17.5.2 Hydration och mikrostruktur

Tillägg av SAP har stora effekter på betongens hydrationsprocess och mikrostrukturutveckling. Detta sker på grund av ett antal orsaker. För det första kan den initiala SAP-absorptionen förändra det effektiva w/b-värdet och de tidiga hydreringsegenskaperna. För det andra främjar den efterföljande frisättningen av vatten från SAP ytterligare hydrering av cement, vilket ger upphov till ytterligare hydreringsprodukter och porförfining. För det tredje lämnar det torkade och kollapsade SAP kvar makroporer som är utspridda i hela den härdade cementpastan, vilket förändrar den totala porositeten och storleksfördelningen beroende på SAP-doseringen. Det inducerar också ett gränssnitt mellan SAP och cementpastamatrisen med unika mikrostrukturegenskaper som kan få viktiga konsekvenser.

Mechtcherine et al. (2014) och Justs et al. (2014) observerade att SAP orsakade en liten fördröjning av tidig hydrering, medan Hasholt och Jensen (2015) rapporterade en mild accelererande effekt. I dessa fall tillsattes extra vatten för att kompensera för SAP-absorptionen i den färska blandningen. Trots detta är de flesta studier överens om att SAP ökar hydreringsgraden vid senare åldrar, särskilt från 14 dagar och framåt, på grund av det extra vatten som görs tillgängligt för att reagera med cement (t.ex. Igarashi och Watanabe, 2006; Lura et al., 2006; Justs et al., 2014). Dessutom verkar den mer långsiktiga hydreringen styras av den totala w/b-kvoten snarare än den initiala effektiva w/b-kvoten (Justs et al., 2014; Reinhardt och Assmann, 2014; Hasholt och Jensen, 2015). Med andra ord beror den slutliga graden av hydrering på det totala vatten som finns tillgängligt i systemet, oberoende av att en del av det var medtagen i SAP vid tidiga åldrar.

Den förbättrade hydreringen i system som innehåller SAP bör leda till en minskning av den kapillära porositeten och en förfining av porstorleksfördelningen, särskilt vid senare åldrar. Resultaten från tillgängliga studier är dock inte helt samstämmiga. Detta beror på att nettoeffekten på porstrukturen beror på ett antal faktorer, bland annat SAP-dosering och absorptionsförmåga, w/b-förhållande och huruvida extra vatten tillsattes under satsningen för att kompensera SAP-absorptionen eller inte. Minskningen av den kapillära porositeten till följd av förbättrad hydrering (intern härdning) eller minskningen av det effektiva w/b-förhållandet på grund av SAP-absorptionen kan vara tillräcklig eller otillräcklig för att motverka ökningen av porositeten till följd av bildandet av makroporositeter. Nettoeffekten beror också på w/b-kvoten eftersom intern härdning endast är fördelaktig för system med mycket låg w/b-kvot. Detta belyser de motverkande effekterna av SAP på mikrostrukturen. Osäkerheterna i uppskattningen av SAP-absorptionen i cementmaterial, som diskuteras i avsnitt 17.4.3, komplicerar denna fråga ytterligare.

I vissa studier med hjälp av porosimetri med kvicksilverinträngning har man till exempel funnit högre total porositet i murbruk och betong som innehåller SAP och medföljande vatten. Detta tillskrevs de makrohålor som bildas när SAP torkar (Mönnig, 2005; Mechtcherine et al., 2009). En lägre total porositet observerades dock i system utan medföljande vatten (Mönnig, 2005; Igarashi och Watanabe, 2006), förmodligen på grund av att den effektiva w/b-kvoten minskade genom SAP-absorptionen. Med hjälp av röntgentomografi observerade Lura et al. (2008) en minskning av små kapillära porer på grund av de extra hydreringsprodukterna från intern härdning och en minskning av mikrosprickor orsakade av autogen krympning. Snoeck et al. (2015) observerade med hjälp av vattenångsorption att cementpastor med SAP och utan medföljande vatten uppvisade en liten minskning av mikro- (<2 nm) och mesoporerna (2-50 nm). Cementmassor med SAP och medföljande vatten visade ingen signifikant förändring i mikroporerna, men en liten ökning i de större mesoporerna. Beushausen et al. (2014) fann inte heller någon signifikant effekt av SAP på porositeten, vilket tyder på att det högre initiala tomrum som SAP skapar uppvägs av en förbättrad mikrostruktur från intern härdning.

Fig. 17.4 visar några exempel på bakåtspridda elektronbilder av pastor, murbruk och betong som innehåller SAP. Man kan se att SAP-partiklarna och makropartiklarna är isolerade och väl fördelade i den härdade cementpastan. Makroporerna varierar från ~10 till mer än 500 μm, beroende på den torra SAP:s ursprungliga storlek och svällning (Lam, 2005; Lee et al., 2010a,b,c, 2016). Gränsen för makrohålorna tenderar att följa den torra SAP:s ursprungliga form, vilket också observerats med röntgentomografi (Lura et al., 2008). Den kollapsade SAP-partikeln kan framstå som en fast, porös/cellulär eller smal ringformad partikel. Vissa prover uppvisar en lucka mellan pasta och SAP på grund av krympning (Lam, 2005), medan en god bindning bibehålls i prover som innehåller suspensionspolymeriserad SAP med grov textur och större yta (Lee et al., 2010a,b,c), vilket framgår t.ex. av fig. 17.4F. Ibland innehåller makrohålorna kalciumhydroxidutfällningar eller små cementkorn som senare har reagerat för att bilda hydreringsprodukter i vattenreservoaren och fyllt upp det utrymme som ursprungligen upptagits av den svullna SAP (Fig. 17.4D-F).

Cementpastan som omger SAP uppvisar en mycket varierande mikrostruktur och har liknande egenskaper som aggregat-pastans ”gränssnitts-övergångszon” och gränssnittet mellan lufthål och pasta (Scrivener et al, 2004; Wong och Buenfeld, 2006; Wong et al., 2011). Gränssnittet innehåller mindre cement jämfört med masspastan längre bort, på grund av den störda partikelpackningen. Det tenderar också att vara mycket poröst och innehåller ibland stora kalciumhydroxidavlagringar (fig. 17.4C,D). Dessa egenskaper kan tillskrivas den höga vattenhalten på ytan av den svullna SAP, eller möjligen det tidiga frisläppandet av absorberat vatten till den omgivande pastan som orsakar preferentiell utfällning. Krympning av SAP när det torkar kan leda till mikrosprickor i den omgivande cementpastan (Lee et al., 2010a,b,c), men den fukt som frigörs av SAP förväntas främja ytterligare hydrering och mikrostrukturutveckling i den omgivande pastan. I murbruk och betong är SAP-hålrummen av sandkorns storlek och de kan sträcka sig mellan aggregatpartiklar (Lee et al., 2016), t.ex. fig. 17.4B.