Care este mecanismul de acțiune al agentului de expansiune în beton?

În ingineria construcțiilor, apariția fisurilor din beton și a infiltrațiilor de apă este frecventă, iar fisurile structurale pot afecta estetica sau, în cazuri severe, siguranța clădirii. Datorită unor factori precum utilizarea crescută a cimentului, cerințele de rezistență mai ridicate, condițiile de construcție și întărirea inadecvată, formarea de fisuri în structurile din beton este inevitabilă. În prezent, singura abordare fezabilă în inginerie este controlul fisurilor în limite inofensive.

Cauzele fisurii betonului

Există diverse motive pentru fisurarea betonului în proiectele de construcții, inclusiv proiectarea structurală, întărirea construcției și materii prime. Cauza principală a fisurilor este tensiunea de întindere generată atunci când betonul suferă sarcină, deformare și amestecare în timpul procesului de întărire. Fisurile apar atunci când tensiunea internă de tracțiune depășește rezistența maximă la tracțiune a betonului. Dintre acestea, fisurile nestructurale cauzate de deformare reprezintă 80%, iar majoritatea acestor fisuri nestructurale sunt datorate contracției betonului (cum ar fi contracția autogenă, contracția plastică, contracția prin uscare, contracția termică etc.).

Nu există specificații tehnice detaliate pentru controlul fisurilor nestructurale, iar metodele obișnuite utilizate în inginerie includ proiectarea rosturilor de dilatare sau utilizarea „metodei depozitului de sărituri” în timpul construcției. Cu toate acestea, această abordare prelungește perioada de construcție și crește costurile de curățare. Aplicațiile de inginerie extinse au demonstrat că cea mai eficientă metodă este utilizarea betonului cu compensare a contracției pentru controlul fisurilor.

Mecanismul și aplicarea agenților expansivi

Agenții de expansiune pentru beton sunt aditivi care, atunci când sunt adăugați în beton, îl fac să se extindă în volum, compensând contracția betonului. Agenții expansivi sunt clasificați pe baza componentelor lor expansive, cum ar fi tipurile de sulfoaluminat de calciu, pe bază de CaO, pe bază de MgO, sulfoaluminat de calciu-oxid de calciu și tipuri de compozite calciu-magneziu. Datorită diferitelor componente expansive, performanța lor de expansiune variază, de asemenea. Cele mai acceptate mecanisme ale agenților expansivi includ teoria creșterii cristaline, teoria umflării absorbției de apă și teoria expansiunii volumetrice în fază solidă.

2.1 Agenți expansivi pe bază de sulfoaluminat de calciu

Efectul de expansiune al agenților expansivi pe bază de sulfoaluminat de calciu este realizat în primul rând prin formarea etringitului de calciu (C3A-3CaSO4-32H2O) în timpul hidratării. Studiile existente sugerează că efectul combinat al presiunii de creștere cristaline și al forței de umflare a absorbției de apă a etringitului este cauza fundamentală a expansiunii, umflarea absorbției de apă fiind factorul dominant. Pe baza acestei teorii, reacția de hidratare a etringitului necesită o cantitate semnificativă de apă, limitând aplicarea acesteia în betonul de înaltă rezistență cu raporturi apă-ciment scăzute. În plus, betonul care conține agenți expansivi pe bază de sulfoaluminat de calciu necesită un control strict de întărire. Întărirea necorespunzătoare nu numai că nu compensează contracția, dar crește și riscul de fisurare. Mai mult, etringitul de calciu se poate descompune în medii umede și fierbinți, afectând rezistența și durabilitatea. Prin urmare, trebuie acordată o atenție deosebită temperaturii mediului atunci când se utilizează agenți expansivi pe bază de sulfoaluminat de calciu în inginerie.

2.2 Agenți expansivi pe bază de oxid de calciu

Mecanismul de expansiune al agenților expansivi pe bază de oxid de calciu implică hidratarea oxidului de calciu (CaO) pentru a forma hidroxid de calciu (Ca(OH)2). Acest proces crește volumul în fază solidă, iar acumularea locală de produse de hidratare mărește volumul porilor, ducând la extinderea volumului pastei. În comparație cu agenții expansivi pe bază de sulfoaluminat de calciu, agenții expansivi pe bază de oxid de calciu necesită mai puțină apă, au o eficiență de expansiune mai mare și sunt mai rentabili, făcându-i folosiți pe scară largă. Cu toate acestea, CaO reacționează exotermic cu apa, ceea ce este dăunător pentru controlul fisurilor de temperatură în beton. În plus, rata rapidă de hidratare a CaO duce la consumarea unei expansiuni semnificative în stadiul plastic al betonului, făcându-l ineficient pentru compensarea contracției din etapa ulterioară. CaO este, de asemenea, sensibil la umiditatea mediului, necesitând ambalare atentă pentru a preveni absorbția umidității, ceea ce poate reduce eficacitatea expansiunii sale. În plus, Ca(OH)2 este solubil la anumite presiuni ale apei, deci este necesară prudență atunci când se utilizează agenți expansivi pe bază de oxid de calciu în proiecte de construcții subacvatice.

2.3 Agenți expansivi pe bază de oxid de magneziu

Efectul de expansiune al agenților expansivi pe bază de oxid de magneziu are loc prin hidratarea oxidului de magneziu (MgO) pentru a forma hidroxid de magneziu (Mg(OH)2), cu modificarea volumului determinată de forța de umflare a absorbției de apă a Mg(OH)2 în stadiile incipiente ale hidratării și presiunea de creștere cristalină a Mg(OH)2 în etapele ulterioare. Studii extinse și aplicații de inginerie au arătat că agenții expansivi pe bază de oxid de magneziu prezintă o expansiune întârziată și un ciclu lung de expansiune, ceea ce poate compensa eficient contracția temperaturii în timpul contracției la răcire și uscare. Proprietățile lor mecanice sunt stabile și necesită mai puțină apă pentru hidratare. Agenții expansivi pe bază de oxid de magneziu au, de asemenea, avantajele produselor de hidratare stabile și proprietăți de expansiune reglabile, făcându-i aplicabili pe scară largă în proiecte de beton la scară largă, cum ar fi barajele. În practică, factori precum gradul de rezistență a betonului, dimensiunile structurale și mediul de construcție ar trebui să fie luați în considerare atunci când se selectează agenți de înaltă performanță rezistenti la fisuri de beton sau agenți expansivi de oxid de magneziu cu reactivitate diferită (tip R, tip M, tip S) până la compensează contracția betonului, realizând astfel controlul fisurilor pe ciclu complet și simplificând măsurile de control al temperaturii. Cu toate acestea, trebuie acordată atenție dozării agenților expansivi pe bază de oxid de magneziu, deoarece cantitățile excesive pot provoca o expansiune excesivă, ceea ce duce la o stabilitate slabă a volumului.

2.4 Sursă de expansiune duală Agenți expansivi

Agenții expansivi cu sursă dublă de expansiune obișnuiți de pe piață includ agenți expansivi pe bază de sulfoaluminat de calciu-oxid de calciu (cum ar fi HCSA, CSA, FQY etc.) și agenți expansivi compoziți calciu-magneziu.

Agenți expansivi pe bază de sulfoaluminat de calciu-oxid de calciu: Sursele de expansiune ale acestor agenți sunt etringitul și Ca(OH)2. Când acești agenți sunt utilizați în beton, Ca(OH)2 compensează contracția timpurie, în timp ce etringitul compensează contracția în etapele ulterioare. Expansiunea din aceste surse are loc în diferite etape, realizându-se un efect eficient de compensare a contracției. În comparație cu agenții sursă cu o singură expansiune, agenții expansivi pe bază de sulfoaluminat de calciu-oxid de calciu au avantajele unei expansiuni mai mari, a unei cereri mai mici de apă și a unei perioade de expansiune stabilă mai devreme. Ele sunt utilizate pe scară largă în proiecte precum structurile din beton autoizolatoare și construcția fără sudură a structurilor super-lungi.

Agenți expansivi compoziți calciu-magneziu: Acești agenți sunt obținuți prin combinarea oxidului de magneziu ușor ars cu oxidul de calciu, cu surse de expansiune din Ca(OH)2 și Mg(OH)2. Viteza de expansiune a acestor agenți compoziți este ajustată de rata de hidratare mai rapidă a oxidului de calciu și de rata de hidratare mai lentă a oxidului de magneziu. Această ajustare permite compensarea în etape, pe ciclu complet, a contracției betonului. Mai mult, agenții expansivi compoziți calciu-magneziu depășesc sensibilitatea la temperatură a agenților expansivi pe bază de oxid de calciu, făcându-i potriviți pentru proiecte cu cerințe mai puțin stricte de control al temperaturii.