavku umožnila až inovativní molekula pro superplastifikační přísadu.
Závěr
Je třeba zdůraznit, že výroba kvalitních betonů je hi-technologií, která vyžaduje kvalifikovaný personál a důkladnější informovanost projektantů a technologů o problematice předmětných betonů. Široký sortiment různých přísad na trhu dává možnost velkého výběru, ale nedostatek potřebných informací může být příčinou nesprávného použití a nežádoucího efektu. Údaje v literatuře o chemickém či fyzikálním efektu přísad jsou často neúplné, a dokonce protichůdné. Je to způsobeno rozmanitostí složení jak přísad, tak i složek použitých maltovin. Výzkum a vývoj nových přísad stále pokračuje.
Inovativní chemie do betonu umožnila zavedení náročných technologií jako samozhutnitelné betony, ultra vysoce odolné betony, výstavbu 3D tiskem, masivní využití recyklátů a náhrad cementu atd. a její vývoj bude pokračovat. Požadavky betonářského průmyslu jsou motivací k neustálému zlepšování se v technologii, ke spolupráci nejen ve stavebnictví, ale i napříč průmyslovými odvětvími, ke kontaktu s technology (i v ostatních zemích), s projektanty, s investory a ke sdílení poznatků. Znamená to, že je třeba neustále vyvíjet nové báze přísad tak, aby bylo možné udržet kvalitu betonu dle požadavků v nových podmínkách a čelit novým výzvám.
tags: #chemicke #prisady #do #betonu