מהו מנגנון הפעולה של חומר התפשטות בבטון?

בהנדסת בנייה שכיחה הופעת סדקי בטון וחדירת מים, וסדקים מבניים עלולים להשפיע על האסתטיקה או במקרים חמורים על בטיחות המבנה. בשל גורמים כמו שימוש מוגבר במלט, דרישות חוזק גבוהות יותר, תנאי בנייה, ואשפרה לא מספקת, היווצרות סדקים במבני בטון היא בלתי נמנעת. נכון לעכשיו, הגישה האפשרית היחידה בהנדסה היא לשלוט בסדקים בגבולות בלתי מזיקים.

גורמים לסדיקת בטון

ישנן סיבות שונות לסדיקות בטון בפרויקטי בנייה, כולל תכנון מבני, אשפרת בנייה וחומרי גלם. הגורם העיקרי לסדקים הוא מתח המתיחה שנוצר כאשר בטון חווה עומס, דפורמציה וערבוב במהלך תהליך ההתקשות. סדקים מתרחשים כאשר מתח המתיחה הפנימי עולה על חוזק המתיחה הסופי של הבטון. בין אלה, סדקים לא מבניים הנגרמים על ידי דפורמציה מהווים 80%, ורובם של סדקים לא מבניים אלו נובעים מהתכווצות בטון (כגון הצטמקות אוטוגנית, התכווצות פלסטית, התכווצות ייבוש, התכווצות תרמית וכו').

אין מפרט טכני מפורט לשליטה בסדקים שאינם מבניים, והשיטות הנפוצות המשמשות בהנדסה כוללות תכנון מפרקי התפשטות או שימוש ב"שיטת המחסן הקפיצה" במהלך הבנייה. עם זאת, גישה זו מאריכה את תקופת הבנייה ומגדילה את עלויות הניקיון. יישומים הנדסיים נרחבים הוכיחו שהשיטה היעילה ביותר היא שימוש בבטון מפצה הצטמקות לבקרת סדקים.

מנגנון ויישום של סוכנים מרחיבים

חומרי הרחבת בטון הם תוספים שכאשר מוסיפים לבטון, גורמים לו להתרחב בנפחו, ומפצים על התכווצות הבטון. סוכנים מרחיבים מסווגים על סמך המרכיבים הרחבים שלהם, כגון סידן סולפאלומינאט, מבוסס CaO, מבוסס MgO, תחמוצת סידן סולפאאלומינאט וסידן מגנזיום מרוכבים. בשל הרכיבים המרחיבים השונים, גם ביצועי ההרחבה שלהם משתנים. המנגנונים המקובלים ביותר של חומרים מרחיבים כוללים את תיאוריית הגדילה הגבישית, תיאוריית ההתנפחות של ספיגת המים ותיאוריית הרחבת נפח השלב המוצק.

2.1 חומרים מרחיבים על בסיס סידן סולפואלומינאט

השפעת ההתרחבות של חומרים מרחיבים המבוססים על סידן sulfoaluminate מושגת בעיקר באמצעות היווצרות של סידן ettringite (C3A-3CaSO4-32H2O) במהלך הידרציה. מחקרים קיימים מצביעים על כך שההשפעה המשולבת של לחץ הגדילה הגבישי וכוח ההתפחה של ספיגת המים של אטרינגיט היא הגורם הבסיסי להתפשטות, כאשר נפיחות ספיגת המים היא הגורם הדומיננטי. בהתבסס על תיאוריה זו, תגובת ההידרציה של ettringite דורשת כמות משמעותית של מים, מה שמגביל את היישום שלו בבטון בעל חוזק גבוה עם יחסי מים-צמנט נמוכים. בנוסף, בטון המכיל חומרים מרחיבים מבוססי סידן sulfoaluminate דורש בקרת אשפרה קפדנית. אשפרה לא נכונה לא רק לא מצליחה לפצות על הצטמקות אלא גם מגבירה את הסיכון להיסדק. יתר על כן, סידן ettringite יכול להתפרק בסביבות לחות וחמות, להשפיע על חוזק ועמידות. לכן, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לטמפרטורת הסביבה בעת שימוש בחומרים מרחיבים המבוססים על סידן sulfoaluminate בהנדסה.

2.2 חומרים מרחיבים על בסיס תחמוצת סידן

מנגנון ההתפשטות של חומרים מרחיבים מבוססי תחמוצת סידן כרוך בהידרציה של תחמוצת סידן (CaO) ליצירת סידן הידרוקסיד (Ca(OH)2). תהליך זה מגדיל את נפח הפאזה המוצקה, והצטברות מקומית של מוצרי הידרציה מגדילה את נפח הנקבוביות, וכתוצאה מכך הרחבת הנפח של העיסה. בהשוואה לחומרים מרחיבים המבוססים על סידן sulfoaluminate, חומרים מרחיבים על בסיס תחמוצת סידן דורשים פחות מים, יש להם יעילות התפשטות גבוהה יותר, והם חסכוניים יותר, מה שהופך אותם לשימוש נרחב יותר. עם זאת, CaO מגיב בצורה אקסותרמית עם מים, מה שמזיק לשליטה על סדקי הטמפרטורה בבטון. בנוסף, קצב ההידרציה המהיר של CaO מוביל לצריכה משמעותית של התרחבות בשלב הפלסטי של הבטון, מה שהופך אותו לבלתי יעיל לפיצוי על הצטמקות בשלב מאוחר יותר. CaO רגיש גם ללחות סביבתית, ודורש אריזה קפדנית כדי למנוע ספיגת לחות, מה שיכול להפחית את יעילות ההתפשטות שלו. יתר על כן, Ca(OH)2 מסיס תחת לחצי מים מסוימים, ולכן נדרשת זהירות בעת שימוש בחומרים מרחיבים מבוססי תחמוצת סידן בפרויקטים של בנייה תת-מימית.

2.3 חומרים מרחיבים על בסיס מגנזיום אוקסיד

השפעת ההתרחבות של חומרים מרחיבים מבוססי תחמוצת מגנזיום מתרחשת באמצעות הידרציה של תחמוצת מגנזיום (MgO) ליצירת מגנזיום הידרוקסיד (Mg(OH)2), כאשר שינוי הנפח מונע על ידי כוח התנפחות ספיגת המים של Mg(OH)2 ב. השלבים המוקדמים של הידרציה ולחץ הצמיחה הגבישי של Mg(OH)2 בשלבים המאוחרים יותר. מחקרים נרחבים ויישומים הנדסיים הראו כי חומרים מרחיבים מבוססי תחמוצת מגנזיום מציגים התרחבות מושהית ומחזור התפשטות ארוך, שיכולים לפצות ביעילות על הצטמקות הטמפרטורה במהלך התכווצות הקירור והייבוש. התכונות המכניות שלהם יציבות, והם דורשים פחות מים לצורך הידרציה. לחומרים מרחיבים על בסיס תחמוצת מגנזיום יש גם את היתרונות של מוצרי הידרציה יציבים ותכונות התפשטות מתכווננות, מה שהופך אותם ליישום נרחב בפרויקטי בטון בקנה מידה גדול כמו סכרים. בפועל, יש לקחת בחשבון גורמים כמו דרגת חוזק בטון, ממדים מבניים וסביבת בנייה בעת בחירת חומרים עמידים לסדקים בבטון בעלי ביצועים גבוהים או חומרים מרחיבים תחמוצת מגנזיום עם תגובתיות שונה (סוג R, סוג M, סוג S) לפצות על התכווצות הבטון, ובכך להשיג בקרת סדקים במחזור מלא ולפשט את אמצעי בקרת הטמפרטורה. עם זאת, יש לשים לב למינון של חומרים מרחיבים המבוססים על תחמוצת מגנזיום, שכן כמויות מוגזמות עלולות לגרום להתפשטות יתר, ולהוביל ליציבות נפח ירודה.

2.4 סוכני מרחיבים מקור הרחבה כפול

חומרים מרחיבים עם מקור התפשטות כפול הנפוצים בשוק כוללים חומרים מרחיבים מבוססי סידן סולפאלומינאט-תחמוצת סידן (כגון HCSA, CSA, FQY וכו') וחומרים מרחיבים סידן-מגנזיום.

חומרים מרחיבים על בסיס סידן סולפואלומינאט-תחמוצת סידן: מקורות ההתפשטות של חומרים אלה הם ettringite ו- Ca(OH)2. כאשר משתמשים בחומרים אלו בבטון, Ca(OH)2 מפצה על הצטמקות מוקדמת, בעוד ש-ettringite מפצה על הצטמקות בשלבים מאוחרים יותר. ההתרחבות ממקורות אלו מתרחשת בשלבים שונים, ומשיגה אפקט פיצוי הצטמקות יעיל. בהשוואה לחומרי הרחבה חד-פעמיים, לחומרים מרחיבים המבוססים על סידן סולפאלומינאט-תחמוצת סידן יש יתרונות של התרחבות גדולה יותר, ביקוש נמוך יותר למים ותקופת התרחבות יציבה מוקדמת יותר. הם נמצאים בשימוש נרחב בפרויקטים כגון מבני בטון אטומים למים ובנייה חלקה של מבנים סופר ארוכים.

חומרים מרחיבים של סידן-מגנזיום: חומרים אלה מיוצרים על ידי שילוב של תחמוצת מגנזיום שנשרפה קלה עם תחמוצת סידן, עם מקורות התפשטות מ-Ca(OH)2 ו-Mg(OH)2. קצב ההתפשטות של חומרים מרוכבים אלה מותאם על ידי קצב ההידרציה המהיר יותר של תחמוצת סידן וקצב ההידרציה האיטי יותר של תחמוצת מגנזיום. התאמה זו מאפשרת פיצוי מבוים במחזור מלא של התכווצות הבטון. יתר על כן, חומרים מרחיבים סידן-מגנזיום מתגברים על רגישות הטמפרטורה של חומרים מרחיבים מבוססי תחמוצת סידן בודדים, מה שהופך אותם למתאימים לפרויקטים עם דרישות בקרת טמפרטורה פחות מחמירות.