Po co w betonie pęcherzyki powietrza

Beton kojarzy się z twardością i szczelnością. Im mniej dziur, tym lepiej. Tymczasem w wielu mieszankach, które mają znieść zimę, celowo wpuszcza się powietrze. Nie w postaci dużych kawern po źle ubitej masie, tylko jako gęsty rój małych, okrągłych pęcherzyków w zaprawie cementowej.

Pytanie brzmi prosto. Po co psuć materiał konstrukcyjny dziurami, skoro woda i tak lubi wchodzić w beton?

Woda zamarza i chce mieć gdzie urosnąć

Woda przy przejściu w lód zwiększa objętość o około 9 procent. W betonie nie siedzi w jednej wielkiej kałuży. Siedzi w sieci porów: w najdrobniejszych porach żelowych hydratów cementu, w większych porach kapilarnych i, jeśli ktoś je zaprojektował, w kulistych pustkach powietrznych.^[1]

Gdy temperatura spada, lód zaczyna się tworzyć najpierw w większych porach. To rozprężanie i towarzyszące mu ciśnienia hydrauliczne oraz osmotyczne potrafią przekroczyć wytrzymałość pasty cementowej na rozciąganie. Powtarzane cykle zamarzania i odmarzania zostawiają łuszczenie powierzchni, rysy i kruszenie, zwłaszcza gdy beton jest mokry i dostaje sól odladzającą.^[1][2]

T. C. Powers i R. A. Helmuth w latach 40. i 50. XX wieku opisali to nie jako magię „mróz niszczy beton”, tylko jako mechanikę: ciśnienie hydrauliczne przy zamarzaniu wody w kapilarach oraz migrację wody do rosnących ciałek lodu. Ich wnioski o roli pustek powietrznych do dziś stoją u podstaw praktyki trwałościowej.^[2][3]

Pęcherzyki to nie to samo co „dziura po powietrzu”

W betonie występują dwa różne rodzaje powietrza.

Powietrze uwięzione (entrapped air) to większe, nieregularne pustki. Powstają przypadkiem przy mieszaniu i układaniu. Same w sobie nie dają dobrej ochrony przed mrozem, bo są zbyt rzadko rozmieszczone.

Powietrze wprowadzone celowo (entrained air) to drobne, kuliste pęcherzyki, zwykle rzędu dziesiątek do setek mikrometrów, rozproszone w zaprawie. Tworzy się je domieszkami napowietrzającymi: surfaktantami z żywic drzewnych, kwasów żywicznych, sulfonowanych węglowodorów albo syntetycznych detergentów. Stabilizują one bańki podczas mieszania, a po stwardnieniu zostają w materiale jako system pustek.^[1]

Te bańki są na tyle duże, że przy zwykłym nasiąkaniu woda najpierw wypełnia pory żelowe i kapilarne, a pęcherzyki długo zostają puste. Dopiero przy długotrwałym nasyceniu zaczynają się zapełniać. Dopóki pozostają puste, dają wodzie i lodowi „zapasową objętość” i skracają drogę, którą musi przebyć ciśnienie hydrauliczne.^[1]

Dlatego inżynierowie patrzą dalej niż na sam „procent powietrza”. Liczy się geometria systemu: czynnik rozstawienia (spacing factor) i powierzchnia właściwa pustek. ASTM C457 przy umiarkowanym narażeniu na mróz wskazuje zwykle maksymalny spacing factor około 0,20 mm (0,008 cala) oraz wysoką powierzchnię właściwą pustek. Im bliżej siebie są drobne bańki, tym lepiej pasta cementowa jest chroniona.^[1][4]

Ile powietrza i kiedy w ogóle ma sens

Amerykański Concrete Institute wiąże wymaganą zawartość powietrza z klasą ekspozycji na mróz i z maksymalnym wymiarem kruszywa. Przy drobniejszym kruszywie jest więcej zaprawy, więc zwykle trzeba więcej powietrza. Dla ekspozycji z wilgocią i solami odladzającymi typowe wartości całkowitego powietrza w świeżej mieszance często leżą w okolicy kilku procent z tolerancją polową rzędu ±1,5 punktu procentowego.^[1]

To nie jest uniwersalna magiczna liczba. Beton z niskim stosunkiem woda/spoiwo i dobrze napowietrzony długo nie dochodzi do krytycznego nasycenia. Beton „dziurawy kapilarnie”, z wysokim w/c i słabym systemem pustek, potrafi nasączyć się groźnie szybciej. FHWA podkreśla, że uszkodzenie może pojawić się nawet w jednym cyklu, jeśli beton jest krytycznie nasycony, mniej więcej w okolicy 75-91 procent nasycenia (nowsze prace wskazują okolice 86 procent), niezależnie od tego, czy ktoś „dolał trochę powietrza”.^[1]

W praktyce na budowie mierzy się zwykle całkowitą objętość powietrza w świeżej mieszance (metoda ciśnieniowa, objętościowa albo grawimetryczna). To wygodne, ale nie zawsze mówi wszystko o rozstawie bańek. Dlatego w diagnostyce i projektowaniu mieszanek wraca się do mikroskopii stwardniałego betonu albo do nowszych przyrządów, które próbują ocenić jakość systemu pustek już na świeżej mieszance.^[1][4]

Co psuje napowietrzenie

Domieszka to nie gwarancja. Popiół lotny z węglem potrafi „zjadać” powietrze. Zbyt intensywne wibrowanie albo pompowanie potrafi wybić część bańek. Inne dodatki chemiczne wchodzą w interakcje z napowietrzaczem. Alkalia cementu, uziarnienie piasku i tekstura kruszywa też zmieniają wynik.^[1]

Stąd bierze się klasyczny dramat na placu: pomiar powietrza „w betoniarni” wygląda dobrze, a po ułożeniu i zagęszczeniu system pustek jest już inny. Przy drogach i chodnikach z solą odladzającą ta różnica nie jest akademicka. Łuszczenie powierzchni bywa właśnie skutkiem złego systemu powietrza albo zbyt wysokiej przepuszczalności, a nie „słabej marki cementu”.

Prefabrykat, wielka płyta i ten sam beton

Tu wraca kontekst polskich osiedli. Wielka płyta to przede wszystkim układ tarcz, złączy, wieńców i dybli, o czym pisałem w tekście o tym, jak działa panelowiec. Ale sam materiał też ma historię fizyki budowli.

Prefabrykaty z betonu, elewacje narażone na deszcz i mróz, balkony, cokoły i elementy zewnętrzne żyją w cyklach zamarzania. Jeśli pasta cementowa nie ma gdzie „odprowadzić” ciśnienia lodu, rysy i złuszczenia zaczynają się od powierzchni i od miejsc najbardziej nasyconych wodą. Mostki cieplne i niedocieplone styki przyspieszają kondensację i lokalne zawilgocenie. To nie zastępuje pytania o korozję wieszaków w ścianie trójwarstwowej. Dokłada osobny mechanizm: trwałość betonu jako materiału porowatego.

Innymi słowy: pęcherzyki w betonie nie tłumaczą, czemu blok stoi. Tłumaczą, czemu dobrze zaprojektowana pasta cementowa na elewacji albo w elemencie zewnętrznym ma szansę przeżyć dziesiątki zim bez kruszenia się jak suchy placek.

Mit: „beton ma być jak kamień, bez powietrza”

Popularne uproszczenie brzmi: każdy pęcherzyk to słabość. W konstrukcji nośnej rzeczywiście unikamy dużych kawern i porowatości, która obniża wytrzymałość bez potrzeby. Napowietrzenie też trochę obniża wytrzymałość na ściskanie w przeliczeniu na tę samą ilość cementu. Dlatego projektuje się je świadomie: tam, gdzie ekspozycja na mróz i wilgoć tego wymaga, a nie „dla zasady” w każdym elemencie wewnętrznym.

Drugi mit: wystarczy „dolać powietrza” i beton jest mrozoodporny. Bez kontroli rozstawu bańek, bez rozsądnego w/c i bez czasu na dojrzewanie przed pierwszymi mrozami można dostać mieszankę z procentem powietrza na papierze i słabą trwałością w terenie.^[1][3]

Trzeci mit miesza napowietrzony beton konstrukcyjny z betonem komórkowym (AAC). Autoklawizowany beton komórkowy ma makroskopowe pory z procesu spieniania i jest innym produktem, lekkim i izolacyjnym. Pęcherzyki AEA w zwykłym betonie drogowym czy elewacyjnym są o rząd wielkości inne i służą trwałości mrozowej pasty, nie „ociepleniu ściany”.

Co zostaje z pytania o dziury

Wracając do świeżego betonu na budowie: te niewidoczne pęcherzyki nie są przypadkowym błędem. Są zaprojektowanym zapasem objętości i siecią „zaworów bezpieczeństwa” dla ciśnienia, które powstaje, gdy woda w porach chce zamienić się w lód.

Beton nadal ma być zwarty, dobrze zagęszczony i o kontrolowanej przepuszczalności. Tyle że w klimacie z zimą szczelność bez systemu pustek bywa pułapką: woda i tak wejdzie, a potem nie będzie miała gdzie się rozprężyć. Stąd paradoks materiałoznawstwa budowlanego. Żeby beton na mrozie był trwalszy, czasem trzeba mu celowo zostawić powietrze.

Źródła i dalsza lektura

[rozwiń +]

[1] Federal Highway Administration, "Air Entrainment and Concrete Durability", Tech Brief FHWA-HIF-17-009 (2019). Mechanizm mrozowy, nasycenie krytyczne, napowietrzanie, pomiary i zalecenia ACI dotyczące zawartości powietrza.

[2] T. C. Powers, R. A. Helmuth, "Theory of Volume Changes in Hardened Portland-Cement Paste During Freezing", Highway Research Board Proceedings 32 (1953). Ciśnienie hydrauliczne i dyfuzja wody do lodu; rola blisko rozmieszczonych pustek powietrznych.

[3] T. C. Powers, "The Air Requirement of Frost Resistant Concrete", Highway Research Board Proceedings 29 (1949). Wymaganie powietrza jako funkcja rozstawu pustek, zawartości pasty i szybkości chłodzenia.

[4] ASTM International, ASTM C457/C457M, Standard Test Method for Microscopical Determination of Parameters of the Air-Void System in Hardened Concrete. Spacing factor, powierzchnia właściwa i związek z odpornością na zamarzanie i odmarzanie.