Rolul componentelor si influenta lor asupra proprietatilor betonului

 

Rolul componentelor si influenta lor asupra proprietatilor betonului

In beton fiecare constituent indeplineste un rol bine determinat la formarea structurii sale si la obtinerea proprietatilor impuse de conditiile de exploatare.

Proprietatile betonului proaspat si intarit sunt determinate in primul rand de calitatea si dozajul constituentilor sai (ciment, agregate, apa si aditivi) ca factori intrinseci de influentare a lor. Structura si prin aceasta, proprietatile betonului, sunt influentate si de factorii extrinseci, cum sunt conditiile de preparare, de punere in opera si de intarire.

Rolul si influenta cimentului

In beton, cimentul indeplineste rolul de liant si contribuie la formarea structurii si la obtinerea proprietatilor sale.

La prepararea betonului cimentul (unitar sau cu adaosuri), impreuna cu apa si partea fina din agregat formeaza o pasta plastica. Aceasta, invelind granulele de agregat, asigura mobilitatea amestecului proaspat, iar dupa intarire, consolidand granulele de agregat, conduce la formarea unui material compozit cu structura de conglomerat, rezistent si durabil, care este betonul intarit.

Cimentul isi manifesta influenta asupra proprietatilor betonului prin calitate (compozitie mineralogica, suprafata specifica, rezistente mecanice) si prin dozaj (kg ciment/m³ beton proaspat).

Compozitia si structura matricei sunt determinate in primul rand de ciment, caracteristicile sale transmitandu-se direct betonului. Nu pot fi realizate betoane cu anumite proprietati (rezistente mecanice, rezistenta la agresiune chimica etc) decat utilizand cimenturi corespunzatoare. Pentru betoane la care se pastreaza constant dozajul de agregat, raportul apa/ciment, dozajul de ciment si tehnologia, rezistenta betonului creste odata cu cea a cimentului.

Finetea de macinare a cimentului influenteaza viteza proceselor de priza si intarire precum si gradul de hidratare, modificand prin aceasta caracteristicile betonului. Rezistentele mecanice ale betonului cresc cu finetea de macinare a cimentului, dar se accentueaza si deformatiile datorate contractiei si incarcarilor, care pot favoriza aparitia si dezvoltarea fisurilor, daca nu se asigura o tratare deosebit de ingrijita betonului in prima perioada de intarire. De aceea, in practica, este necesar sa se aleaga o suprafata specifica a cimentului optima in functie de caracteristicile impuse betonului.

Dozajul in ciment influenteaza proprietatile betonului proaspat si intarit.

Prin dozajul de ciment (ceilalti parametri ramanand neschimbati) pot fi modificate caracteristicile reologice ale betonului proaspat. Cresterea dozajului de ciment determina cresterea coeziunii, reducerea tendintei de separare a apei, conservarea omogenitatii mai mult timp, avand drept consecinta imbunatatirea lucrabilitatii si cresterea omogenitatii structurale a betonului intarit.

Cresterea dozajului determina imbunatatirea lucrabilitatii betonului permitand scaderea corespunzatoare a factorului apa/ciment (a/c).

Structura matricei (si deci a betonului) este influentata nu numai de natura cimentului, ci si de dozajul acestuia, influenta manifestata indeosebi asupra caracteristicilor sale macroscopice, asupra compactitatii structurale in primul rand.

Compactitatea betonului este determinata esential de compactitatea matricei si de capacitatea ei de a ingloba integral agregatele, cu umplerea totala a golurilor dintre ele. Ca urmare, pentru un agregat dat – ca natura, dozaj si granulozitate, exista o valoare a dozajului de ciment (dozaj optim) la care capacitatea de inglobare a agregatelor in matrice si adeziunea agregate-matrice se imbunatatesc. Cresterea, in continuare, a proportiei volumetrice a matricei in beton poate afecta negativ compactitatea acestuia, matricea avand compactitate mai mica decat agregatul si fiind in acelasi timp micro si macro poroasa si respectiv fisurata.

Mentinandu-se constante dozajul de agregate si lucrabilitatea betonului, prin cresterea dozajului de ciment se produc urmatoarele modificari ale caracteristicilor betonului:

·     densitatea aparenta creste pana la o valoare maxima, dupa care incepe sa scada (fig. 11). Cresterea se datoreste maririi compactitatii prin umplerea cu pasta de ciment a golurilor dintre granulele agregatului atingand un maxim pentru dozaj optim. Scaderea densitatii la dozaje de ciment mai mari, este datorata reducerii cantitatii de agregate la m³ de beton, prin inlocuirea cu pasta de ciment care are o densitate aparenta mai mica;

 
Figura 11. Variatia densitatii aparente a betonului cu dozajul de ciment

·     rezistentele mecanice cresc odata cu cresterea dozajului. Rata cresterii rezistentei (R_b/dozaj) este mai mare pana la o anumita valoarea, dupa care ea se atenueaza, tinzand catre plafonare (fig. 12).

 
Figura 12. Influenta dozajului de ciment asupra rezistentei la compresiune (a) si la tractiune (b)

Influenta dozajului asupra rezistentelor mecanice (in mod special a celei la intindere – R_t) este dependenta si de conditiile de pastrare (mediu umed, mediu uscat), care influenteaza sistemul de fisuri;

·     deformatiile betonului se accentueaza cu marirea dozajului intrucat matricea este mai deformabila decat agregatele sub efectul variatiilor de umiditate, temperatura si a solicitarilor mecanice de scurta sau lunga durata.

La stabilirea dozajelor in ciment, trebuie sa se tina cont de considerentele tehnice privind alegerea dozajului optim pentru fiecare tip de beton precum si de aspectele economice, cimentul fiind componentul cu cea mai mare pondere in pretul betonului.

Rolul si influenta apei

Apa de amestecare indeplineste in beton un rol dublu:

·     reactant cu componentii mineralogici ai cimentului (reactii de hidratare-hidroliza);

·     asigura lucrabilitatea betonului.

Apa de amestecare influenteaza proprietatile betonului prin calitate si cantitate (raport a/c).

Apa utilizata trebuie sa corespunda unor conditii tehnice de calitate, intrucat impuritatile (saruri solubile, grasimi si uleiuri, substante organice, resturi de carbune, mal) pot influenta negativ priza cimentului si calitatile betonului. Apa folosita la prepararea betoanelor poate fi apa potabila sau nepotabila provenita din rauri, lacuri, puturi sau chiar apa minerala (cu un continut de saruri solubile sub 2%) in conditiile respectarii standardelor in vigoare.

Apa de amestecare din beton are o influenta esentiala asupra caracteristicilor structurale ale betonului. Aceasta influenta se manifesta atat prin modificarile comportarii reologice a betonului proaspat, cu consecinte asupra omogenitatii si compactitatii structurale a betonului intarit, cat si prin modificarile in structura de pori a matricei (volum total, distributie, caracteristici dimensionale si de forma).

Apa utilizata la prepararea betonului trebuie sa asigure, in primul rand, hidratarea cimentului. Apa teoretic necesara hidratarii cimentului nu asigura in acelasi timp, o buna lucrabilitate a pastei de ciment si cu atat mai putin, a mortarelor sau betoanelor. Rezulta ca betonul contine intotdeauna un exces de apa, fata de necesarul reactiilor de hidratare-hidroliza ale cimentului, care se pierde prin evaporare contribuind astfel la formarea sistemului de micropori si fisuri din structura betonului.

Porozitatea este cu atat mai mare cu cat raportul intre cantitatea de apa si cantitatea de ciment dintr-un beton este mai ridicat. Din aceasta cauza influenta apei de amestecare asupra caracteristicilor betonului se apreciaza nu ca un factor independent ci prin raportul apa/ciment (a/c).

O cantitate de apa insuficienta conduce la amestecuri vartoase si necoezive, putin lucrabile; o astfel de comportare determina obtinerea unor betoane intarite cu structura neomogena, atat sub aspectul compactitatii, cat si al coeziunii sale. Un exces mare de apa poate provoca segregari si stratificari, de asemenea cu efecte negative asupra caracteristicilor structurale ale betonului intarit. Exista, deci, din punct de vedere al comportarii reologice si a consecintelor sale asupra lucrabilitatii si structurii betonului, o anumita valoare optima a raportului apa/ciment.

Stabilirea raportului apa/ciment se face in functie de natura, dozajul, finetea de macinare a cimentului, de natura si suprafata specifica a agregatelor, de lucrabilitatea betonului corelata cu mijloacele de compactare si variaza in limite foarte largi.

Se constata, la cresterea raportului a/c, atat cresterea totala a porozitatii betonului cat si scaderea proportiei de pori de gel in favoarea porilor capilari, cu consecinte evident negative asupra proprietatilor fizico-mecanice ale betonului intarit (fig. 12. Una din legile fundamentale ale betonului este aceea ca rezistentele mecanice variaza invers proportional cu raportul a/c (fig. 13).

 
Figura 12. Influenta raportului a/c asupra distributiei porilor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 13. Variatia rezistentei la compresiune cu raportul a/c pentru  compactari diferite

 

Impermeabilitatea si rezistenta la inghet-dezghet repetat se reduc la cresterea raportului a/c, iar contractia si deformatiile datorate solicitarilor mecanice se accentueaza.

In concluzie, se poate spune ca micsorand cantitatea de apa de amestecare (in limitele unei bune lucrabilitati si a compactitatii maxime pentru mijloacele de compactare utilizate) – proprietatile betonului se imbunatatesc.

Adaugarea in apa de amestecare a unor substante cu rol fluidizant permite reducerea raportului a/c si mentinerea lucrabilitatii, cu consecinte favorabile asupra calitatii betonului intarit.

Influenta agregatelor

Agregatele minerale intra in compozitia betoanelor in cantitate mare, circa 80%, formand un schelet rigid si rezistent in masa betonului, care reduce contractia la uscare si deformatiile datorate solicitarilor mecanice. Cantitatea si calitatea agregatelor minerale exercita influenta asupra tuturor proprietatilor betonului.

Agregatele prin natura, caracteristicile si dozajul lor, influenteaza structura betonului si prin aceasta proprietatile acestuia dupa intarire. Influenta agregatelor asupra structurii betonului se manifesta esential la nivelul compactitatii si omogenitatii structurale, precum si la nivelul adeziunii matrice-agregate.

Agregatele folosite in betoane, desi se definesc ca materiale care, in mod practic, sunt inerte din punct de vedere chimic in raport cu sistemul liant, totusi prezinta o mare varietate de comportament, dupa provenienta, compozitie, caracteristici de granulozitate, de suprafata si forma. Data fiind proportia lor ridicata, natura si proprietatile, agregatele isi manifesta evident influenta asupra comportarii betonului proaspat si a caracteristicilor betonului intarit.

Dimensiunea maxima a granulelor de agregat se stabileste in functie de dimensiunea minima a elementului de beton, distanta minima dintre armaturi si grosimea stratului de acoperire a armaturii.

Rezistentele mecanice ale betonului (in conditia asigurarii lucrabilitatii sale si a compozitiei granulometrice a agregatelor) cresc cu cresterea dimensiunii maxime a granulelor de agregat.

Volumul de goluri intergranular scade cu cresterea diametrului maxim al granulelor (tabelul 4).

Tabelul 4. Volumul de goluri intergranular functie de diametrul maxim al granulelor

Dmax (mm)	2	5	8	12,5	25	40	63
Volum goluri (%)	21	15	13	11,5	9	8	7

Natura mineralogica  

Atat agregatele de concasare cat si cele de rau trebuie sa provina din roci stabile, adica nealterabile la aer, apa sau inghet.Se interzice folosirea agregatelor provenite din roci feldspatice sau sistoase. Nu se utilizeaza agregate cu structura amorfa sau hemicristalina, acestea neavand stabilitate in timp datorita devitrificarii.

Agregatele trebuie sa fie inerte si sa nu conduca la efecte daunatoare asupra cimentului folosit la prepararea betonului.

Incompatibilitatea agregatelor cu cimentul apare la betoanele confectionate cu cimenturi bogate in alcalii si cu agregate care contin bioxid de siliciu activ, ca opalul, calcedonia, flintul etc. La prepararea betonului, alcaliile din ciment trec in solutie sub forma de hidroxizi, care reactioneaza cu bioxidul de siliciu din agregate, formand geluri care se umfla in prezenta apei, provocand expansiunea betonului.

Rezistenta la compresiune a agregatelor trebuie sa fie de 1,5 ori rezistenta betonului, pentru a se asigura realizarea clasei dorite.

Calitatea rocii din care au rezultat agregatele influenteaza durabilitatea betonului si anume rezistenta la inghet-dezghet repetat, la agresivitate chimica, la uzura.

Impuritatile din agregate 

Argila, humusul, carbunele, sarurile solubile nu trebuie sa depaseasca limitele admisibile pentru a nu afecta calitatea betoanelor.

       Forma granulelor

Forma granulelor influenteaza in special compactitatea si lucrabilitatea betonului, intrucat modifica volumul de goluri si suprafata specifica.

Agregatele de forma lamelara si aciculara nu sunt recomandabile, deoarece rezulta betoane greu lucrabile, cu structura stratificata si cu rezistente mecanice reduse.

Pentru realizarea unor betoane de calitate este necesara o cat mai buna aderenta intre matrice si agregate. Aderenta este mai mare in cazul agregatelor cu suprafata rugoasa, fapt pus in evidenta la incercarile epruvetelor din beton, cand se constata ca granulele din pietris cuartos cu fetele lucioase raman intregi, dislocandu-se din matrice, lasand alveole netede, in timp ce agregatele rugoase se rup numai odata cu matricea, fara a se disloca din masa sa. Aderenta matricei de agregate impune si conditia de puritate a suprafetei agregatelor.

Folosirea agregatului concasat in locul agregatului de rau determina o imbunatatire a caracteristicilor betonului, dar trebuie sa se ia in consideratie si forma granulelor agregatului concasat, care este cu atat mai defectuoasa cu cat granulele sunt mai mici. De aceea, se obtin rezultate bune daca, in agregatul de rau, partea grosiera se inlocuieste cu piatra sparta.

Compozitia granulometrica (granulozitatea)

Granulozitatea determina suprafata totala a agregatelor si volumul intergranular de goluri, care la randul lor, determina dozajul de ciment si cantitatea de apa de amestecare necesara obtinerii unui beton cu compactitate ridicata si astfel influenteaza direct proprietatile betonului.

Un rol important in formarea structurii betonului si deci in obtinerea unui material cu proprietati impuse il are fractiunea fina din agregat (sort 0 - 0.2).

Cu cat creste cantitatea de fractiune fina cu atat este necesara mai multa apa pentru aceeasi lucrabilitate a betonului. Excesul de apa conduce la amplificarea sistemului de pori si fisuri cu consecinte negative asupra tuturor proprietatilor betonului.

Sorturile granulare mai mari de 7 mm exercita o influenta mai redusa asupra caracteristicilor betonului.

 

 Rolul si influenta aditivilor

Aditivii sunt substante chimice, sau produse tehnice, care introduse in procent mic fata de ciment in suspensii, mortare sau betoane, produc modificari dorite ale proprietatilor acestor materiale, ca urmare a unor actiuni fizico-chimice exercitate asupra componentilor acestora.

Aditivii se introduc fie dizolvati in apa de amestecare in momentul prepararii mortarelor sau betoanelor fie, uneori, pot fi incorporate in ciment (ciment aditivat) inca de la fabricarea acestuia.

Aditivii pot determina importante mutatii in structura betoanelor favorizand modelarea proprietatilor acestuia in sensul dorit sau impus de conditiile tehnologice sau de exploatare.

Cu ajutorul aditivilor pot fi influentate favorabil proprietati ca: priza si intarirea, lucrabilitatea, rezistentele mecanice (initiale si finale), comportarea la inghet-dezghet, gradul de impermeabilitate, rezistenta la agresiune chimica etc.

Efectele favorabile se obtin in conditia selectarii corecte a aditivului, a procentului in care este utilizat, a tipului de ciment, a compozitiei betonului aditivat.

Aditivii trebuiesc astfel selectionati (calitativ si cantitativ) incat imbunatatind o anumita proprietate sa nu afecteze negativ alte proprietati ale betonului.

Eficacitatea fiecarui aditiv se poate schimba in fnctie de concentratia sa, de consistenta betonului de natura si caracteristicile agregatului si in particular de tipul de ciment.

Fiecare clasa de aditiv este definita de functia sa principala. Aditivul poate avea unul sau mai multe efecte secundare si folosirea lui poate rezulta uneori din acestea.

Functia principala este caracterizata, determinata, de influenta asupra proprietatilor betonului la fabricarea caruia s-a utilizat aditivul.

Functia secundara este in majoritatea cazurilor independenta de cea principala.

Prin functia principala, un aditiv poate fi reducator de apa, iar prezenta lui poate determina efecte secundare - modificator de priza, antrenor de aer etc.

Concomitent cu efectele principal si secundar, pot apare si asa numitele 'efecte marginale', care trebuiesc identificate pentru a aprecia influenta globala, multifunctionalitatea aditivului utilizat asupra proprietatilor betonului.

Din cele de mai sus si pe baza experientei acumulate in practica utilizarii aditivilor, rezulta ca majoritatea au o actiune complexa, indeplinesc roluri pentru care de regula se folosesc, dar au si influente multiple ce trebuiesc evidentiate cu mijloace si metode specifice determinarii.

Aditivii trebuie considerati componenti principali ai betonului alaturi de liant, apa si agregate.

Aditivii trebuie tratati ca optimizanti ai ai raportului cost-eficienta tehnica pentru beton. Asigurarea eficientei tehnico-economice a utilizarii aditivilor se realizeaza prin corecta alegere a compozitiei betonului, prin respectarea stricta a acesteia si printr-o tehnologie de omogenizare si punere in opera adecvata.

In utilizarea aditivilor este bine sa se verifice:

·     influenta lor asupra proprietatilor pastelor de ciment;

·     stabilitatea efectului principal- acesta sa nu varieze sensibil la variatii mici ale cantitatii de aditiv;

·     eficacitatea, care sa nu varieze sensibil cu temperatura;

·      efectele marginale, care, pe cat posibil, trebuie cunoscute.

Dupa functia principala ce o indeplinesc in beton (mortar, paste) aditivii se clasifica in:

·     aditivi modificatori ai proprietatilor reologice ale betonului (mortarului, pastei) proaspat (plastifianti, antrenori de aer, superplastifianti);

·      aditivi modificatori de priza si intarire (acceleratori de priza, acceleratori de intarire, intarzietori de priza);

·     aditivi modificatori ai continului in aer (antrenori de aer,  generatori de spuma);

·     aditivi crescatori de rezistenta la actiuni fizice si mecanice (antrenori de aer, hidrofugi, pentru injectii, reducatori de apa etc).

Tendinta actuala este de producere si utilizare de aditivi cu functii multiple pentru simplificarea tehnologiei de utilizare si pentru efecte cumulate pozitive asupra proprietatilor betoanelor (mortarelor, pastelor).

Aditivi modificatori ai proprietatilor reologice

 

  

Au ca functie principala modificarea caracteristicilor de curgere ale betonului, cu repercursiuni pozitive asupra reducerii raportului a/c, in conditia pastrarii constante a lucrabilitatii. Aceasta conduce la imbunatatirea structurii (creste compactitatea) si se imbunatatesc caracteristicile de durabilitate ale betonului (rezistente mecanice, comportare la inghet-dezghet la agresiune chimica si impermeabilitatea).

La raport a/c constant acesti aditivi contribuie la reducerea vascozitatii betonului proaspat cu consecinte tehnologice pozitive (fig. 15).

 
Figura.15 Influenta adaosului de aditiv asupra tasarii betonului la diferite rapoarte a/c

Ca modificatori ai proprietatilor reologice se utilizeaza substante tensioactive, care contin grupari de polaritate diferita, ceea ce imprima un caracter hidrofil variabil.

Substantele tensioactive actioneaza la limita de separare a fazelor, determinand reducerea tensiunii superficiale a apei. Ele maresc mobilitatea amestecului proaspat de beton, ceea ce permite o reducere apreciabila a raportului apa/ciment, fara ca lucrabilitatea sa scada, avand efecte favorabile asupra structurii si proprietatilor betonului intarit.