Rola i znaczenie domieszek napowietrzających w betonie mrozoodpornym

Czym są domieszki napowietrzające?

Domieszki napowietrzające stanowią specjalną grupę środków chemicznych, których zadaniem jest wytwarzanie i stabilizacja dodatkowych pęcherzyków powietrza w mieszance betonowej. Pod względem chemicznym mogą to być m.in. związki sulfonianowe, żywice lub substancje powierzchniowo czynne tworzące w betonie układ niewielkich porów (najczęściej poniżej 300 µm). Tego rodzaju domieszki wprowadza się w niewielkich dawkach, uwzględniając zarówno właściwości cementu, kruszyw i wody, jak i kompatybilność z innymi stosowanymi dodatkami (np. domieszkami upłynniającymi) [1,2].

Charakterystyczne efekty stosowania domieszek napowietrzających obejmują:

• zwiększenie zawartości powietrza w mieszance,
• powstawanie drobnych, zamkniętych pęcherzyków,
• poprawę plastyczności (konsystencji) świeżej mieszanki,
• ograniczenie segregacji ziaren kruszywa,
• zmniejszenie nasiąkliwości betonu (dzięki bardziej korzystnemu rozkładowi porów).

Kiedy stosować domieszki napowietrzające?

Stosowanie domieszek napowietrzających okazuje się niezbędne wszędzie tam, gdzie beton jest narażony na silne oddziaływanie niskich temperatur i cykliczne procesy zamrażania – odmrażania. Dotyczy to w pierwszej kolejności nawierzchni drogowych, mostowych i lotniskowych, które w świetle klasyfikacji normowej zalicza się do grupy ekspozycji XF. Wysokie wymagania dotyczące mrozoodporności pojawiają się w sytuacjach, gdy konstrukcja regularnie styka się z wodą, a dodatkowym czynnikiem pogarszającym warunki pracy materiału są sole odladzające, stosowane w zimie na drogach czy pasach startowych. Domieszki napowietrzające przynoszą również wymierne korzyści w przypadkach prowadzenia robót lub eksploatacji betonu przy niskich temperaturach otoczenia, gdzie ryzyko destrukcji na skutek powtarzalnego zamarzania wody wewnątrz porów jest znacznie wyższe. W każdej z tych sytuacji drobne, równomiernie rozproszone pęcherzyki powietrza stanowią bufor chroniący strukturę betonu przed nadmiernymi naprężeniami, podnosząc tym samym jego trwałość i odporność na oddziaływanie ekstremalnych warunków pogodowych.

Normy i wytyczne techniczne (m.in. w Polsce, w krajach skandynawskich czy w Niemczech) wskazują, że do betonów narażonych na oddziaływanie cykli zamarzania i działania soli (XF3 i XF4) należy albo wykazać bezpośrednimi badaniami dostateczną mrozoodporność betonu (np. F150), albo zapewnić minimalną zawartość powietrza (np. co najmniej 4% dla kruszywa Dmax=16 mm) w wyniku użycia domieszki napowietrzającej [1,2,6].

Po co napowietrza się beton?

Najważniejszym celem napowietrzania mieszanki betonowej jest zwiększenie mrozoodporności betonu. Wraz z obniżeniem temperatury i zamarzaniem wilgoci, w porach kapilarnych rosną ciśnienia wywołane rozszerzaniem się lodu i migracją wody. W odpowiednio napowietrzonym betonie drobne, rozproszone pęcherzyki pełnią funkcję „buforów” – przejmują część cieczy i pozwalają na redukcję naprężeń wewnątrz zaczynu cementowego [1]. Dobrze zaprojektowane napowietrzenie przekłada się na wyraźną poprawę odporności betonu w trudnych warunkach atmosferycznych. Przede wszystkim ogranicza ryzyko występowania wewnętrznych spękań oraz łuszczenia się powierzchni, co zwykle ma miejsce pod wpływem zamarzającej wody i znacznych wahań temperatury. W konsekwencji, napowietrzony beton zyskuje wyższą trwałość, co jest szczególnie istotne przy ekspozycji na ujemne temperatury i cykle zamarzania – odmrażania, zwłaszcza jeśli w grę wchodzi kontakt z solami odladzającymi. Ponadto, dzięki rozproszonym i kontrolowanym pęcherzykom powietrza, zmniejsza się podatność betonu na przenikanie wody w głąb struktury. Warunkiem jest jednak właściwie dobrana ilość i jakość porów, tak aby tworzyły równomierny układ minimalizujący skutki naprężeń termicznych.

Z drugiej strony nadmierne lub niewłaściwe napowietrzenie może skutkować zbyt dużą zawartością powietrza i rozproszonych pustek o niewłaściwej wielkości. W efekcie beton traci wytrzymałość, a niekoniecznie zyskuje odporność na mróz. Najważniejsze zatem okazuje się utrzymanie balansu między ilością wprowadzanych pęcherzyków a ich jakością (wielkością i równomiernością rozmieszczenia) [1,4].

Co dodać do betonu na mróz?

Domieszki napowietrzające (zwane potocznie przeciwmrozowymi) obniżają temperaturę zamarzania wody i przyspieszają proces wiązania, ale nie zawsze stanowią kompleksową ochronę przed mrozem [2]. W celu poprawy właściwości betonu w warunkach zimowych, wprowadza się jeszcze inne rozwiązania takie jak dodatki mineralne (np. popioły lotne, krzemionkowe dodatki mineralne), które mogą poprawiać szczelność betonu i redukować przenikanie wody. Często też stosuje się cement o wyższej klasie wytrzymałości, co przyspiesza wiązanie betonu, a także w pewnych sytuacjach zwiększa się zawartość cementu celem obniżenia wskaźnika w/c, co dodatkowo polepsza szczelność i wytrzymałość [6].

Wymienione wyżej środki są stosowane równolegle z nadzorem nad temperaturą dojrzewania betonu, odpowiednią pielęgnacją oraz ochroną przed nadmiernym wychłodzeniem. Bardzo ważna jest kompatybilność domieszek napowietrzających z innymi dodatkami, zwłaszcza z superplastyfikatorami – niewłaściwy dobór lub sekwencja dozowania mogą prowadzić do utraty części pęcherzyków lub do uzyskania niekorzystnej struktury porów [2,4].

W jakim celu stosuje się domieszki przeciwmrozowe do mieszanek betonowych?

Wiele osób mówiąc „domieszki przeciwmrozowe”, ma na myśli takie substancje, które pozwolą na układanie betonu w minusowych temperaturach bez uszczerbku na trwałości struktury betonu. Koniecznym jest zatem podkreślenie, że takie domieszki nie istnieją na rynku. Przyjęło się używać nazwy „domieszki przeciwmrozowe” zamiennie do domieszek przyspieszających, a tych główną zasadą działania jest:

• przyspieszenie wstępnej fazy wiązania i twardnienia w trakcie wiązania,
• ograniczenie zamarzania wody w betonie w trakcie wiązania (co mogłoby przerwać hydratację cementu),
• ułatwienie prowadzenia robót w warunkach niskich temperatur otoczenia.

Należy przy tym wyraźnie podkreślić, że tzw. domieszki przeciwmrozowe nie zastępują domieszek napowietrzających. Ich zadaniem nie jest zapewnienie drobnej struktury porów powietrznych, lecz umożliwienie reakcji wiązania w chłodnych warunkach. W konsekwencji jeżeli beton w środowisku użytkowania gdzie będzie narażony na cykliczne działanie mrozu, wody i soli, powinna również zostać wprowadzona domieszka napowietrzająca poprawiająca trwałość w dłuższej perspektywie [2].

Literatura

[1] Jawański W.: „Struktura napowietrzenia mieszanki betonowej i betonu stwardniałego a jego rzeczywista mrozoodporność”, referat konferencyjny Dni Betonu 2014. Dostępny w Internecie: https://www.dnibetonu.com/wp-content/pdfs/2014/Jawanski.pdf (dostęp 06 marca 2025 r.).
[2] Gruszczyński M., Sokołowski K., Wrona J., Wrzecion K.: „Wpływ domieszki przedłużającej urabialność na strukturę napowietrzenia i mrozoodporność betonu”, referat konferencyjny Dni Betonu 2016. Dostępny w Internecie: https://www.dnibetonu.com/wp-content/pdfs/2016/gruszczynski_sokolowski_wrona_wrzecion.pdf (dostęp 06 marca 2025 r.).
[3] Siekierski M., Górak P., Ślęczka P., Chmura P.: „Wpływ procesu pompowania na cechy reologiczne mieszanki i właściwości betonu stwardniałego w aspekcie napowietrzenia”, referat konferencyjny Dni Betonu 2021. Dostępny w Internecie: https://www.dnibetonu.com/wp-content/pdfs/2021/Siekierski_Gorak_Sleczka_Chmura.pdf (dostęp 06 marca 2025 r.).
[4] Latawiec R., Molenda P.: „Badania struktury napowietrzenia betonu mostowego z zastosowaniem nowatorskiej metody SAM”, referat konferencyjny Dni Betonu 2018. Dostępny w Internecie: https://www.dnibetonu.com/wp-content/pdfs/2018/latawiec_molenda.pdf (dostęp 06 marca 2025 r.).
[5] Jóźwiak-Niedźwiedzka D., Kowalska D.: „Ocena parametrów struktury napowietrzenia betonów w nawierzchniach lotniskowych”, referat konferencyjny Dni Betonu 2008. Dostępny w Internecie: https://www.dnibetonu.com/wp-content/pdfs/2008/jozwiak-niedzwiedzka_kowalska.pdf (dostęp 06 marca 2025 r.).
[6] Kaprzyk P.: „Podejście normowe dotyczące napowietrzenia mieszanki betonowej na podstawie wymagań różnych krajów”, „Materiały Budowlane”, nr 10/2021.