17.5.2 Hydrataatio ja mikrorakenne

SAP:n lisäämisellä on merkittäviä vaikutuksia betonin hydrataatioprosessiin ja mikrorakenteen kehittymiseen. Tämä tapahtuu useista syistä. Ensinnäkin SAP:n alkuvaiheen imeytyminen voi muuttaa tehollista w/b-suhdetta ja varhaisen hydrataation ominaisuuksia. Toiseksi SAP:sta myöhemmin vapautuva vesi edistää sementin lisähydrataatiota, jolloin syntyy uusia hydrataatiotuotteita ja huokoset hienontuvat. Kolmanneksi kuivunut ja romahtanut SAP jättää jälkeensä makrohuokosia, jotka ovat hajallaan koko kovettuneessa sementtimassassa, ja tämä muuttaa kokonaishuokoisuutta ja kokojakaumaa SAP:n annostuksesta riippuen. Se aiheuttaa myös rajapinnan SAP:n ja sementtimassamatriisin välille, jolla on ainutlaatuisia mikrorakenneominaisuuksia, joilla voi olla merkittäviä seurauksia.

Mechtcherine et al. (2014) ja Justs et al. (2014) havaitsivat SAP:n aiheuttavan pientä viivettä varhaiseen hydrataatioon, kun taas Hasholt ja Jensen (2015) raportoivat lievästä nopeuttavasta vaikutuksesta. Näissä tapauksissa lisättiin lisävettä kompensoimaan SAP:n imeytymistä tuoreeseen seokseen. Useimmat tutkimukset ovat kuitenkin yhtä mieltä siitä, että SAP lisää hydrataatioastetta myöhemmissä ikävaiheissa, erityisesti 14 vuorokaudesta eteenpäin, johtuen lisävedestä, joka on tullut saataville reagoimaan sementin kanssa (esim. Igarashi ja Watanabe, 2006; Lura et al., 2006; Justs et al., 2014). Lisäksi pidemmän aikavälin hydrataatiota näyttää ohjaavan pikemminkin kokonais-w/b-suhde kuin alkuperäinen tehokas w/b-suhde (Justs et al., 2014; Reinhardt ja Assmann, 2014; Hasholt ja Jensen, 2015). Toisin sanoen lopullinen hydrataatioaste riippuu systeemissä käytettävissä olevasta kokonaisvedestä riippumatta siitä, että osa siitä oli mukana SAP:ssa varhaisessa iässä.

Parantuneen hydrataation SAP:a sisältävissä systeemeissä pitäisi johtaa kapillaarihuokoisuuden pienenemiseen ja huokoskokojakauman hienosäätöön erityisesti myöhemmissä ikävaiheissa. Käytettävissä olevien tutkimusten tulokset eivät kuitenkaan ole täysin yhteneväisiä. Tämä johtuu siitä, että huokosrakenteeseen kohdistuva nettovaikutus riippuu useista tekijöistä, kuten SAP:n annostelusta ja imeytymiskyvystä, w/b-suhteesta ja siitä, lisättiinkö panostuksen aikana lisävettä SAP:n imeytymisen kompensoimiseksi vai ei. Kapillaarihuokoisuuden pieneneminen parantuneen hydratoitumisen (sisäisen kovettumisen) tai SAP:n imeytymisestä johtuvan tehokkaan w/b-suhteen pienenemisen seurauksena voi riittää tai olla riittämätön kompensoimaan makrohuokosten muodostumisesta johtuvaa huokoisuuden kasvua. Nettovaikutus riippuu myös w/b-suhteesta, koska sisäinen kovettuminen on hyödyllistä vain järjestelmissä, joiden w/b-suhde on hyvin alhainen. Tämä korostaa SAP:n vastakkaisia vaikutuksia mikrorakenteeseen. Kohdassa 17.4.3 käsitellyt epävarmuustekijät SAP:n imeytymisen arvioinnissa sementtimateriaaleissa mutkistavat asiaa entisestään.

Joissain tutkimuksissa, joissa käytettiin esimerkiksi elohopeaintruusiohuokosimetriaa, havaittiin, että SAP:ta ja mukana kulkeutunutta vettä sisältävien laastien ja betonien kokonaishuokoisuus oli suurempi. Tämä johtui SAP:n kuivuessa muodostuvista makrohuokosista (Mönnig, 2005; Mechtcherine et al., 2009). Kokonaishuokoisuus oli kuitenkin alhaisempi järjestelmissä, joissa ei ollut mukana vettä (Mönnig, 2005; Igarashi ja Watanabe, 2006), mikä johtui oletettavasti siitä, että SAP:n imeytyminen pienensi tehokasta w/b-suhdetta. Lura et al. (2008) havaitsivat röntgentomografian avulla pienten kapillaarihuokosten vähenemisen, joka johtui sisäisen kovettumisen aiheuttamista ylimääräisistä hydrataatiotuotteista, ja autogeenisen kutistumisen aiheuttaman mikrosäröilyn vähenemisen. Käyttämällä vesihöyrysorptiota Snoeck et al. (2015) havaitsivat, että sementtimassat, joissa oli SAP:ta ja joissa ei ollut mukana kulkeutunutta vettä, osoittivat pientä vähenemistä mikro- (<2 nm) ja mesohuokosten (2-50 nm) alueella. Sementtipastat, joissa oli SAP:ta ja mukana kulkeutuvaa vettä, eivät osoittaneet merkittävää muutosta mikrohuokosalueella, mutta pientä kasvua suuremmalla mesohuokosalueella. Beushausen et al. (2014) eivät myöskään havainneet SAP:n merkittävää vaikutusta huokoisuuteen, mikä viittaa siihen, että SAP:n synnyttämä suurempi alkutyhjiö kompensoituu sisäisestä kovettumisesta johtuvalla paremmalla mikrorakenteella.

Kuvassa 17.4 on esimerkkejä SAP:a sisältävien pastojen, laastien ja betonien takaisinsironneista elektronikuvista. Voidaan nähdä, että SAP-hiukkaset ja makrotyhjiöt ovat eristettyjä ja hyvin jakautuneita kovettuneessa sementtimassassa. Makrotyhjiöt vaihtelevat ~10:stä yli 500 μm:iin riippuen kuivan SAP:n alkuperäisestä koosta ja turvotuksesta (Lam, 2005; Lee et al., 2010a,b,c, 2016). Makrotyhjiöiden rajalla on taipumus seurata kuivan SAP:n alkuperäistä muotoa, kuten on havaittu myös röntgentomografialla (Lura et al., 2008). Sortunut SAP-hiukkanen voi näyttäytyä kiinteänä, huokoisena/soluisena tai kapeana rengasmaisena hiukkasena. Joissakin näytteissä pastan ja SAP:n välillä on kutistumisesta johtuva rako (Lam, 2005), kun taas suspensiopolymeroitua SAP:aa sisältävissä näytteissä, joilla on karkea rakenne ja suurempi pinta-ala, sidos säilyy hyvänä (Lee et al., 2010a,b,c), kuten esimerkiksi kuvassa 17.4F nähdään. Toisinaan makrotyhjät tilat sisältävät kalsiumhydroksidisaostumia tai pieniä sementtirakeita, jotka ovat sittemmin reagoineet muodostaen hydrataatiotuotteita vesivarastossa ja täyttäneet alun perin turvonneen SAP:n alun perin valtaaman tilan (Kuva 17.4D-F).

Sementtimassaa ympäröivällä SAP:lla on hyvin vaihteleva mikrorakenne, ja se on ominaisuuksiltaan samanlainen kuin kiviaineksen ja massan välinen ”rajapinnan siirtymävyöhyke” ja ilmatyhjät tilat massan ja massan välisellä rajapinnalla (Scrivener et al., 2004; Wong ja Buenfeld, 2006; Wong et al., 2011). Rajapinnassa on vähemmän sementtiä verrattuna kauempana olevaan massatahnaan, mikä johtuu häiriintyneestä partikkelipakkauksesta. Se on myös yleensä hyvin huokoinen ja sisältää toisinaan suuria kalsiumhydroksidikerrostumia (kuva 17.4C,D). Nämä piirteet voivat johtua turvonneen SAP:n pinnan korkeasta vesipitoisuudesta tai mahdollisesti imeytyneen veden varhaisesta vapautumisesta ympäröivään tahnaan, mikä aiheuttaa etupainotteista saostumista. SAP:n kutistuminen sen kuivuessa voi johtaa ympäröivän sementtimassan mikrohalkeiluun (Lee et al., 2010a,b,c), mutta SAP:sta vapautuvan kosteuden odotetaan edistävän ympäröivän massan hydrataatiota ja mikrorakenteen kehittymistä edelleen. Laasteissa ja betoneissa SAP:n ontelot ovat hiekkarakeiden kokoisia ja ne voivat ulottua kiviainespartikkelien väliin (Lee et al., 2016), esim. kuva 17.4B.

.