Dlouhodobé fyzikálně mechanické vlastnosti vápenných malt s deriváty gumy guar
V článku je experimentálně sledován vliv přídavku gumy guar a jejích derivátů jako přísad do vápenných malt na jejich vlastnosti v čerstvém stavu a na fyzikálně mechanické vlastnosti, především pevnost v tahu za ohybu a v tlaku, z dlouhodobého hlediska až do ročního stáří vzorků.
Abstrakt
Článek se zabývá možným využitím gumy guar a jejích derivátů (karboxymethylhydroxymethyl guar (CMHPG) a hydroxypropyl guar (HPG)) jako přísad do jemnozrnných malt ze vzdušného vápna. Sledován je vliv přísady v dávkách od 0,5 do 10 ‰ z hmotnosti pojiva na objemovou hmotnost, dlouhodobé pevnosti v tlaku a tahu za ohybu, zpracovatelnost, průběh karbonatace v maltě a obsah vzduchu v čerstvé maltě. Přídavkem hydroxypropyl guaru bylo dosaženo nižších objemových hmotností, což je způsobeno zvýšeným množstvím vzduchu v čerstvé maltě, snížení zpracovatelnosti a drobné zpomalení karbonatace. Malty s přísadami dosahovaly vyšších pevností než malta referenční. Karboxymethyl guar neprovzdušňoval maltu, tedy i vzorky z této malty měly vyšší objemovou hmotnost a také výrazně neovlivnil průběh karbonatace. Přídavkem čisté gumy guar do malty nenastalo žádné výrazné zlepšení jejích vlastností.
1. Úvod
V poslední době je stále rozšířenější používání viskozitu modifikujících přísad (VEA) pro malty a to jak cementové tak i vápenné. V cementových maltách a betonech jsou tyto používány především pro omezení bleedingu a segregace malty a pro zlepšení jejích vodoretenčních vlastností. V případě vápenných malt je jejich použití výrazně méně prozkoumáno, ve většině případů jsou používány pro dosažení plastičtější malty. Nejrozšířenější je použití etherů celulosy, ke kterým jsou však hledány alternativy, především z důvodu zátěže životního prostředí při získávání celulosy. [1] Jednou z alternativ je guma guar a její deriváty, kdy surová guma guar se získává pouze mletím, pražením a sušením fazolí rostliny Cyamopsis tetragonoloba patřící do čeledi bobovitých. Etherifikací gumy guar získáváme její deriváty, které se liší vlastnostmi v závislosti na typu substituční skupiny.
Užití derivátů gumy guar je poměrně dobře prozkoumáno v maltách na bázi cementu, především reologie těchto malt a vliv přídavku těchto přísad na hydrataci cementu. [2–6] V těchto maltách hydroxypropyl guar (HPG) již v malých dávkách podstatně zvyšuje viskozitu malty. Vlivem gumy guar na vápennou matlu se zabýval A. Izguire a kol. [7], který ve své práci porovnává vliv HP celulosy a HPG na vlastnosti čerstvé malty, ale i na vlastnosti malty v zatvrdlém stavu. Obě přísady podstatně zvýšily množství vody potřebné pro dosažení požadované konzistence a zvýšily viskozitu malty. HP celulosa překvapivě neovlivnila retenci vody v čerstvé maltě, byť je především toto její hlavní úloha v maltách cementových. Zhodnocením svých výsledků došel k závěru, že HPG bude vhodnější pro použití do vápenných malt.
Úkolem této práce bylo porovnání vlivu gumy guar a jejích dvou derivátů (HPG a karboxymethyl guar (CMHPG)) v různých dávkách na vlastnosti vápenných malt, především na jejich pevnosti.
2. Použité suroviny a příprava vzorků
Vzorky vápenné malty byly připraveny z vápenného hydrátu CL 90 S odpovídajícího evropským normám (Carmeuse Czech Republic) a jemného křemičitého písku o velikosti zrn do 0,5 mm (Filtrační písky s.r.o.). Jako přísady byla použita guma guar (Sigma-Aldrich s.r.o.) a její dva deriváty HPG a CMHPG (oba Lamberti s.p.a.). Přísady byly do malty přidávány v dávkách od 0,5 ‰ do 10 ‰ z hmotnosti pojiva. Poměr pojiva ke kamenivu byl 1 : 1 objemově a vodní součinitel 1,6 byl použit u všech zkoumaných směsí. Přísada byla nejdříve rozpuštěna v odměřeném množství vody a následně byla do tohoto roztoku přidána zhomogenizovaná suchá směs a vše bylo důkladně promícháno. Na maltě byly provedeny zkoušky v čerstvém stavu a také z ní byly připraveny vzorky 40×40×160 mm, které byly po 72 hodinách odformovány a uloženy v laboratorním prostředí (20 °C, ±50 % rh).
3. Výsledky a diskuse
3.1 Zpracovatelnost
Konzistence čerstvé malty byla stanovena s použitím střásacího stolku dle EN 1015–3. Hodnoty zobrazené na obr. 1 se pohybovaly od 300 mm pro referenční maltu až po 140 mm pro deriváty guaru v nejvyšší dávce. Zahušťující efekt přísady odpovídá výsledkům v literatuře [2, 4, 6].
3.2 Obsah vzduchu v čerstvé maltě
Hodnoty obsahu vzduchu v čerstvé maltě stanoveny dle EN 459–2 jsou zobrazeny v Obr. 1. S rostoucí dávkou HPG výrazně roste I obsah vzduchu v maltě, zatímco s přídavkem CMHPG v nízkých dávkách obsah vzduchu dokonce mírně poklesl a následně s rostoucí dávkou roste pouze mírně v porovnání s HPG. Přídavek gumy guar do malt nemá žádný výraznější vliv na vlastnosti malty. Provzdušňující účinek HPG byl již několikrát sledován v literatuře a souvisí pravděpodobně s funkční HP skupinou, kdy I deriváty jiných biopolymerů výrazně provzdušňují malty. [7, 8–11]
Obr. 1 Vliv dávky přísady na zpracovatelnost a obsah vzduchu v čerstvé maltě
3.3 Retence vody v čerstvé maltě
Hodnoty Retence vody v čerstvé maltě stanovené v souladu s EN 459–2 jsou porovnány na obr. 2. Z těchto hodnot vidíme, že nízké dávky přísad mírně retenci vody v porovnání s referenční maltou snižují, avšak i tyto hodnoty jsou poměrně vysoké. S Rostoucí dávkou přísady se retence vody v maltě ještě zvyšuje a především v případě HPG dosahuje velmi vysokých hodnot. Tyto výsledky jsou v souladu s výsledky na cementové maltě, kde nebyl v nízkých dávkách sledován pokles, tedy výrazně horší hodnoty čisté cementové malty i nízká dávka HPG zvýšila. [3, 7]
Obr. 2 Závislost retence vody v čerstvé maltě na dávce přísady
3.4 Objemová hmotnost zatvrdlé malty
Na Obr. 3 je zobrazen vliv množství přísady na objemovou hmotnost zatvrdlé malty po 90 dnech. Je zde patrná korelace mezi obsahem vzduchu v čerstvé maltě a objemovou hmotností malty zatvrdlé, kdy s rostoucím obsahem vzduchu v čerstvé maltě klesá její následná objemová hmotnost. Můžeme zde tedy pozorovat mírná nárůst objemových hmotností pro vzorky s malou dávkou přísady, a následný mírný pokles v případě CMHPG a výrazný pokles objemové hmotnosti v případě HPG.
Obr. 3 Objemová hmotnost vzorků po 90 dnech zrání
3.5 Pevnost v tahu za ohybu a v tlaku
V grafech na obr. 4,5 je zobrazena závislost pevnosti v tahu za ohybu na dávce přísady. Z krátkodobých pevností na obr. 4 je zjevný značný nárůst pevností v prvních 28 dnech, kdy v dalších 62 dnech je již nárůst jen velmi pozvolný. Již po 7 dnech dosahuje většina vzorků s přísadou vyšších pevností než malta referenční a především malta HPG 10 vyniká. Po 28 a 90 dnech malty s přísadou derivátů gumy guar dosahují lepších výsledků než malta referenční, a s rostoucí dávkou přísady roste i pevnost v tahu za ohybu zkoumaných vzorků. Malty s přídavkem surové gumy guar nevykazují téměř žádné ovlivnění přísadou či závislosti na její dávce a proto nebyly vzorky po delší době uložení připravovány. Dlouhodobé pevnosti zobrazené na obr. 5 se od sebe opět i přes značný časový rozdíl liší pouze mírně. CMHPG v nízkých dávkách nedosahuje vlastností referenční malty a celkově se poměr mezi pevností malty s přísadou a malty referenční snižuje.
Obr. 4 Pevnost v tahu za ohybu po 7, 28 a 90 dnech v závislosti na dávce přísady
Obr. 5 Pevnost v tlaku po 7, 28 a 90 dnech v závislosti na dávce přísady
Pevnost v tlaku je spojena s pevností v tahu za ohybu a proto i závislosti mezi dávkou přísady a pevností v tlaku jsou v počátečních fázích podobné. U dlouhodobějších pevností na obr. 7, v případě malt s HPG, ve vyšších dávkách s rostoucí dávkou roste pevnost v tahu za ohybu, avšak klesá pevnost v tlaku. Tento jev pozoroval i H. Loam [12] na vzorcích betonu. CMHPG vykazuje rostoucí tendenci v obou případech. Nárůst pevností s přídavkem HPG není plně v souladu s literaturou [7, 11], ve které byly použity jiné poměry směsí a malty byly připravovány se stejnou zpracovatelností.
Obr. 6 Pevnost v tahu za ohybu po 180 a 365 dnech v závislosti na dávce přísady
Obr. 7 Pevnost v tlaku po 180 a 365 dnech v závislosti na dávce přísady
Z těchto výsledků vyplývá, že přídavek derivátů gumy guar příznivě ovlivňuje počáteční pevnosti vápenné malty a z dlouhodobého hlediska maltu, především v případě pevnosti v tahu za ohybu, která je pro malty a omítky důležitější, neomezují.
3.6 Průběh karbonatace v maltě
V grafu na obr. 8 Jsou zobrazeny křivky znázorňující průběh obsahu Ca(OH)2 ve vybraných vzorcích v závislosti na čase a v tab. 1 jsou následně uvedeny veškeré zjištěné hodnoty.
Obr. 8 Množství Ca(OH)2 ve vzorku v závislosti na čase
| REF | HPG 0,5 | HPG 1 | HPG 2,5 | HPG 5 | HPG 10 | CMHPG 0,5 | CMHPG 1 | CMHPG 2,5 | CMHPG 5 | CMHPG 10 | G 0,5 | G 1 | G 2,5 | G 5 | G 10 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| volná voda [%] 7d | 1.1 | 0.1 | 0.2 | 3.4 | 3.9 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.2 | 0.7 | 1.1 | 1.3 | 5.1 | 0.3 | 4.7 | 8.6 |
| Ca(OH)2 [%] 7d | 17.5 | 17.8 | 18.5 | 17.6 | 17.3 | 16.8 | 17.3 | 17.1 | 18.0 | 18.1 | 16.4 | 17.1 | 16.9 | 17.4 | 16.1 | 15.8 |
| CaCO3 [%] 7d | 4.0 | 3.5 | 4.0 | 2.6 | 2.8 | 5.5 | 4.4 | 4.9 | 3.8 | 3.0 | 4.8 | 3.0 | 2.6 | 3.4 | 3.0 | 3.6 |
| Ca(OH)2 [%] 28d | 12.9 | 14.5 | 13.6 | 14.3 | 14.0 | 12.1 | 13.6 | 13.4 | 13.5 | 13.8 | 12.0 | 15.0 | 12.7 | 14.4 | 12.4 | 12.2 |
| CaCO3 [%] 28d | 10.2 | 8.4 | 9.9 | 8.1 | 9.2 | 10.9 | 8.6 | 8.8 | 9.4 | 9.3 | 12.3 | 7.7 | 10.7 | 8.8 | 10.7 | 10.5 |
| Ca(OH)2 [%] 90d | 9.2 | 9.9 | 13.7 | 10.9 | 14.1 | 9.0 | 11.5 | 8.8 | 11.0 | 8.0 | 15.0 | 13.7 | 9.2 | 8.8 | 8.7 | 8.8 |
| CaCO3 [%] 90d | 13.8 | 13.9 | 9.6 | 12.6 | 8.7 | 15.0 | 11.0 | 14.4 | 11.4 | 16.1 | 8.3 | 9.3 | 15.5 | 15.2 | 15.9 | 16.3 |
| Ca(OH)2 [%] 180d | 8.9 | 4.3 | 12.7 | 5.5 | 13.9 | 7.1 | 9.1 | 8.9 | 10.1 | 7.0 | 10.1 | – | – | – | – | – |
| CaCO3 [%] 180d | 14.7 | 20.8 | 9.7 | 19.5 | 9.2 | 17.3 | 14.9 | 16.2 | 13.2 | 14.6 | 13.4 | – | – | – | – | – |
| Ca(OH)2 [%] 365d | 8.5 | 3.3 | 13.2 | 4.9 | 12.3 | 6.1 | 5.4 | 9.4 | 4.4 | 4.7 | 9.5 | – | – | – | – | – |
| CaCO3 [%] 365d | 14.5 | 22.0 | 10.0 | 20.3 | 11.6 | 12.8 | 19.5 | 13.8 | 20.6 | 20.0 | 11.4 | – | – | – | – | – |
V počátečních fázích se obsah Ca(OH)2 zásadněji neliší a i jeho pokles je pro všechny vzorky obdobný. Po 90 dnech jsou již patrné značné rozdíly mezi jednotlivými maltami, které se následně ještě prohlubují. HPG v dávce 1 a 5 ‰ výrazně zpomaluje průběh karbonatace a obsah hydroxidu vápenatého se již od 90. dne výrazněji nemění. Naopak HPG v dávce 10 ‰ karbonatuje obdobně jako referenční malta a z dlouhodobého hlediska dosahuje vyššího stupně karbonatace obdobně jako CMHPG v dávce 5 ‰. Malty s nižší i vyšší dávkou CMHPG dosahují podobných výsledků jako malta referenční. Pro přesnější zjištění vlivů přísad na karbonataci by bylo třeba provést více dalších měření, aby se mohly potvrdit přednesené závěry. Můžeme však říct, že přídavek derivátu gumy guar mírně zpomaluje karbonataci, což je výraznější v případě HPG.
4. Závěr
Byl zkoumán vliv přídavku gumy guar a jejích dvou derivátů na vlastnosti vápenných malt v čerstvém i zatvrdlém stavu. Čistá guma guar výrazněji neovlivňovala žádnou ze sledovaných vlastností a proto bylo od jejího sledování v případě dlouhodobých pevností upuštěno. Oba deriváty guarové gumy působily jako zahušťující přísady s obdobným efektem v závislosti na dávce. Přídavek HPG navíc výrazně provzdušňoval čerstvou maltu a ve vyšších dávkách také dosahoval výrazně vyšších hodnot retence vody v maltě. Přídavkem obou přísad bylo dosaženo zlepšení počátečních pevností malty. Pevnosti malt s přísadou byly i z dlouhodobého hlediska vyšší než v případě malty referenční. V případě HPG plně nekorespondují dlouhodobé pevnosti v tlaku a tahu za ohybu mezi sebou, kdy s rostoucí dávkou přísady roste i pevnost v tahu za ohybu, avšak pevnost v tlaku mírně klesne. Přísady ve většině případů mírně zpomalují průběh karbonatační reakce, avšak vzhledem k výsledkům pevností toto není překážkou pro jejich použití.
Pro použití do vápenných malt a omítek se jako nevhodná, neúčinná ukázala být guma guar v čisté formě když zásadně neovlivnila vlastnosti malty s ní připravené. HPG se jeví jako velmi vhodná přísada především pro dosažení vysoké retence vody v maltě a také pro přípravu sanačních omítek díky své provzdušňující funkci. CMHPG lze vhodně využít pro zlepšení zpracovatelnosti malty bez výraznějšího nárůstu provzdušnění malty a také nižším ovlivněním průběhu karbonatace.
5. Poděkování
Tato práce byla vytvořena v rámci řešení projektu FAST-J-17-4485 „Fyzikálně-mechanické vlastnosti vápenných malt s vodoretenčními přísadami na bázi chitosanu a gumy guar“.
6. Použité zdroje
- SINGH, N. K., P. C. MISHRA, V. K. SINGH a K. K. NARANG. Effects of hydroxyethyl cellulose and oxalic acid on the properties of cement. Cement and Concrete Research. 2003, 33(9), 1319–1329. DOI: 10.1016/S0008-8846(03)00060-7
- MEDIĆ, V. Influence of Hydroxypropyl Guar on Water Retention of Cement Based Renders. Bulletin of the Chemists and Technologists of Bosnia and Herzegovina. 2013, 40, 57-60. ISSN 0367-4444.
- GOVIN, A., M.-C. BARTHOLIN, B. BIASOTTI, M. GIUDICI, V. LANGELLA a P. GROSSEAU. Effect of Guar Gum Derivatives on Fresh State Propertiesof Portland Cement-Based Mortars. In: SANJAYAN, Jay a Kwesi SAGOE-CRENTSIL. Concrete2015: Proceedings of the 27th Biennial National Conference of the Concrete Institute of Australiain conjunction with the 69th RILEM Week. 30 August – 2 September 2015, Melbourne, Australia. Conference Theme: “Construction Innovations, Research into Practice” [online]. Melbourne, 2015, s. 848–857 ISBN 978-1-943847-70-9. Web: https://hal-emse.ccsd.cnrs.fr/emse-01207947
- LASHERAS-ZUBIATE, M., I. NAVARRO-BLASCO, J. M. FERNÁNDEZ a J. I. ÁLVAREZ. Effect of the addition of chitosan ethers on the fresh state properties of cement mortars. Cement and Concrete Composites. 2012, 34(8), 964–973. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2012.04.010. ISSN 09589465.
- USTINOVA, Y. V. a T. P. NIKIFOROVA. Cement Compositions with the Chitosan Additive. Procedia Engineering. 2016, 153, 810–815. DOI:10.1016/j.proeng.2016.08.247. ISSN 18777058.
- POINOT, T., A. GOVIN a P. GROSSEAU. Influence of hydroxypropylguars on rheological behavior of cement-based mortars. Cement and Concrete Research. 2014, 58, 161–168. DOI: 10.1016/j.cemconres.2014.01.020. ISSN 00088846.
- IZAGUIRRE, A., J. LANAS a J. I. ÁLVAREZ. Characterization of aerial lime-based mortars modified by the addition of two different water-retaining agents. Cement and Concrete Composites. 2011, 33(2), 309–318. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2010.09.008. ISSN 09589465.
- VYŠVAŘIL, M a T. ŽIŽLAVSKÝ. Effect of chitosan ethers on fresh state properties of lime mortars. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017, 251, 012039-. DOI: 10.1088/1757-899X/251/1/012039. ISSN 1757-8981.
- PAIVA, H., L. P. ESTEVES, P. B. CACHIM a V. M. FERREIRA. Rheology and hardened properties of single-coat render mortars with different types of water retaining agents. Construction and Building Materials. 2009, 23(2), 1141–1146. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2008.06.001. ISSN 09500618.
- SEABRA, M. P., H. PAIVA, J. A. LABRINCHA a V. M. FERREIRA. Admixtures effect on fresh state properties of aerial lime based mortars. Construction and Building Materials. 2009, 23(2), 1147–1153. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2008.06.008. ISSN 09500618.
- IZAGUIRRE, A., J. LANAS a J. I. ÁLVAREZ. Ageing of lime mortars with admixtures: Durability and strength assessment. Cement and Concrete Research. 2010, 40(7), 1081–1095. DOI: 10.1016/j.cemconres.2010.02.013. ISSN 00088846.
- LLAM, H. a R. D. HOOTON. Effects of internal curing methods on restrained shrinkage and permeability. In: PERSSON, B., D. BENTZ a L-O. NILSSON. Self-desiccation and its importance in concrete technology: Proceedings of the Fourth International Research Seminar. 2005, s. 210–228. ISBN 91-631-7102-3. ISSN 0348-7911 TVBM.
This paper studies the possibility of usage of the guar gum and its derivatives as admixtures for aerial lime-based mortars. The influence on the properties of mortars was studied on the aerial lime–based mortars prepared with quartz fine grained sand and doses of admixtures ranging between 0,5 and 10 ‰. The hardened bulk densities, flexural and compressive strength, carbonation rate, workability though flow table test and air content in fresh mortar were studied. The addition of the hydroxypropyl guar (HPG) lowered the bulk density (due to an air intake), improved workability, slightly increased the strength and slowed carbonation rate. The addition of carboxymethylhydroxypropyl guar (CMHPG) does not impact the bulk density and air content in the fresh mortar, the strengths were increased similarly to HPG: it does not impact carbonation rate significantly, so the long term strengths were comparative with the HPG. The pure guaran was found not to be beneficial for the lime mortars.
