Porównanie wpływu różnych dodatków ekspansywnych na alkaliaaktywowane zaprawy szybkiej naprawy: urabialność, właściwości mechaniczne, skurcz suszenia

Dlaczego naprawa popękanych dróg się zmienia

Od autostrad po mosty — wiele betonowych konstrukcji starzeje się i pęka szybciej, niż jesteśmy w stanie je naprawić. Tradycyjne mieszanki naprawcze mogą długo twardnieć i być podatne na nowe rysy, zwłaszcza podczas wysychania. W niniejszym badaniu analizuje się nowszą klasę „zielonych” zapraw naprawczych wykonanych z produktów ubocznych przemysłu i stawia praktyczne pytanie: który dodatek najlepiej zapobiega kurczeniu się i pękaniu napraw, przy jednoczesnym szybkim wiązaniu, pozwalającym szybko udostępnić drogi?

Bardziej ekologiczne mieszanki z przemysłowych odpadów

Zaprawy naprawcze opisane w pracy zbudowano z granulatu żużla, popiołu lotnego i metakaolinu — drobnych pozostałości po stalownictwie, elektrowniach węglowych i przetwórstwie glin. Gdy te proszki aktywuje się cieczą alkaliczną, tworzą twardą, kamienną matrycę bez użycia dużych ilości tradycyjnego cementu. To zmniejsza wpływ na klimat i może zapewnić bardzo szybki przyrost wytrzymałości, co jest idealne do napraw nocnych lub jednodniowych. Jednak mieszanki aktywowane alkalicznie mają tendencję do silnego kurczenia się podczas wysychania, co może powodować drobne rysy i osłabienie przyczepności do istniejącego betonu.

Trzy sposoby walki ze skurczem

Aby ograniczyć to kurczenie, badacze porównali trzy dodatki ekspansywne wprowadzone do zaprawy: jeden oparty głównie na tlenku magnezu (MEA), jeden na tlenku wapnia (CSEA) oraz jeden pochodzący z sulfoaluminianu wapnia (SEA). Każdy dodatek stosowano w kilku dawkach i testowano pod kątem płynięcia świeżej zaprawy, czasu wiązania, wytrzymałości na ściskanie i przyczepności do starego betonu oraz skurczu w ciągu dwóch miesięcy. Użyto także metod rentgenowskich, analiz termicznych i mikroskopii elektronowej, aby zobaczyć, jakie kryształy i żele powstają wewnątrz i jak ewoluuje mikrostruktura.

Co się sprawdziło, a co nie

Wszystkie trzy dodatki skróciły czas wiązania zaprawy, co jest korzystne dla szybkich napraw, choć trzeba utrzymać dopuszczalną urabialność. MEA miało najsłabszy efekt: w bardzo alkalicznym środowisku użytym tutaj magnez nie reagował intensywnie, wytwarzał niewiele produktów powodujących pęcznienie potrzebnych do przeciwdziałania skurczowi i pozostawiał wytrzymałość oraz skurcz w zasadzie bez zmian. CSEA zachowywało się zupełnie inaczej. Przy wyższych dawkach znacznie skracało czas wiązania, zwiększało bardzo wczesną wytrzymałość i, co kluczowe, redukowało długoterminowy skurcz suszenia prawie o połowę. Poprawiło też przyczepność nowej zaprawy do starego betonu, tworząc gęstsze strefy wiążące. Kosztem tego była szybka emisja ciepła i wzrost kryształów, które z czasem wprowadzały drobne pęknięcia wewnętrzne, więc wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach nieco spadła w porównaniu z mieszankami bez dodatku.

Wczesna pomoc, która z czasem słabnie

Dodatek SEA na początku wyglądał obiecująco: tworzył ekspansywne, igiełkowate kryształy wypełniające przestrzeń, przeciwdziałał wczesnemu skurczowi oraz zwiększał wczesną wytrzymałość i wczesną przyczepność do starego betonu. Jednak w bardzo alkalicznych warunkach tych zapraw te igły stopniowo przekształcały się w bardziej płaskie kryształy i inne żele. W miarę jak wewnętrzna struktura się przearanżowywała i uwalniana była woda, materiał kurczył się później bardziej niż mieszanka referencyjna. Ten dodatkowy skurcz prowadził do mikropęknięć i wyraźnej utraty zarówno długoterminowej wytrzymałości, jak i właściwości przyczepnych, co czyni SEA mniej odpowiednim do trwałych napraw w tego typu systemie.

Co to oznacza dla przyszłych napraw betonu

Dla inżynierów poszukujących szybkich, trwałych i mniej emisyjnych napraw betonowych badanie pokazuje, że nie wszystkie dodatki ekspansywne są równoważne w zastosowaniu z zaprawami aktywowanymi alkalicznie. Dodatki na bazie magnezu w tych silnie alkalicznych mieszankach praktycznie nie zadziałały, a sulfoaluminianowe pomagały tylko krótko, zanim wywołały dodatkowy skurcz i pękanie. Dodatkowe CSEA na bazie wapnia zapewniło najlepszy kompromis: umożliwiało bardzo szybki przyrost wytrzymałości, mocniejszą przyczepność do starego betonu i znacznie mniejszy długoterminowy skurcz, choć wytrzymałość końcowa nieco spadła. W prostych słowach — starannie dobrane dodatki wapniowe wydają się najbardziej obiecującą drogą do odpornych na rysy, szybko wiążących i bardziej zrównoważonych materiałów naprawczych do betonu.

Cytowanie: Luo, X., Xi, M., Huang, L. et al. Comparison of the effects of different expansion agents on alkali-activated rapid repair mortars: workability, mechanical properties, drying shrinkage. Sci Rep 16, 13791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43508-6

Słowa kluczowe: naprawa betonu, zaprawa aktywowana alkalicznie, kontrola skurczu, dodatki ekspansywne, trwałość infrastruktury