17.5.2 Hydratatie en microstructuur

Toevoeging van SAP heeft grote effecten op het hydratatieproces en de microstructuurontwikkeling van beton. Dit heeft een aantal oorzaken. Ten eerste kan de initiële absorptie van SAP de effectieve w/b-verhouding en de vroege hydratatiekarakteristieken wijzigen. Ten tweede bevordert het vrijkomen van water uit het SAP de verdere hydratatie van cement, waardoor extra hydratatieproducten ontstaan en de poriën zich verfijnen. Ten derde laat het opgedroogde en bezweken SAP macroholtes achter in de uitgeharde cementpasta, waardoor de totale porositeit en de grootteverdeling veranderen, afhankelijk van de SAP-dosering. Het induceert ook een interface tussen SAP en cementpasta-matrix met unieke microstructuurkenmerken die belangrijke gevolgen kunnen hebben.

Mechtcherine et al. (2014) en Justs et al. (2014) constateerden dat SAP een lichte vertraging in de vroege hydratatie veroorzaakte, terwijl Hasholt en Jensen (2015) een mild versnellend effect meldden. In deze gevallen werd extra water toegevoegd om de SAP-absorptie in het verse mengsel te compenseren. Niettemin zijn de meeste studies het erover eens dat SAP de mate van hydratatie op latere leeftijden verhoogt, met name vanaf 14 dagen, als gevolg van het extra water dat beschikbaar komt om te reageren met cement (bijv. Igarashi en Watanabe, 2006; Lura et al., 2006; Justs et al., 2014). Bovendien blijkt de hydratatie op langere termijn eerder te worden gecontroleerd door de totale w/b-verhouding dan door de initiële effectieve w/b-verhouding (Justs et al., 2014; Reinhardt en Assmann, 2014; Hasholt en Jensen, 2015). Met andere woorden, de uiteindelijke mate van hydratatie hangt af van het totale beschikbare water in het systeem, ongeacht het feit dat een deel ervan op vroege leeftijden in SAP werd ingesloten.

De verbeterde hydratatie in systemen die SAP bevatten, zou moeten leiden tot een vermindering van de capillaire porositeit en verfijning van de poriegrootteverdeling, vooral op latere leeftijden. De bevindingen van de beschikbare studies zijn echter niet volledig met elkaar in overeenstemming. Dit komt omdat het netto-effect op de poriënstructuur afhangt van een aantal factoren, waaronder de SAP-dosering en -absorptiecapaciteit, de w/b-verhouding, en het al dan niet toevoegen van extra water tijdens de bereiding om de SAP-absorptie te compenseren. De vermindering van de capillaire porositeit als gevolg van verbeterde hydratatie (interne uitharding) of de afname van de effectieve w/b-verhouding als gevolg van SAP-absorptie kan al dan niet voldoende zijn om de toename van de porositeit als gevolg van de vorming van macro-vides tegen te gaan. Het netto-effect hangt ook af van de w/b-verhouding, omdat interne uitharding alleen gunstig is voor systemen met een zeer lage w/b-verhouding. Hieruit blijkt het tegenwerkende effect van SAP op de microstructuur. De onzekerheden bij het schatten van de SAP-absorptie in cementgebonden materialen, zoals besproken in paragraaf 17.4.3, bemoeilijken deze kwestie nog meer.

In sommige studies met kwikintrusieporeosimetrie werd bijvoorbeeld een hogere totale porositeit gevonden in mortels en betonsoorten die SAP en ingesloten water bevatten. Dit werd toegeschreven aan de macroholtes die zich vormen wanneer het SAP droogt (Mönnig, 2005; Mechtcherine et al., 2009). Er werd echter een lagere totale porositeit waargenomen in systemen zonder ingesloten water (Mönnig, 2005; Igarashi en Watanabe, 2006), vermoedelijk omdat de effectieve w/b-verhouding door SAP-absorptie werd verlaagd. Lura et al. (2008) hebben met röntgentomografie een vermindering van kleine capillaire poriën waargenomen als gevolg van de extra hydratatieproducten van interne uitharding en een vermindering van microcracking veroorzaakt door autogene krimp. Met behulp van waterdamp sorptie, Snoeck et al. (2015) waargenomen dat cement pasta’s met SAP en geen ingesloten water een lichte daling in micro (<2 nm) en mesopore (2-50 nm) bereik vertoonden. Cementpasta’s met SAP en ingesloten water vertoonden geen significante verandering in het microporiën bereik, maar een lichte toename in het grotere mesoporiën bereik. Beushausen et al. (2014) vonden ook geen significant effect van SAP op de porositeit, wat suggereert dat de hogere initiële leegte die door SAP wordt gecreëerd, wordt gecompenseerd door een verbeterde microstructuur door interne uitharding.

Fig. 17.4 toont enkele voorbeelden van backscattered electron images van pasta’s, mortels, en betonsoorten die SAP bevatten. Het is te zien dat de SAP-deeltjes en macro-holtes geïsoleerd en goed verdeeld zijn in de uitgeharde cementpasta. De macroleemtes variëren van ~10 tot meer dan 500 μm, afhankelijk van de initiële grootte van het droge SAP en de zwelling (Lam, 2005; Lee et al., 2010a,b,c, 2016). De begrenzing van de macroholtes heeft de neiging de oorspronkelijke vorm van het droge SAP te volgen, zoals ook waargenomen met röntgentomografie (Lura et al., 2008). Het ingestorte SAP-deeltje kan verschijnen als een massief, poreus/cellulair of smal ringvormig deeltje. Sommige monsters vertonen een spleet tussen pasta en SAP als gevolg van krimp (Lam, 2005), terwijl een goede hechting behouden blijft in monsters die suspensie gepolymeriseerd SAP met ruwe textuur en hoger oppervlak bevatten (Lee et al., 2010a,b,c), zoals bijvoorbeeld te zien is in Fig. 17.4F. Soms bevatten de macroleemtes calciumhydroxide precipitaten of kleine cementkorrels die vervolgens hebben gereageerd om hydratatieproducten te vormen in het waterreservoir, waardoor de ruimte die oorspronkelijk werd ingenomen door het gezwollen SAP is opgevuld (Fig. 17.4D-F).

De cementpasta die SAP omringt vertoont een zeer variabele microstructuur en heeft vergelijkbare kenmerken als de aggregaat-pasta “interfacial-transition zone” en luchtleemte-pasta interface (Scrivener et al., 2004; Wong en Buenfeld, 2006; Wong et al., 2011). Het grensvlak bevat minder cement in vergelijking met de bulkpasta verder weg, als gevolg van een verstoorde pakking van de deeltjes. Het heeft ook de neiging zeer poreus te zijn en bevat soms grote calciumhydroxideafzettingen (Fig. 17.4C,D). Deze kenmerken kunnen worden toegeschreven aan het hoge watergehalte aan het oppervlak van het gezwollen SAP, of mogelijk aan het vroegtijdig vrijkomen van geabsorbeerd water in de omringende pasta waardoor bij voorkeur neerslag optreedt. Krimp van het SAP wanneer het droogt kan leiden tot microcracking van de omringende cementpasta (Lee et al., 2010a,b,c), maar het vocht dat vrijkomt door het SAP zal naar verwachting verdere hydratatie en microstructuurontwikkeling in de omringende pasta bevorderen. In mortels en betonspecie hebben de SAP-ruimten de grootte van zandkorrels en kunnen ze zich overspannen tussen aggregaatdeeltjes (Lee et al., 2016), bijvoorbeeld Fig. 17.4B.