U ovom su članku ukratko opisani cementi sa niskim stupnjem stezanja i ekspanzijski cementi. Predstavljene su različite kemijske reakcije u betonu, vezane uz promjenu zapremnine. Neke od njih možemo iskoristiti za kompenzaciju stezanja, koje je prirodna pojava prilikom sušenja betona i cementnog kamena. Navedene su i glavne vrste ekspanzijskih cemenata. S obzirom na moć ekspanzije, poznajemo cemente sa kompenziranim stezanjem i cemente koji bubre, a s obzirom na ekspanzijsku komponentu u cementima, mogli bismo ih podijeliti na cemente kod kojih nastaju sulfoaluminathidrati, i ostale.
Slika 1: Snimka minerala etringita snimljena elektronskim mikroskopom (snimljeno na ZAG Ljubljana).
Ekspanzijski cementi se većinom koriste za spriječavanje stezanja kod betona, koje se prije svega veže uz sušenje materijala. Poznato je, naime, da se cementni kamen prilikom sušenja steže, što je posljedica površinske pojave pora u materijalu. Stezanje materijala može dovesti do oštećenja koja se svakako moraju izbjeći, posebno u nekim slučajevima. Kod uporabe ekspanzijskog cementa prvo dolazi do bubrenja, koje kompenzira kasnije stezanje. Većina cemenata sa kompenziranim stezanjem u osnovi je vrlo slična portlandskom cementu; zbog toga je i rad sa njima obično vrlo sličan. Unatoč tome, važno je znati da se takvi cementi ipak među sobom mogu razlikovati i zato, želimo li postići našu svrhu, moramo uzeti u obzir njihova svojstva. Nije na odmet već na početku naglasiti, da je kod ove vrste cementa njega od naročitog značaja, jer se nepravilnom njegom može posve uništiti ekspanzijski učinak.
Promjene zapremnine u samom betonu
Tijekom hidratacije cementa u betonu, njegovi mineralni sastojci kemijski reagiraju sa vodom i tako nastaju hidratacijski produkti, koji betonu daju konačne osobine. Ovaj proces se prvo povezuje sa vezanjem, a zatim i sa stvrdnjavanjem betona. Zapremnina hidratacijskih produkata je uvijek manja od zapremnine cementa i vode koji reagiraju. Ireverzibilno kemijsko stezanje iznosi približno od 5 do 8 posto, ali se jedan dio izražava u promjeni vanjske zapremnine, dok veći dio dospijeva do povećanja poroznosti cementnog kamena u betonu.
Sušenje stvrdnutog betona dovodi do njegovog stezanja. Kada ga opet navlažimo, zapremnina se iznova povećava, mada ne više do početnog stanja. Dakle, stezanje radi sušenja je djelomično reverzibilno. S druge strane, beton koji nije bio izložen sušenju ipak dobiva ponešto na zapremnini, ukoliko ga se namoči u vodi.
Osim nabrojenih promjena zapremnine, u betonu mogu nastati i brojne kemijske reakcije, kod kojih dolazi i do znatno većih promjena zapremnine, ali mnogo puta i do oštećenja materijala. Kod ovakvih reakcija, iz reaktanata niske gustoće nastaju proizvodi visoke gustoće, a materijal postaje porozan – ili obrnuto: iz polaznih tvari visoke gustoće nastaju tvari niske gustoće, a pritom i napetosti u materijalu, koje na kraju mogu izazvati pojavljivanje raspuklina.
Reakcija u betonu, koja dovodi do povećanja poroznosti i smanjenja tvrdoće, poznata je kod visokoaluminatnog cementa. U odgovarajućim omjerima nastaje reakcija koja vodi do povećanja poroznosti i slabljenja mehaničkih svojstava betona. Mogli bismo reći da materijal postaje spužvast. U prošlosti je to znalo uzrokovati velike poteškoće, jer je ova pojava skrivena i izvana se ne opažaju nikakve promjene na materijalu (nema raspuklina), premda mehanička otpornost može unatoč tome biti vrlo načeta.
Brojni su primjeri reakcija koje dovode do povećanja zapremnine. Takve su, recimo, reakcije kalcijevog oksida (obično vapno) i magnezijevog oksida (periklas) sa vodom.
CaO + H2O ® Ca(OH)2
MgO + H2O ® Mg(OH)2
Ako do ovih reakcija dođe nakon što je materijal već izgubio plastičnost i dosegao prikladnu tvrdoću, može nastati unutarnja napetost u materijalu, a time i raspukline. Zato se i obično vapno, a i periklas u cementu moraju ograničiti na prikladnu, nisku vrijednost.
Upravo ovaj učinak – da se kod nekih reakcija zapremnina povećava -iskorištavamo u cementu bez stezanja za kompenzaciju stezanja betona ili čak i za bubrenje. Da bismo postigli željeni učinak, ekspanzijska reakcija mora se dogoditi u pravo vrijeme. Bubrenje ekspanzijske komponente prije vezanja gubi se u plastičnoj deformaciji okoline. Ako je struktura stvrdnutog materijala već uznapredovala, ekspanzija bi mogla izazvati oštećenja. Zato je vrlo značajno da se reakcije ekspanzijskog materijala događaju baš u pravo vrijeme.
Vrste ekspanzijskih cemenata
Pojam ekspanzijskog cementa pojavio se sredinom prošloga stoljeća u Francuskoj, gdje su prvi put izradili takav cement. Kasnije se proširio i u Sjedinjene Američke Države, Rusiju i Japan, a zatim i drugdje. Vrsta ekspanzijskog cementa je zemljopisno uvjetovana i svako područje ima svoju različitu izvedbu.
Ekspanzijske cemente možemo podijeliti po dva ključa. Prvi je – stupanj ekspanzije, dakle – mehaničko svojstvo, koje odlučuje i o uporabi. S druge strane, ove cemente možemo podijeliti i s obzirom na njihov kemijski sastav, odnosno ekspanzijsku komponentu u cementu.
Prema stupnju ekspanzije, ekspanzijske cemente dijelimo na dvije skupine. U prvu se ubrajaju cementi kod kojih se radi samo o kompenzaciji stezanja. Njihovom uporabom želimo spriječiti pojavu raspuklina radi isušivanja betona. Cementi, koji sadrže veći udio ekspanzijske tvari, kod hidratacije ne kompenziraju samo stezanje, već dolazi i do bubrenja. Kada je to bubrenje otežano, u njima nastaju napetosti koje mogu dosegnuti i vrijednost do 8 MPa. Takve cemente možemo koristiti za kemijski prednapregnute betone, gdje ulogu napinjanja preuzima sam materijal.
S obzirom na mineral koji izaziva ekspanziju u cementnom sustavu, razlikujemo različite vrste cemenata, a najčešće se za to iskorištava nastajanje sulfoaluminathidrata u sustavu. Poznati su i cementi koji u ove svrhe iskorištavaju hidrataciju magnezijevog i kalcijevog oksida. Najrašireniji je među svima njima vjerojatno cement koji kao ekspanzijsku komponentu sadrži kalcijev sulfoaluminat (C4A3); obično ga označavamo kao cement K.
Za nastanak kalcijevih sulfoaluminathidrata (na primjer etringita) treba nam u sustavu Ca2+, Al3+ i SO42- u alkalnom mediju. Alkalni medij je potreban za stabilnost nastalih produkata. Cementi koji ekspandiraju na temelju nastanka kalcijevih sulfoaluminathidrata (etringita), među sobom se razlikuju po izvoru aluminatnih iona u sustavu. Izvori tih iona mogu biti:
- cement K, koji sadrži mineral C4A3 (posebni klinker);
- cement M sa mineralom CA (visokoaluminatni cement);
- cement S i SM, koji sadrže mineral C3A (portlandski cement ili cement sa povišenim aluminatom).
Osim nastajanja kalcijevih sulfoaluminathidrata, za kompenzaciju stezanja koristimo i druge kemijske reakcije, poput hidratacije magnezijevog i kalcijevog oksida. To su kao ekspanzijsku komponentu koristili u Japanu. Zanimljiiva je i uporaba magnezijevog oksida u, na primjer, masivnom betonu za kompenzaciju stezanja uslijed temperature, koja se pojavljuje pri hlađenju masivnog betona.
Beton od ekspanzijskih cemenata
Općenito su recepture koje su prikladne za obični – prikladne i za ekspanzijski cement. Obično je potreban nešto viši odnos između vode i cementa, a i unos cementa, da bi se došlo do prikladne ekspanzije. Na samu ekspanziju mogu snažno utjecati različiti dodaci za betone, kao što su plastifikatori, usporivači i drugi. Zato je potrebno pokusima provjeriti moguće međusobne utjecaje između ekspanzijskih cemenata i tih dodataka.
Na svojstva ekspanzijskog betona, slično kao i na svojstva običnoga, jako utječe i njega ugrađenog betona. Želimo li spriječiti stezanje i dobiti primjereno tvrd i trajni beton, moramo se pobrinuti za odgovarajuću njegu barem tijekom prvih sedam dana. Svako propuštanje njege može dovesti do smanjene ekspanzije takvog materijala. Što se tiče njege, možemo koristiti uobičajene postupke, kojima se u svakom trenutku osigurava dovoljno vode da se materijal ne bi osušio.
Trajnost betona, pripravljenog s ovim cementima, slična je kao i kod običnog betona. Takav beton je, ukoliko je pravilno pripremljen, otporan na smrzavanje i odleđivanje, čak i u nazočnosti soli za odleđivanje. Isto tako, on je otporan i na abraziju, u nekim slučajevima možda čak i otporniji od običnog. Poznato je i da je takav materijal otporan na koroziju zbog sulfata.
Slika 2: Promjene mjera kod cementa sa kompenziranim stezanjem i kod običnog portlandskog cementa
Zaključak
U cementnom sustavu se odvijaju brojni procesi koji su povezani sa promjenom zapremnine. Među njima, sušenje cementnog kamena dovodi do stezanja običnog betona, što može prouzročiti oštećenja materijala. Stezanje nam smeta i kada želimo sasvim zapuniti prostor materijalom. Možemo koristiti brojne reakcije kod kojih se povećava zapremnina i zato njima možemo kompenzirati stezanje. Ove kemijske reakcije iskorištavamo u ekspanzijskim cementima.
dr. Tomaž Vuk
