Quin és el mecanisme d'acció de l'agent d'expansió en el formigó?

En enginyeria de la construcció, l'aparició d'esquerdes de formigó i filtracions d'aigua és freqüent, i les esquerdes estructurals poden afectar l'estètica o, en casos greus, la seguretat de l'edifici. A causa de factors com l'augment de l'ús de ciment, els requisits de resistència més elevats, les condicions de construcció i el curat inadequat, la formació d'esquerdes a les estructures de formigó és inevitable. Actualment, l'únic enfocament factible en enginyeria és controlar les esquerdes dins de límits inofensius.

Causes de l'esquerda del formigó

Hi ha diverses raons per a les esquerdes del formigó en projectes de construcció, com ara el disseny estructural, la curació de la construcció i les matèries primeres. La causa principal de les esquerdes és l'esforç de tracció generat quan el formigó experimenta càrrega, deformació i barreja durant el procés d'enduriment. Les esquerdes es produeixen quan la tensió interna de tracció supera la resistència a la tracció màxima del formigó. Entre aquestes, les esquerdes no estructurals causades per la deformació representen el 80%, i la majoria d'aquestes esquerdes no estructurals es deuen a la contracció del formigó (com ara la contracció autògena, la contracció plàstica, la contracció per assecat, la contracció tèrmica, etc.).

No hi ha especificacions tècniques detallades per controlar les esquerdes no estructurals, i els mètodes comuns utilitzats en enginyeria inclouen el disseny de juntes de dilatació o l'ús del "mètode de magatzem de salt" durant la construcció. Tanmateix, aquest enfocament allarga el període de construcció i augmenta els costos de neteja. Extenses aplicacions d'enginyeria han demostrat que el mètode més eficaç és utilitzar formigó que compensa la contracció per al control de les esquerdes.

Mecanisme i aplicació d'agents expansius

Els agents expansius del formigó són additius que, quan s'afegeixen al formigó, fan que s'expandeixi en volum, compensant la contracció del formigó. Els agents expansius es classifiquen en funció dels seus components expansius, com ara sulfoaluminat de calci, basat en CaO, basat en MgO, sulfoaluminat de calci-òxid de calci i tipus compostos de calci-magnesi. A causa dels diferents components expansius, el seu rendiment d'expansió també varia. Els mecanismes més àmpliament acceptats dels agents expansius inclouen la teoria del creixement cristal·lí, la teoria de la inflació de l'absorció d'aigua i la teoria de l'expansió de volum en fase sòlida.

2.1 Agents expansius basats en sulfoaluminat de calci

L'efecte d'expansió dels agents expansius basats en sulfoaluminat de calci s'aconsegueix principalment mitjançant la formació d'etringita de calci (C3A-3CaSO4-32H2O) durant la hidratació. Els estudis existents suggereixen que l'efecte combinat de la pressió de creixement cristal·lí i la força d'inflació d'absorció d'aigua de l'etringita és la causa fonamental de l'expansió, sent la inflamació de l'absorció d'aigua el factor dominant. Basant-se en aquesta teoria, la reacció d'hidratació de l'etringita requereix una quantitat important d'aigua, limitant la seva aplicació en formigó d'alta resistència amb baixes relacions aigua-ciment. A més, el formigó que conté agents expansius basats en sulfoaluminat de calci requereix un estricte control de curat. El curat inadequat no només no compensa la contracció, sinó que també augmenta el risc d'esquerdes. A més, l'etringita de calci es pot descompondre en ambients humits i calents, afectant la resistència i la durabilitat. Per tant, s'ha de prestar especial atenció a la temperatura ambiental quan s'utilitzen agents expansius basats en sulfoaluminat de calci en enginyeria.

2.2 Agents expansius basats en òxid de calci

El mecanisme d'expansió dels agents expansius basats en òxid de calci implica la hidratació de l'òxid de calci (CaO) per formar hidròxid de calci (Ca(OH)2). Aquest procés augmenta el volum de la fase sòlida i l'acumulació local de productes d'hidratació augmenta el volum de porus, donant lloc a l'expansió del volum de la pasta. En comparació amb els agents expansius basats en sulfoaluminat de calci, els agents expansius basats en òxid de calci requereixen menys aigua, tenen una major eficiència d'expansió i són més rendibles, fent-los més utilitzats. Tanmateix, el CaO reacciona exotèrmicament amb l'aigua, la qual cosa és perjudicial per controlar les esquerdes de temperatura del formigó. A més, la ràpida taxa d'hidratació de CaO condueix a una expansió significativa que es consumeix en l'etapa plàstica del formigó, el que fa que sigui ineficaç per compensar la contracció de l'etapa posterior. CaO també és sensible a la humitat ambiental, i requereix un embalatge acurat per evitar l'absorció d'humitat, cosa que pot reduir la seva eficàcia d'expansió. A més, el Ca(OH)2 és soluble sota determinades pressions d'aigua, per la qual cosa cal tenir precaució quan s'utilitzen agents expansius basats en òxid de calci en projectes de construcció submarina.

2.3 Agents expansius basats en òxid de magnesi

L'efecte d'expansió dels agents expansius basats en òxid de magnesi es produeix mitjançant la hidratació de l'òxid de magnesi (MgO) per formar hidròxid de magnesi (Mg(OH)2), amb el canvi de volum impulsat per la força d'inflació d'absorció d'aigua de Mg(OH)2 en les primeres etapes d'hidratació i la pressió de creixement cristal·lí de Mg(OH)2 en les etapes posteriors. Estudis extensos i aplicacions d'enginyeria han demostrat que els agents expansius basats en òxid de magnesi presenten una expansió retardada i un cicle d'expansió llarg, cosa que pot compensar eficaçment la contracció de la temperatura durant el refredament i l'assecat. Les seves propietats mecàniques són estables i requereixen menys aigua per a la hidratació. Els agents expansius basats en òxid de magnesi també tenen els avantatges de productes d'hidratació estables i propietats d'expansió ajustables, cosa que els fa àmpliament aplicables en projectes de formigó a gran escala, com ara preses. A la pràctica, s'han de tenir en compte factors com el grau de resistència del formigó, les dimensions estructurals i l'entorn de construcció a l'hora de seleccionar agents resistents a les esquerdes del formigó d'alt rendiment o agents expansius d'òxid de magnesi amb diferent reactivitat (tipus R, tipus M, tipus S) a compensar la contracció del formigó, aconseguint així un control de les esquerdes de cicle complet i simplificant les mesures de control de la temperatura. Tanmateix, s'ha de parar atenció a la dosificació d'agents expansius basats en òxid de magnesi, ja que quantitats excessives poden provocar una expansió excessiva, donant lloc a una mala estabilitat del volum.

2.4 Agents expansius de font d'expansió dual

Els agents expansius de font dual d'expansió comuns al mercat inclouen agents expansius basats en sulfoaluminat de calci i òxid de calci (com ara HCSA, CSA, FQY, etc.) i agents expansius compostos de calci i magnesi.

Agents expansius basats en sulfoaluminat de calci-òxid de calci: Les fonts d'expansió d'aquests agents són l'etringita i el Ca(OH)2. Quan aquests agents s'utilitzen en el formigó, el Ca(OH)2 compensa la contracció primerenca, mentre que l'etringita compensa la contracció en les etapes posteriors. L'expansió a partir d'aquestes fonts es produeix en diferents etapes, aconseguint un efecte de compensació de contracció eficaç. En comparació amb els agents de font d'expansió única, els agents expansius basats en sulfoaluminat de calci i òxid de calci tenen els avantatges d'una major expansió, una menor demanda d'aigua i un període d'expansió estable anterior. S'utilitzen àmpliament en projectes com ara estructures de formigó autoimpermeabilitzant i construcció sense costures d'estructures súper llargues.

Agents expansius compostos de calci i magnesi: Aquests agents es fabriquen combinant òxid de magnesi lleugerament cremat amb òxid de calci, amb fonts d'expansió de Ca(OH)2 i Mg(OH)2. La taxa d'expansió d'aquests agents compostos s'ajusta per la taxa d'hidratació més ràpida de l'òxid de calci i la taxa d'hidratació més lenta de l'òxid de magnesi. Aquest ajust permet una compensació gradual i de cicle complet de la contracció del formigó. A més, els agents expansius compostos de calci i magnesi superen la sensibilitat a la temperatura dels agents expansius basats en òxid de calci individual, el que els fa adequats per a projectes amb requisits de control de temperatura menys estrictes.