TEHNOLOGII: Metode moderne pentru imbunatatirea structurilor din ciment

Istoria aditivilor pentru betoane este indelungata si incepe in 1930, cand au avut loc primele incercari de dispersare a carbunelui in beton. Scopul initial era unul pur estetic, iar aplicatiile principale vizau „colorarea diferita” a benzilor de pe autostrazi, pentru semnalarea zonelor periculoase. Rezultatele acestei proceduri nu au fost pe masura asteptarilor, particulele adaugate ridicandu-se la suprafata si dand acesteia un aspect pestrit. Un alt dezavantaj era legat de deprecierea caracteristicilor de rezistenta mecanica. Pentru a remedia problema, chimistii din epoca au propus utilizarea unui agent de dispersare care, dupa cum s-a demonstrat ulterior, a exercitat un efect benefic asupra intregului material, asigurand totodata inclusiv amestecarea optima a cimentului. Mai mult, prin includerea trietanolaminelor, s-a obtinut un efect de intarziere a intregului proces, fapt ce a dus la revolutionarea procedurilor de realizare a betoanelor. 

 

Actualmente, exista si se dezvolta in continuare o veritabila industrie a aditivilor pentru betoane, ce faciliteaza utilizarea acestor materiale in cadrul celor mai neasteptate lucrari si asigura un comportament optim si o rezistenta sporita. Ingredientele principale din cadrul cimentului de tip Portland sunt varul, siliciul, alumina si oxidul de fier. Prima dintre componente se obtine prin extractia din depozitele de calcar si din deseurile industriale alcaline. In ceea ce priveste celelalte trei elemente, acestea sunt derivate din argila, sisturi, precum si zgura de furnal sau reziduurile de cenusa rezultate din activitatea centralelor termoelectrice alimentate cu carbune. Materialele sunt amestecate si transformate intr-o pulbere foarte fina, din care se realizeaza compozitia bruta de oxid ce alimenteaza cuptorul rotativ, aflat la o temperatura de 1.500 °C. In acest mediu de lucru au loc reactii chimice finalizate prin obtinerea celor patru componente de baza ale cimentului - si anume: silicati dicalcici si tricalcici, aluminat tricalcic, respectiv alumino-ferita tetracalcica. Toate substantele respective, alaturi de o cantitate minora de hidroxid de calciu si alti oxizi, formeaza asa-numitul clincher ce paraseste cuptorul, fiind racit ulterior si primind un adaos de sulfat hidratat de calciu (gips). Astfel, se ajunge la produsul finit – cimentul Portland, denumit si „hidraulic”, caracterizat printr-o rezistenta sporita la compresiune, atunci cand este hidratat. Procesul descris implica, de fapt, reactii chimice complexe intre apa si componentele din structura cimentului, ce asigura, dupa integrare, o permeabilitate foarte scazuta a produsului finit si, implicit, o anduranta maxima la actiunea apei. De aceea, cimentul Portland este ideal pentru executia de structuri complexe, cum ar fi, de pilda, puturile de mare adancime, garantand o izolare optima a zonelor delimitate.

 

In epoca actuala, exigentele ce vizeaza produsele realizate pe baza de ciment sunt foarte ridicate, existand, de exemplu, solicitari ca materialul sa reziste la diferente foarte mari de temperatura intre mediile pe care le separa. Acesta este motivul pentru care expertii din domeniu au facut eforturi deosebite de-a lungul timpului pentru a oferi raspunsuri optime la fiecare tip de provocare. Prima categorie de aditivi este constituita de asa-numitii acceleratori, folositi la executia structurilor rezistente la temperaturi joase. Substantele respective au rolul de a creste viteza de hidratare si de a diminua in mod corespunzator timpul de intarire. Acceleratorii sunt, de asemenea, utilizati pentru a contracara intarzierile generate de utilizarea altor categorii de aditivi, cum ar fi cei de dispersare sau agentii de stopare a pierderilor de lichid. Cel mai comun material din categoria respectiva este reprezentat de clorura de calciu, al carei efect de accelerare nu a fost pe deplin clarificat. Se pare ca aceasta substanta are capacitatea de a spori permeabilitatea gelului C-S-H (silicat de calciu hidratat), concentrandu-se in jurul fiecarei particule de silicat si asigurand accesul mai rapid al apei la suprafata anhidra a particulelor. Practic, astfel se obtine o scurtare a perioadei de inductie. De regula, clorura de calciu se adauga in proportii de 2% - 4% din masa cimentului, o cantitate mai mare generand efectul de scadere a timpului de ingrosare – echivalent cu o prelungire a perioadei in care suspensia poate fi pompata.

 

Aditivii de intarziere au rolul de a inhiba procesul de hidratare si de a creste timpul de intarire, permitand operatorilor sa realizeze in conditii optime activitatile de plasare a compozitiei in cofraje speciale. Tehnologia acestor solutii este foarte dezvoltata si a dus la dezvoltarea mai multor substante ce exercita efectul respectiv, desi, inclusiv in cazul respectiv, modul lor de actiune a ramas in mare masura o enigma. Cele mai comune substante de intarziere sunt derivate din lemn, constand in saruri de sodiu si de calciu ale acizilor lignosulfonici, cu un anumit continut de zaharide. Rolul lor este de a se absorbi in stratul superior al gelului C-S-H, imbunatatind, astfel, proprietatile hidrofobe si prelungind perioada de inductie. Adaugata intr-o concentratie de 0,1% - 1,5% din masa cimentului, substanta are capacitatea de a intarzia hidratarea pana la temperaturi de 120 °C. De asemenea, atunci cand se apeleaza la tratamente speciale cum ar fi boraxul, lignosulfonatii au efect pana la temperaturi de 315 °C. O alta categorie de substante folosite in acelasi scop este reprezentata de acizii hidroxicarboxilici, cum ar fi gluconatii sau sarurile de glucoheptonat, insa in aceste cazuri temperatura este de maximum 93 °C. Avantajul acestora este ca asigura timpi foarte lungi de ingrosare, datorita faptului ca au proprietatea de a se atasa la ionii de calciu si de a inhiba hidratarea. Dupa cum se mentiona anterior, gama aditivilor de intarziere este extinsa, incluzand, de asemenea, derivati de celuloza (boximetil hidroxietil celuloza), ce sunt eficienti pana la 120 °C si, in mod similar lignosulfonatilor, incetinesc procesul de hidratare, prin acoperirea gelului C-S-H. Aceste solutii exercita inclusiv anumite efecte secundare, cum ar fi controlul imbunatatit al pierderilor de fluiditate (ce poate fi solicitat in anumite cazuri), precum si o crestere a vascozitatii suspensiei (care in multe situatii, nu este de dorit). In fine, o clasa relativ noua de aditivi de intarziere include asa-numitii organofosfati, eficienti pana la temperaturi de 204 °C si care au proprietatea de a tolera anumite variatii ale compozitiei cimentului, asigurand diminuarea vascozitatii suspensiilor de mare densitate.

 

Extenderii pentru ciment au rolul de a reduce densitatea materialului si de a diminua presiunea hidrostatica din timpul operatiunilor de realizare a betoanelor. Aceste substante previn spargerea formatiunilor mai slabe si pierderile de circulatie. Totodata, au capacitatea de a diminua cantitatea de ciment folosita la fabricatia betonului. Avand in vedere pretul mai mic in raport cu cel aferent cimentului, extenderii asigura economii importante in procesele de executie. In acest moment, pe piata de profil exista trei tipuri de astfel de aditivi: pe baza de apa, de agregate de joasa densitate, respectiv de gaz. De multe ori, intr-un singur amestec se folosesc mai multe feluri de asemenea solutii. Extenderii pe baza de apa permit folosirea unei cantitati mai mari de H₂O asigurand ramanerea in suspensie a particulelor solide. Cel mai cunoscut produs din aceasta categorie este bentonita – un mineral argilos ce are proprietatea neobisnuita de a-si extinde de cateva ori volumul initial atunci cand intra in contact cu apa. Bentonita determina o crestere a vascozitatii materialului si contribuie la mentinerea suspensiei. Concentratiile in care se adauga sunt relativ mari si pot ajunge pana la 20%. De regula, relatia dintre densitatea amestecului si concentratia bentonitei este puternic invers proportinala. Un efect advers notabil ar fi cel legat de diminuarea rezistentei la compresiune. Un alt extender pe baza de apa este silicatul de sodiu, ce reactioneaza cu hidroxidul de calciu din compozitia amestecului de ciment si apa, generand o majorare a vascozitatii gelului S-C-H si permitand adaugarea unor cantitati superioare de apa.

 

In ceea ce priveste solutiile pe baza de agregate de joasa densitate, dupa cum le spune si numele, acestea sunt materiale avand un raport masa – volum inferior celui corespunzator cimentului Portland (care este de 3,15 g/cm³). Cele mai comune substante din aceasta categorie sunt pozzolanii (particule de siliciu sau amestecuri de siliciu si aluminiu), care se extrag din cenusa vulcanica, amestec diatomeic (rezultat din putrezirea algelor) sau cenusa de la centralele termoelectrice pe baza de carbune. Pozzolanii nu au doar proprietatea de a diminua densitatea suspensiei de ciment, ci contribuie inclusiv la imbunatatirea rezistentei la compresiune, prin reactia cu hidroxidul de calciu. La momentul actual, cea mai eficienta categorie de agregate de joasa densitate este cea a microsferelor – mici corpuri umplute cu gaz, avand o masa extrem de scazuta. Fiind mai usoare decat apa, acestea duc la diminuarea semnificativa a densitatii suspensiei, fara ca procesul respectiv sa presupuna adaugarea unor cantitati semnificative de H₂O. De aceea, forta de rezistenta la compresiune ramane neschimbata, iar imbunatatirile sunt extrem de vizibile daca se realizeaza o comparatie cu – de exemplu – bentonita. Gaze precum azotul sau chiar aerul pot fi folosite pentru a prepara acest tip de produs, cu o densitate foarte scazuta.

 

In categoria agentilor de crestere a greutatii, foarte utili la anumite tipuri de aplicatii (de exemplu, la foraje, unde densitatea malului atinge 2,16 g/cm³ si trebuie ca betonul sa prezinte un nivel cel putin egal), se incadreaza materiale cu o greutate specifica mare, ce implica reducerea cantitatii de apa folosite in amestec (produsul finit este mai dificil de pompat). Particulele acestui tip de aditiv este necesar sa aiba dimensiuni similare celor din structura cimentului, cele mai utilizate fiind ilmenitele (oxizi de titan), hematitele (oxizi de fier) si baritele (sulfuri de bariu), avand densitati mai mari de 4 g/cm³. In ceea ce priveste dispersantii, folosirea acestora a pornit de la necesitatea derularii in bune conditii a operatiunilor de turnare, presupunand pomparea suspensiei de beton intr-un flux vibrant, pentru a elimina namolul. Dispersantii controleaza reologia materialului turnat (curgerea lenta a betonului) si ajuta la formarea de turbulente la rate lente de pompare. De fapt, acesti aditivi neutralizeaza energia electrostatica pozitiva a particulelor de ciment, care, in caz contrar, ar duce la cresterea fortelor mutuale de coeziune. Practic, dispersantii despart agregatele in particule individuale si, folositi intr-o concentratie corecta, contribuie la imbunatatirea omogenitatii betonului si la scaderea permeabilitatii sale. In caz de utilizare in exces, se poate produce o separare de faza in suspensie, concretizata prin separarea particulelor de ciment de moleculele de apa. Cea  mai uzuala categorie de dispersanti este reprezentata de sulfonati (de pilda, polinaftalina sulfonata) cu un continut bogat de polimeri multiramificati.

 

Agentii de control al pierderilor de fluid (FLAC) sunt deosebit de utili in cazurile in care betonul este turnat peste un suport permeabil aflat sub presiune, ce permite scurgerea unei anumite cantitati de apa prin fisurile respective. Daca aceste pierderi nu sunt controlate, timpul de intarire si densitatea se pot schimba rapid, ceea ce duce la compromiterea intregii lucrari. Aditivii FLAC ajuta la reducerea permeabilitatii stratului inferior al betonului care intra in contact direct cu suprafata fisurata. Anumiti agenti din aceasta categorie duc la cresterea vascozitatii in faza apoasa a suspensiei, reducand rata de filtrare. Dintre cei mai cunoscuti astfel de aditivi pot fi mentionate materialele fin divizate (bentonita si emulsiile de polimeri realizate din particule de latex) si solutiile de polimeri solubili in apa (cum ar fi hidroxi-etil celuloza - HEC, a carei eficienta se diminueaza cu cresterea temperaturii, alcoolul polivinilic – PVA sau polietilen imina – PEI, acestea din urma avand un comportament optim pana la 225 °C, dar accelerand procesul de sedimentare a suspensiei). O categorie interesanta de aditivi este, la randul sau, cea a agentilor de control al circulatiei, aplicabili in cazul in care intr-un proces initial de betonare, materialul si-a pierdut capacitatea de circulatie. Efectele respectivei disfunctionalitati sunt deranjante, incluzand aparitia de cavitati, fracturi si formatiuni cavernoase, insa, prin utilizarea aditivilor potriviti, toate aceste inconveniente sunt evitate. Este vorba despre gilsonita (un tip de asfalt) sau carbune granulat, ce are capacitatea de a uniformiza neregularitatile. Un alt agent folosit in acest scop este constituit de fulgii de celofan, ce au proprietatea de a sigila suprafata fracturii si de a preveni intrarea cimentului in formatie. Atunci cand cavernele sunt prea mari, se poate apela la solutia cimentului thixotropic (care are capacitatea de a-si reduce vascozitatea pe termen scurt). Atunci cand acest tip de ciment intra in formatiune, iar viteza de curgere scade, fortele de forfecare sunt mai mici, iar materialul incepe sa se gelifieze, devenind autoportant si astupand caverna. Desigur, exista si o serie de alti aditivi speciali, cum ar fi agentii impotriva formarii de spuma (fenomen ce apare la adaugarea in ciment a diferitelor tipuri de substante), de prevenire a migratiei de gaz sau aditivii fibrosi (destinati cresterii rezistentei).