17.5.2 Hydratacja i mikrostruktura

Dodatek SAP ma istotny wpływ na proces hydratacji i rozwój mikrostruktury betonu. Dzieje się tak z kilku powodów. Po pierwsze, początkowa absorpcja SAP może zmienić efektywny współczynnik w/b i wczesną charakterystykę hydratacji. Po drugie, późniejsze uwalnianie wody z SAP sprzyja dalszej hydratacji cementu, wytwarzaniu dodatkowych produktów hydratacji i uszlachetnianiu porów. Po trzecie, wysuszony i zapadnięty SAP pozostawia po sobie makro pustki rozproszone w stwardniałej masie cementowej, co zmienia całkowitą porowatość i rozkład wielkości porów, w zależności od dawki SAP. Indukuje to również interfejs pomiędzy SAP a matrycą pasty cementowej o unikalnych cechach mikrostruktury, które mogą mieć istotne konsekwencje.

Mechtcherine i wsp. (2014) oraz Justs i wsp. (2014) zaobserwowali, że SAP powodował niewielkie opóźnienie wczesnej hydratacji, natomiast Hasholt i Jensen (2015) odnotowali łagodny efekt przyspieszający. W tych przypadkach dodawano dodatkową ilość wody, aby skompensować absorpcję SAP w świeżej mieszance. Niemniej jednak, większość badań zgadza się, że SAP zwiększa stopień hydratacji w późniejszym wieku, szczególnie od 14 dnia, ze względu na dodatkową wodę udostępnioną do reakcji z cementem (np. Igarashi i Watanabe, 2006; Lura i in., 2006; Justs i in., 2014). Ponadto, długoterminowa hydratacja wydaje się być kontrolowana raczej przez całkowity stosunek w/b niż początkowy efektywny stosunek w/b (Justs i in., 2014; Reinhardt i Assmann, 2014; Hasholt i Jensen, 2015). Innymi słowy, ostateczny stopień hydratacji zależy od całkowitej wody dostępnej w systemie, niezależnie od tego, że jej część została uwięziona w SAP we wczesnym wieku.

Poprawa hydratacji w systemach zawierających SAP powinna prowadzić do zmniejszenia porowatości kapilarnej i uściślenia rozkładu wielkości porów, szczególnie w późniejszym wieku. Jednak wyniki dostępnych badań nie są w pełni zgodne. Wynika to z faktu, że wpływ netto na strukturę porów zależy od wielu czynników, w tym od dawki i zdolności absorpcyjnej SAP, stosunku w/b oraz od tego, czy podczas dozowania dodano dodatkową ilość wody w celu skompensowania absorpcji SAP. Zmniejszenie porowatości kapilarnej w wyniku lepszego uwodnienia (utwardzanie wewnętrzne) lub zmniejszenie efektywnego stosunku w/b z powodu absorpcji SAP może, ale nie musi być wystarczające, aby przeciwdziałać wzrostowi porowatości spowodowanej tworzeniem się makroporowatości. Efekt netto zależy również od współczynnika w/b, ponieważ utwardzanie wewnętrzne jest korzystne tylko w przypadku systemów o bardzo niskim współczynniku w/b. Podkreśla to przeciwdziałający wpływ SAP na mikrostrukturę. Niepewność w szacowaniu absorpcji SAP w materiałach cementowych, omówiona w punkcie 17.4.3, dodatkowo komplikuje to zagadnienie.

Na przykład, w niektórych badaniach wykorzystujących porozymetrię rtęciową stwierdzono wyższą porowatość całkowitą w zaprawach i betonach zawierających SAP i porwaną wodę. Przypisywano to makropustkom, które tworzą się, gdy SAP wysycha (Mönnig, 2005; Mechtcherine i in., 2009). Jednakże zaobserwowano niższą porowatość całkowitą w systemach bez porywanej wody (Mönnig, 2005; Igarashi i Watanabe, 2006), przypuszczalnie dlatego, że efektywny stosunek w/b został zmniejszony przez absorpcję SAP. Stosując tomografię rentgenowską, Lura et al. (2008) zaobserwowali zmniejszenie liczby małych porów kapilarnych spowodowane dodatkowymi produktami hydratacji powstającymi podczas utwardzania wewnętrznego oraz redukcję mikropęknięć spowodowanych skurczem autogenicznym. Wykorzystując sorpcję pary wodnej, Snoeck i wsp. (2015) zaobserwowali, że pasty cementowe z SAP i bez wody porującej wykazywały nieznaczne zmniejszenie zakresu mikro (<2 nm) i mezoporów (2-50 nm). Pasty cementowe z SAP i wodą porywaną nie wykazały istotnych zmian w zakresie mikroporów, ale nieznaczny wzrost w zakresie większych mezoporów. Beushausen i wsp. (2014) również nie stwierdzili znaczącego wpływu SAP na porowatość, co sugeruje, że wyższa początkowa pustka tworzona przez SAP jest równoważona przez ulepszoną mikrostrukturę z wewnętrznego utwardzania.

Rys. 17.4 przedstawia kilka przykładów obrazów elektronów wstecznie rozproszonych past, zapraw i betonów zawierających SAP. Można zauważyć, że cząstki SAP i makro pustki są odizolowane i dobrze rozłożone w stwardniałej paście cementowej. Makropustki mają rozmiar od ~10 do ponad 500 μm, w zależności od początkowego rozmiaru suchego SAP i pęcznienia (Lam, 2005; Lee i in., 2010a,b,c, 2016). Granice makropustek mają tendencję do podążania za pierwotnym kształtem suchego SAP, co zaobserwowano również za pomocą tomografii rentgenowskiej (Lura i in., 2008). Załamana cząstka SAP może występować jako lita, porowata/komórkowa lub wąska cząstka w kształcie pierścienia. Niektóre próbki wykazują szczelinę pomiędzy pastą a SAP z powodu skurczu (Lam, 2005), podczas gdy dobre wiązanie jest zachowane w próbkach zawierających suspensyjny polimeryzowany SAP o szorstkiej teksturze i większej powierzchni (Lee i in., 2010a,b,c), jak widać np. na Rys. 17.4F. Czasami makro puste przestrzenie zawierają wytrącenia wodorotlenku wapnia lub małe ziarna cementu, które następnie weszły w reakcję tworząc produkty hydratacji w zbiorniku wodnym, wypełniając przestrzeń pierwotnie zajmowaną przez spęczniały SAP (Rys. 17.4D-F).

Pasta cementowa otaczająca SAP wykazuje wysoce zmienną mikrostrukturę i posiada podobne właściwości jak kruszywo-pasta „strefa przejściowa” oraz interfejs pustka powietrzna-pasta (Scrivener i in., 2004; Wong i Buenfeld, 2006; Wong i in., 2011). Ze względu na zaburzone upakowanie cząstek, strefa styku zawiera mniej cementu w porównaniu z masą pasty położoną dalej. Jest on również bardzo porowaty i czasami zawiera duże złogi wodorotlenku wapnia (Rys. 17.4C,D). Cechy te można przypisać wysokiej zawartości wody na powierzchni spęczniałego SAP, lub być może wczesnemu uwalnianiu zaabsorbowanej wody do otaczającej pasty, co powoduje preferencyjne wytrącanie. Kurczenie się SAP podczas wysychania może prowadzić do mikropęknięć otaczającej pasty cementowej (Lee i in., 2010a,b,c), ale oczekuje się, że wilgoć uwolniona przez SAP będzie promować dalszą hydratację i rozwój mikrostruktury w otaczającej paście. W zaprawach i betonach, pustki SAP mają wielkość ziaren piasku i mogą rozciągać się pomiędzy cząstkami kruszywa (Lee i in., 2016), np. Rys. 17.4B.