V prispevku so na kratko opisani cementi z nizkimi skrčki in ekspanzijski cementi. Predstavljene so različne kemijske reakcije v betonu, povezane s spremembo prostornine. Nekatere od teh lahko izkoristimo za kompenzacijo krčenja, ki je naraven pojav pri sušenju betona in cementnega kamna. Naštete so tudi glavne vrste ekspanzijskih cementov. Glede na moč ekspanzije poznamo cemente s kompenziranim krčenjem in nabrekajoče cemente, glede na ekspanzijsko komponento v cementih pa bi jih lahko delili na cemente, pri katerih nastajajo sulfoaluminathidrati, in druge.

Ekspanzijski cementi se uporabljajo večinoma za preprečevanje skrčkov pri betonu, ki so povezani predvsem s sušenjem materiala. Znano je namreč, da se cementni kamen pri sušenju krči, kar je posledica zlasti površinskih pojavov na stenah por v materialu. Krčenje materiala lahko pripelje do poškodb, ki se jim moramo v določenih primerih nujno izogniti. Pri uporabi ekspanzijskega cementa pride najprej do nabrekanja, ki kompenzira poznejše krčenje. Večina cementov s kompenziranim krčenjem je v osnovi zelo podobna portlandskemu, zato je tudi delo z njimi navadno zelo podobno. Kljub temu pa je pomembno vedeti, da so taki cementi lahko med sabo različni in moramo, če želimo doseči naš namen, upoštevati njihove zahteve. Ni odveč, če že na začetku poudarimo, da je pri teh cementih nega še posebno pomembna, saj se z nepravilno nego lahko povsem izniči ekspanzijski učinek.

Med hidratacijo cementa v betonu njegove mineralne sestavine kemijsko reagirajo z vodo in tako nastajajo hidratacijski produkti, ki dajejo betonu končne lastnosti. Ta proces je povezan najprej z vezanjem, nato pa s strjevanjem betona. Prostornina hidratacijskih produktov je vedno manjša od prostornine cementa in vode, ki reagirata. Ireverzibilno kemijsko krčenje znaša približno od 5 do 8 odstotkov, vendar se le del izrazi v spremembi zunanje prostornine, večji del pa prispeva k povečanju poroznosti cementnega kamna v betonu.

 

Sušenje strjenega betona vodi v njegovo krčenje. Ko ga spet navlažimo, se prostornina znova poveča, vendar ne do začetnega stanja. Krčenje zaradi sušenja je torej le delno reverzibilno. Po drugi strani lahko beton, ki ni bil izpostavljen sušenju, nekaj prostornine celo pridobi, če ga namočimo v vodi.

 

Poleg naštetih prostorninskih sprememb lahko v betonu nastanejo tudi številne kemijske reakcije, pri katerih prihaja tudi do znatno večjih sprememb prostornine in pri tem velikokrat do poškodb materiala. Pri takih reakcijah iz reaktantov z nizko gostoto nastajajo produkti z visoko gostoto, material pa postaja porozen – ali nasprotno: iz izhodnih snovi z visoko gostoto nastajajo snovi z nizko gostoto in pri tem napetosti v materialu, ki nazadnje lahko povzročijo razpoke.

 

Reakcija v betonu, ki pripelje do povečanja poroznosti in zmanjšanja trdnosti, je znana pri visokoaluminatnem cementu. V ustreznih razmerah nastane reakcija, ki vodi do povečanja poroznosti in poslabšanja mehanskih lastnosti betona. Lahko bi rekli, da postane material gobast. V preteklosti je to povzročalo hude težave, zlasti ker je pojav zahrbten in navzven ne opazimo nobenih sprememb na materialu (ni razpok), mehanska odpornost pa je kljub temu lahko zelo načeta.

 

Primeri reakcij, ki pripeljejo do povečanja prostornine, so številni. Taki sta denimo reakciji kalcijevega oksida (prosto apno) in magnezijevega oksida (periklas) z vodo.

CaO + H2O / Ca(OH)2

MgO + H2O / Mg(OH)2

Če ti reakciji nastaneta potem, ko je material že izgubil plastičnost in dosegel primerno trdnost, lahko povzročita notranjo napetost v materialu in s tem razpoke. Zato sta tako prosto apno kot periklas v cementu omejena na primerno nizko vrednost. 

 

Prav dejstvo, da se pri nekaterih reakcijah poveča prostornina, izkoriščamo v cementu brez skrčkov za kompenzacijo krčenja betona ali celo za nabrekanje. Da bi dosegli želeni učinek, mora ekspanzijska reakcija poteči pravočasno. Nabrekanje ekspanzijske komponente pred vezanjem se izgubi v plastični deformaciji okolice. Ko je struktura strjenega materiala že zelo toga, pa lahko ekspanzija povzroči poškodbe. Zato je zelo pomembno, da potekajo reakcije ekspanzijskega materiala ravno ob pravem času.

Pojem ekspanzijskega cementa se je pojavil v sredini prejšnjega stoletja v Franciji, kjer so tak cement tudi najprej izdelovali. Pozneje se je razširil zlasti v Združene države Amerike, Rusijo in na Japonsko, pa tudi drugam. Vrsta ekspanzijskega cementa je geografsko pogojena in vsako območje ima svojo različico.

 

Ekspanzijske cemente lahko delimo po dveh ključih. Prvi je stopnja ekspanzije, torej mehanska lastnost, ki tudi določa uporabo. Po drugi strani lahko te cemente delimo glede na kemijsko sestavo oziroma ekspanzijsko komponento v cementu.

 

Po stopnji ekspanzije delimo ekspanzijske cemente na dve skupini. V prvo sodijo cementi, pri katerih gre zgolj za kompenzacijo krčenja. Z njihovo uporabo želimo preprečiti zlasti razpoke zaradi izsuševanja betona. Cementi, ki vsebujejo večji delež ekspanzijske snovi, pa pri hidrataciji ne kompenzirajo zgolj krčenja, temveč celo nekoliko nabreknejo. Pri ovirani rasti v njih nastanejo napetosti, ki lahko dosežejo vrednost do 8 MPa. Take cemente lahko uporabimo za kemijsko prednapete betone, kjer prevzame vlogo napenjanja material sam.

 

Glede na mineral, ki povzroča ekspanzijo v cementnem sistemu, ločimo različne vrste cementov, najpogosteje pa se za to izkorišča nastanek sulfoaluminathidratov v sistemu. Znani so tudi cementi, ki v ta namen izkoriščajo hidratacijo magnezijevega in kalcijevega oksida. Najbolj razširjen med vsemi je verjetno cement, ki kot ekspanzijsko komponento vsebuje kalcijev sulfoaluminat (C4A3) in ga navadno označujemo kot cement K.

 

Za nastanek kalcijevih sulfoaluminathidratov (na primer etringita) potrebujemo v sistemu Ca2+, Al3+ in SO42- v alkalnem mediju. Alkalni medij je potreben za stabilnost nastalih produktov. Cementi, ki ekspandirajo na podlagi nastanka kalcijevih sulfoaluminathidratov (etringita), se med sabo razlikujejo po viru aluminatnih ionov v sistemu. Viri teh ionov so lahko:

cement K vsebuje mineral C4A3 (poseben klinker);
cement M vsebuje mineral CA (visokoaluminatni cement);
cementa S in SM vsebujeta mineral C3A (portlandski cement ali cement s povišanim aluminatom).

 

Poleg nastanka kalcijevih sulfoaluminathidratov lahko za kompenzacijo krčenja uporabimo tudi druge kemijske reakcije, zlasti hidratacijo magnezijevega in kalcijevega oksida. Tega so kot ekspanzijsko komponento uporabljali na Japonskem. Zanimiva je tudi uporaba magnezijevega oksida, na primer v masivnem betonu za kompenzacijo temperaturnih skrčkov, ki se pojavijo zaradi ohlajanja masivnega betona.

 

V splošnem so recepture, ki so primerne za običajni cement, primerne tudi za ekspanzijskega. Navadno je potrebno nekoliko višje razmerje med vodo in cementom, pa tudi vnos cementa, da bi dosegli primerno ekspanzijo. Na samo ekspanzijo lahko močno vplivajo različni dodatki za betone, kot so plastifikatorji, zavlačevalci in drugi. Zato je nujno s poskusi preveriti morebitne medsebojne vplive med ekspanzijskimi cementi in temi dodatki.

 

Na lastnosti ekspanzijskega betona, podobno kot na lastnosti navadnega, zelo pomembno vpliva tudi nega vgrajenega betona. Če želimo preprečiti krčenje ter dobiti primerno trden in obstojen beton, moramo poskrbeti za primerno nego vsaj prvih sedem dni. Vsako opuščanje nege lahko vodi v zmanjšano ekspanzijo takega materiala. Kar zadeva nego, lahko uporabimo običajne postopke, ki zagotavljajo v vsakem trenutku dovolj vode, da se material ne suši.

 

Obstojnost betona, pripravljenega s temi cementi, je podobna kot pri navadnem betonu. Tak beton je, če je pravilno pripravljen, odporen proti zmrzovanju in odtaljevanju tudi v prisotnosti odtaljevalnih soli. Prav tako je abrazijsko odporen, v nekaterih primerih morda celo odpornejši od navadnega. Znano je tudi, da je tak material odporen proti sulfatni koroziji.

 

V cementnem sistemu potekajo številni procesi, ki so povezani s spremembo prostornine. Med njimi zlasti sušenje cementnega kamna vodi v krčenje navadnega betona, kar lahko povzroči poškodbe materiala. Krčenje nas moti tudi, ko želimo povsem zapolniti prostor z materialom. Uporabimo lahko številne reakcije, pri katerih se poveča prostornina in zato lahko z njimi kompenziramo krčenje. Te kemijske reakcije izkoriščamo v ekspanzijskih cementih.

Salonit Anhovo, d. d.