Spomaľovacie a urýchľovacie prísady do betónov

Prísady do betónov sú látky, ktoré sa do nich pridávajú v malom množstve s cieľom ovplyvniť vlastnosti čerstvého alebo zatvrdnutého betónu. Na kompenzáciu vplyvu vyššej teploty, ktorá skracuje čas tuhnutia, alebo na zamedzenie vzniku komplikácií, ak sa predlžuje čas medzi miešaním a ukladaním betónu, sa používajú spomaľovacie prísady. S cieľom urýchliť hydratáciu cementu, skrátiť čas tuhnutia cementu a vo väčšine prípadov aj urýchliť vývin začiatočných pevností sa zasa používajú urýchľovacie prísady.

Spomaľovacie prísady
Používajú sa všade tam, kde treba kompenzovať vplyv vyššej teploty, skracujúcej čas tuhnutia, alebo zamedziť komplikáciám, ak sa predlžuje čas medzi miešaním a ukladaním čerstvého betónu. Používajú sa aj pri výrobe vymývaných betónov. Predĺženie plastického stavu sa využíva aj pri ukladaní väčšieho množstva betónu. Zamedzuje sa tým nedokonalé spojenie vrstiev betónu nasledujúcich po sebe a veľké ohriatie masívnych konštrukcií vplyvom hydratačného tepla cementu. To by mohlo viesť v dôsledku veľkých teplotných dilatácií k vzniku trhlín. Použitím spomaľovačov tuhnutia cementu sa tiež zmenšuje riziko tvorby trhlín pri nedostatočnom ošetrovaní betónu alebo nedostatočnom chránení betónových konštrukcií proti rýchlemu vysychaniu.

Spomaľovacie prísady sa vyrábajú na báze lignosulfónových kyselín a ich solí, hydroxykarboxylových kyselín a ich solí, cukrov a ich derivátov alebo anorganických solí. Spomaľovacie prísady na báze lignosulfónových alebo hydroxykarboxylových kyselín a ich solí majú aj plastifikačné vlastnosti, a preto ich možno zaradiť medzi spomaľovacie i plastifikačné prísady. Niektoré anorganické soli, ako napr. boritany, fosforečnany, zinočnaté alebo olovnaté soli, sú účinnými spomaľovačmi, ale ich pôsobenie sa ťažko reguluje a sú drahé.

Norma STN EN 934-2 predpisuje pre prísady spomaľujúce tuhnutie betónu pri jeho konštantnej konzistencii, aby obsah vzduchu v skúšobnej vzorke čerstvého betónu prevyšoval obsah vzduchu v kontrolnej vzorke maximálne o 2 objemové percentá, aby skúšobná vzorka začala tuhnúť maximálne o 90 minút neskôr ako kontrolná vzorka a tuhnutie čerstvého betónu sa skončilo maximálne o 360 minút neskôr ako tuhnutie kontrolného betónu. Pevnosť v tlaku skúšobnej vzorky betónu musí po 7 dňoch dosiahnuť minimálne 80 % pevnosti kontrolného betónu a po 28 dňoch minimálne 90 % pevnosti kontrolného betónu.

Pôsobenie spomaľovacích prísad
Ak majú spomaľovacie prísady účinne ovplyvniť (spomaliť) tuhnutie betónu, musia spomaliť tuhnutie alitu (C₃S), ktorého je v obyčajnom portlandskom cemente najviac, a tuhnutie C₃A, ktorý tuhne zo všetkých slinkových minerálov najrýchlejšie. 

Spomaľovacie prísady na báze organických kyselín a ich solí sa adsorbujú na povrch C₃S a spomaľujú začiatočnú rýchlosť hydratácie predĺžením priebehu reakcií v prvých hodinách hydratácie (predlžujú indukčnú periódu). Predlžujú teda čas tuhnutia portlandského cementu. Následná hydratácia môže byť rýchla, takže vývin pevnosti nemusí byť výrazne pomalší ako v prípade, keď sa prísada nepoužila. Silnú retardačnú schopnosť má napr. kyselina maleinová, glycerová a vínna. Anorganické soli nie sú schopné sa silno adsorbovať, hoci aj slabá adsorpcia môže ovplyvniť morfológiu Ca(OH)₂ a jeho kryštalizáciu. Reakciou soli niektorých ťažkých kovov, ako napr. cínu, olova a zinku, s prítomným hydroxidom vápenatým vznikajú nerozpustné hydroxidy týchto kovov. Ich adsorpciou na povrch zŕn cementu sa spomaľuje jeho hydratácia.

Treba si uvedomiť, že vzniknutý film nie je úplne nepriepustný a že hydratácia pomaly pokračuje.
Predĺženie indukčnej periódy je úmerné dávke spomaľovacej prísady. Ak dávka prekročí určitú hranicu, cementová kaša vôbec nezatuhne. Z toho dôvodu treba dávať veľký pozor na predávkovanie, čo platí najmä pre cukry. Prídavkom 0,05 % cukru z hmotnosti cementu sa predĺži tuhnutie približne o 4 hodiny a prídavok 0,2 až 1 % úplne zamedzí zatuhnutie cementu.

Pri pôsobení spomaľovacích prísad na hydratáciu C₃A a ďalších aluminátových fáz prebiehajú zložité procesy. Prísady na báze hydroxykarboxylových kyselín, napr. kyseliny citrónovej alebo glukónovej, sa používajú na usmernenie rýchlosti tuhnutia cementu s regulovaným tuhnutím. Zistilo sa, že začiatočná reakcia medzi C₃A a vodou sa môže urýchliť, ale celková hydratácia sa spomalí a prísada sa môže pri tvorbe hydratačných produktov včleniť do ich štruktúry.

Zo sledovania vzájomných reakcií C₃A a spomaľovacej prísady vyplýva, že:

• spomaľovacia prísada je účinnejšia pri nižšom obsahu C₃A v portlandskom slinku. Pri väčšom obsahu C₃A sa na spomalenie jeho hydratácie spotrebuje viac prísady, v dôsledku čoho jej ostane menej na regulovanie tuhnutia C₃S;
• účinnosť spomaľovacej prísady sa zvýši, ak sa jej dávkovanie posunie o niekoľko minút od začiatku miešania betónu. Na regulovanie tuhnutia sa spotrebuje menšie množstvo prísady, pretože pred jej pridaním už vzniklo určité množstvo hydratačných produktov (obr. 1);
• spomaľovacia prísada môže pri niektorých cementoch spôsobiť rýchle zatuhnutie, ale aj abnormálne spomalenie tuhnutia. V závislosti od množstva SO₃ v cemente sa niektoré cementy aj z toho istého mlyna po pridaní spomaľovacej prísady správali rôzne;
• spomaľovacia prísada môže ovplyvniť správanie rozpínavých cementov, pretože po jej pridaní sa mení rýchlosť tvorby etringitu.
• Keďže spomaľovacie prísady sa často používajú pri zvýšených teplotách, treba poznamenať, že s nárastom teploty sa spomaľovací účinok prísady zmenšuje a niektoré prísady pri vyšších teplotách môžu dokonca účinnosť stratiť (obr. 2).

Účinnosť spomaľovacej prísady sa môže zmeniť pri vyššom obsahu alkálií v cemente. Predpokladá sa, že môžu spôsobiť rozklad prísady. Z toho vyplýva, že pri potrebe použitia spomaľovacej prísady sa odporúča vždy overiť jej kompatibilitu s daným cementom.

Obr. 1: Vplyv posunutého dávkovania spomaľovacej prísady na tuhnutie betónu

Obr. 2: Vplyv teploty na začiatok tuhnutia betónu s rôznymi dávkami spomaľovacej prísady

Vplyv spomaľovacích prísad na vlastnosti betónu
Spomaľovacie prísady často spôsobujú plastifikovanie betónu a jeho prevzdušnenie. Účinnosť spomaľovacej prísady sa zvýši, keď sa prísada pridá niekoľko minút po nadávkovaní zámesovej vody. V závislosti od druhu a množstva prísady sa tuhnutie výrazne predlžuje posunutím jej dávkovania približne o 10 minút (obr. 1).

Použitie spomaľovacích prísad vedie k zníženiu začiatočných (jednodňových) pevností. Ak sa spomaľovacia prísada nepredávkuje, po 7 dňoch býva pevnosť približne rovnaká ako pri betóne bez prísady, zatiaľ čo 28-dňové a dlhodobé pevnosti v tlaku aj pevnosti v ťahu pri ohybe už bývajú vyššie ako pri betóne bez prísady.

Spomaľovacie prísady zvyšujú rýchlosť zmrašťovania a dotvarovania betónu. Veľkosť vplyvu závisí od zloženia betónu, spôsobu a času ošetrovania a zaťažovania. Použitie spomaľovacích prísad však nezvyšuje konečnú hodnotu týchto vlastností.

Urýchľovacie prísady
Ide o látky, ktoré urýchľujú hydratáciu cementu, skracujú čas tuhnutia cementu a vo väčšine prípadov urýchľujú vývin začiatočných pevností. Delia sa na dve základné skupiny:

• prísady urýchľujúce tuhnutie cementu, ktoré ovplyvňujú najmä hydratáciu trikalciumaluminátu C₃A. Obsahujú alkálie, podporujú rozpúšťanie oxidu kremičitého a oxidu hlinitého a bránia reakcii medzi C₃A a sadrovcom;
• prísady urýchľujúce tuhnutie a tvrdnutie cementu, ktoré ovplyvňujú najmä hydratáciu alitu (C₃S), a tým podporujú vývin začiatočných pevností.

Norma STN EN 934-2 predpisuje pre prísady urýchľujúce tuhnutie betónu pri jeho konštantnej konzistencii, aby obsah vzduchu v skúšobnej vzorke čerstvého betónu prevyšoval obsah vzduchu v kontrolnej vzorke maximálne o 2 objemové percentá (ak výrobca nestanoví inak) a aby skúšobná vzorka betónu pri 20 °C začala tuhnúť najskôr po 30 minútach a pri 5 °C najneskôr do 60 % času tuhnutia kontrolného betónu. Pevnosť v tlaku skúšobnej vzorky betónu musí po 28 dňoch dosiahnuť minimálne 80 % pevnosti kontrolného betónu a po 90 dňoch musí byť vyššia ako 28-dňová pevnosť kontrolného betónu.

Prísady urýchľujúce tvrdnutie betónu pri konštantnej konzistencii nesmú zvýšiť obsah vzduchu v skúšobnej vzorke čerstvého betónu o viac ako 2 % oproti kontrolnému betónu (ak výrobca neurčí inak). Pevnosť v tlaku skúšobnej vzorky betónu pri 20 °C musí dosiahnuť po 24 hodinách hodnotu minimálne 120 % pevnosti kontrolného betónu a po 28 dňoch minimálne 90 % pevnosti kontrolného betónu. Pri teplote 5 °C musí skúšobný betón po 48 hodinách dosiahnuť pevnosť predstavujúcu minimálne 130 % pevnosti kontrolného betónu.

Prísady urýchľujúce tuhnutie
Podstatnou zložkou prísad urýchľujúcich tuhnutie sú hydroxidy, uhličitany, hlinitany alebo kremičitany alkalických kovov. V roztoku dávajú silne zásaditú reakciu. Urýchľujú hydratáciu C₃A, pri ktorej sa uvoľňuje značné množstvo tepla a vylučujú sa nerozpustné vápenaté soli. Zvýšená teplota vedie k zrýchleniu hydratácie C₃S, čo sa prejaví zvýšením začiatočných pevností, no obyčajne nevedie k zvýšeniu dlhodobých pevností.
Niektoré soli silných kyselín a slabých zásad (napr. chlorid hlinitý), ktoré urýchľujú hydratáciu alitu, môžu pri vyšších dávkach spôsobiť rýchle tuhnutie. Obyčajne sa zaznamená čiastočný nárast začiatočných pevností.

Prísady urýchľujúce tuhnutie nemajú v praxi široké uplatnenie. Pridávajú sa do cementových kaší alebo mált na utesňovanie suterénov, tunelov, šácht a pod. proti prenikajúcej vode pred vlastnou vodotesnou úpravou.
Dôležité sú pri výrobe striekaného betónu alebo striekanej cementovej malty. Úprava dávky prísady umožňuje meniť čas tuhnutia od niekoľkých sekúnd do niekoľkých minút. Pevnosť zatvrdnutého striekaného betónu alebo malty závisí od druhu a dávky použitej prísady.

Pri suchom spôsobe striekania sa prášková urýchľovacia prísada mieša za sucha s ďalšími komponentmi a suchý betón alebo malta sa privádzajú do dýzy, kde sa miešajú so zámesovou vodou alebo sa ako kvapalina po zmiešaní so zámesovou vodou privádzajú do dýzy. Pri mokrom spôsobe sa striekaný kompozit predmieša a čerpadlom dopraví do dýzy, kde sa privádza kvapalný urýchľovač stlačeným vzduchom.

Prísady urýchľujúce tuhnutie a tvrdnutie
Tieto urýchľovače ovplyvňujú rýchlosť hydratácie alitovej fázy portlandského slinku. Výsledkom je zvýšené množstvo hydratačného tepla a tvorba CSH gélu v začiatočnej fáze hydratácie. Podstatnou zložkou týchto prísad sú rozpustné halogenidy, dusitany, dusičnany, mravčany, tiosírany alebo tiokyanatany alkalických kovov alebo kovov alkalických zemín. Divalentné a trivalentné katióny sú účinnejšie ako monovalentné.

Použitie prísad urýchľujúcich tuhnutie a tvrdnutie umožňuje rýchlejšie dokončenie povrchov betónu, rýchlejšie oddebnenie konštrukcií alebo odformovanie dielcov a dosiahnutie požadovaných vlastností, najmä pevností, v kratšom čase. Tento druh urýchľovacích prísad sa väčšinou používa pri betónovaní v zimnom období.

Urýchľovacie prísady tu kompenzujú spomalenie tuhnutia spôsobené nízkymi teplotami a skrátenie času, počas ktorého treba betón chrániť pred zamrznutím.

Tieto prísady sa delia na:

• prísady na báze chloridu vápenatého,
• nechloridové urýchľovacie prísady.

Prísady na báze chloridu vápenatého
Urýchľovacia prísada musí byť rozpustná a ionizovaná v zámesovej vode. Ak má urýchľovať rozpúšťanie vápna, ióny kyseliny musia byť schopné penetrovať do silikátových častíc. Z toho vyplýva veľká dôležitosť ich veľkosti. Všetky tieto požiadavky spĺňa chlorid vápenatý – je rozpustný a je silne ionizovanou soľou s veľmi malou veľkosťou aniónu (0,27 nm v porovnaní s 0,34 nm pre dusičnan a 0,45 nm pre mravčan).

Amínové alebo zásadité urýchľovacie prísady zamedzujú tiež rozpúšťanie oxidu kremičitého alebo hlinitého. Trietanolamín urýchľuje začiatočnú hydratáciu portlandského cementu tým, že sťažuje priebeh reakcie C₃A so sadrovcom. Urýchľuje tak hydratáciu C₃A na hexagonálne kalciumalumináthydráty a ich premenu na kubický C₃AH₆. Trietanolamín však môže spomaliť hydratáciu C₃S. Soli silných kyselín urýchľujú hydratáciu silne zásaditých cementov, napr. chloridy urýchľujú hydratáciu portlandského cementu. Silne zásadité soli urýchľujú hydratáciu menej zásaditých cementov, napr. alkalické šťaveľany alebo hlinitany urýchľujú hydratáciu puzolánových, troskových alebo hlinitanových cementov.

Chlorid vápenatý je lacný a rozpustný urýchľovač, účinný aj pri nízkych teplotách, pri ktorých zvýšeným uvoľňovaním tepla kompenzuje predlžovanie tuhnutia.

Ak sa použije CaCl₂ do vystuženého alebo predpätého betónu, chloridové ióny rýchlo depasivujú povrch ocele, ktorá je chránená pasivačným filmom oxidov železa pri vysokom pH cementovej kaše. V prítomnosti chloridových iónov sa pasivačná vrstva poruší, pretože chloridy kovov sú relatívne dobre rozpustné. Chlorid vápenatý navyše znižuje odolnosť betónu z portlandského cementu proti pôsobeniu síranov.

Použitie prísad na báze chloridov do vystuženého alebo predpätého betónu je zakázané a obsah chloridov je limitovaný na 0,1 hmotnostného percenta.

Nechloridové urýchľovacie prísady
Z nechloridových urýchľovacích prísad sú na trhu najmä prísady na báze mravčanu vápenatého, hlinitanu sodného a trietanolamínu. Hoci vápenaté soli sú aktívnejšie ako soli iných kovov, ich nedostatkom je ich relatívne nízka rozpustnosť vo vode. Mravčan vápenatý urýchľuje hydratáciu približne rovnako ako chlorid vápenatý, no vyžaduje si vyššie dávkovanie a má výrazne nižšiu rozpustnosť.

Na zvýšenie účinnosti tekutých prísad sa často používa kombinácia dvoch alebo viacerých chemikálií, ktoré sa uprednostňujú pred práškovými prísadami. Zmes mravčanu vápenatého a dusitanu sodného má navyše antikorózne vlastnosti.

Trietanolamín sa viaže s hliníkom, a tým podporuje rozpustnosť C₃A pred tvorbou alumináthydrátu. Pri malých dávkach (0,1 až 0,5 % z hmotnosti cementu) urýchľuje hydratáciu C₃A, ale pri vyšších dávkach spomaľuje hydratáciu C₃S.

V súčasnosti sa ako špeciálna urýchľovacia prísada používa dusitan vápenatý. Má relatívne dobrú rozpustnosť vo vode a jeho účinnosť je približne rovnaká ako účinnosť chloridu vápenatého. Dávkuje sa v množstve 0,3 až 2,3 % pevnej fázy na hmotnosť cementu. Treba však upozorniť na jeho toxické vlastnosti. Dusitan vápenatý je tiež inhibítorom korózie oceľovej výstuže vo vystuženom betóne.

Ďalšie nechloridové urýchľovacie prísady sú založené na dusičnane vápenatom a tiokyanatane sodnom. Prísada obsahujúca tiokyanatan je síce účinná, ale relatívne drahá.

Nevýhodou alkálií v urýchľovacích prísadách je tvorba výkvetov a zníženie dlhodobých pevností.
Z uvedeného vyplýva, že použitie urýchľovacích prísad do betónu prináša so sebou aj niekoľko problémov. Alternatívnym riešením je použitie kvalitných cementov s vysokými začiatočnými pevnosťami, prípadne zvýšenie dávky cementu.

prof. Ing. Adolf Bajza, CSc., prof. Ing. Ildikó Rouseková, CSc.
Foto: archív autorov, archív vydavateľstva

Autori pôsobia na Katedre konštrukcií pozemných stavieb Stavebnej fakulty na STU v Bratislave.

Text a obrázky sú súčasťou publikácie Technológia betónu.