מערכות צמנטיות עם מוספים פולימריים
תקציר של דו"ח מחקר שנערך במכון הלאומי לחקר הבנייה, שבדק את הגורמים המשפיעים על תכונות תערובות המלט המכילות מוספים פולימרים, בחן סוגי אמולסיה (על בסיס פולימר אקרילי ועל בסיס פולימר SBR ) והציג המלצות ביחס לתערובות המליטה ולשיטת האשפרה.
1. מבוא
הוספת מוספים פולימריים לתערובות של מלט צמנטי הפכה בשנים האחרונות לשיטת עבודה מקובלת מאוד.
בארץ משתמשים למטרה זו בעיקר בתחליבים מימיים (אמולסיות) פולימר אקרילי (Acrylic polymer) או של STYRENE-BUTADIEN RUBBER) SBR) .בעולםמשתמשים גם באמולסיות פולימריות של קופולימרים של סטירן אקריל ובמידה מעטה גם בפולימרים אחרים.
מקובל לכנות את מערכות המרוכבות המכילות צמנט ופולימר בכינוי הכולל PCC:
PCC=Concrete Cement Polymer
לעיתים נהוג לכנות את תערובות המלט המכילות צמנט ופולימר בכינוי PCM:
PCM=Mortars Cement Polymer המוספים הפולימריים משפיעים על תכונות שונות של התערובת גם במצבה הטרי, וגם במצבה המוצק/קשוי.
בין התכונות הבולטות שהמוסף הפולימרי יכול להשפיע עליהן כדאי לציין את התכונות הבאות:
*עבידותה של התערובת.
*צריכת המים של התערובת (לקבלת עבידות רצויה ותכונות חוזק רצויות).
*צפיפות ותכולת האוויר של העיסה הטרייה ושל התערובת הקשויה.
*קצב ההקשייה של העיסה הטרייה.
*תכונות החוזק בלחיצה, כפיפה ומתיחה ועמידות בהולם של התערובות.
* תכונות שחיקה של פני השטח.
* ספיגות כללית וספיגות קפילרית.
*כושר העברת האדים של המלט הקשוי.
מובן כי מידת ההשפעה על התכונות הנזכרות תלויה בסוג הפולימר וכמותו במערכת (בערכים של היחס המשקלי בין הפולימר המוצק והצמנט), בכמות ואופי האמולסיה המימית ובשיטת האשפרה.
האמולסיות הפולימריות בהן משתמשים כמוספים למלט ובטון הינן פיזור קולואידלי דק (ispersion) של חלקיקים כדוריים של פולימר מוצק בשיעור של כ-30-50% מוצקים בתווך מימי. גודל החלקיקים הוא בסדר גודל של u0.1-0.5, והם מיוצבים בתווך המימי על ידי חומרים פעילי שטח (סורפקטנטים) הנספחים על פני החלקיקים ומפעילים כוחות דחייה אלקטרוסטטיים ביניהם. חומרים אלה משפיעים אף הם על התכונות הפיסיקליות והמכניות של תערובות הצמנט, מאחר והם גורמים ליצירת כמות גדולה של בועות אוויר מיוצבות ומיצלות (micelles) בעיסה הצמנטית. כדי ל"נטרל" השפעת הסורפקטנטים ולהקטין את תכולת בועות האוויר ניתן להשתמש בחומרים מונעי הקצפה המקטינים את מתח הפנים של התווך המימי ומונעים יצירת בועות אוויר מיוצבות. שימוש או אי-שימוש במונעי ההקצפה, שהינם לרוב שמנים סיליקוניים, יכול גם להשפיע במידה רבה וניכרת על תכונות המערכת, הן במצבה הטרי והן במצבה הקשוי.
לאחר ייבוש מי האמולסיה מתקרבים חלקיקי הפולימר זה לזה, כוחות המשיכה הבין מולקולריים גוברים על כוחות הדחייה החשמליים שבין החלקיקים, ואלה מתאחים ליצירת פילם פולימרי רציף. סביר להניח, כי במערכת מרוכבת צמנט-פולימר (PCC) קיימות שתי פזות/מטריצות הכרוכות ומשולבות זו בזו: האחת צמנטית מינרלית והשנייה פולימרית-אורגנית.
בארץ, עיקר השימוש במוספים הפולימריים הוא כתחליף לסיד שבו נהגו להשתמש כמרכיב בטיח בנוסף לצמנט ולחול. הסיד מקנה לתערובות המלט את העבידות הדרושה ואת הלכידות הגבוהה וכן את תכולת כליאת המים הנדרשת ממלט-טיח. המוספים הפולימריים מקנים לתערובת המלט את כל אותן תכונות הנדרשות ששימוש בהן אינו גורם למגרעות ולבעיות המוכרות, שמקורן בסיד, דוגמת התקשות איטית, חוזק נמוך, נקבוביות גבוהה והצטמקות גדולה.
בדיקות ומחקרים שנעשו תוך שימוש בטיח משופר במוספים פולימריים מראה כי הפולימרים אמנם משפרים את העבידות של עיסת המלט הטרייה ומקטינים את צריכת המים שלה, מה שגם מגדיל את חוזק הטיח.
הטיח הקשוי, המכיל מוספים פולימריים מאופיין בחוזק הדבקה משופר ובאטימות טובה יותר כנגד ספיגת מים קפילרית. השימוש המקובל המומלץ על ידי היצרנים והמשווקים הישראלים לתערובות של מלט-טיח מדבר על הרכב ביחס נפחי של צמנט לחול 1:3 ותוספת של 10% אמולסיה ממשקל הצמנט. אלא, שיש לזכור שאחוז המוצקים הפולימריים בתחליב הינו גודל שרירותי במידה רבה והוא נע בסביבות 30%-50% .
מה שקובע במידה רבה את תכונות המלט והטיח הוא תכולת החומר הפולימרי (המוצק) שבתערובת הסופית ולא תכולת האמולסיה. יש לציין כי יצרני האמולסיות האירופיים ממליצים על הוספת כמות אמולסיה שתיתן תכולה של 10-15% מוצקים פולימרים ממשקל הצמנט, דהיינו, כמות כפולה ויותר מהמקובלת בארץ.
2. מטרות המחקר ושיטתו
מאחר שברור שתכונות התערובות המכילות מוספים פולימריים תלויות בפרמטרים השונים
הקשורים בתכולת הפולימר, בכמות האמולסיה, בתכולת חומרים פעילי שטח ובשיטת ההוספה
והאשפרה, נדרשה מערכת מחקר מסודרת לבחינה ואפיון של הפרמטרים הללו.
למחקר המתואר נקבעו על כן מספר מטרות עיקריות:
1. לבחון ולאפיין את הגורמים העיקריים המשפיעים על תכונות תערובות המלט המכילות מוספים
פולימריים גם במצבן כעיסה טרייה וגם במצבן הקשוי.
2.לבחון את משפחות המוספים הפולימריים המקובלים בארץ, דהיינו אמולסיה על בסיס פולימר
אקרילי, ואמולסיה על בסיס פולימר SBR.
3.לאפיין שיטות בדיקה לבחינת איכות המערכות וכושר תפקודן, למניעת כשלים פוטנציאליים.
4.לנסח המלצות ביחס לתערובות המליטה וביחס לשיטת ההכנה והאשפרה, וזאת כדי להבטיח
תפקוד נאות של המערכות.
העבודה מתוכננת למשך שנתיים ובמסגרתה נבחנים הנושאים הבאים:
1. השפעת תכולת הפולימר על תכונות תערובת המלט הן במצבה הטרי והן במצבה הקשוי.
התכונות למעקב ובדיקה כוללות:
* שירוע העיסה הטרייה, כקנה מידה לעבידות.
* צפיפות ותכולת האוויר של העיסה הטרייה.
* צפיפות, ספיגות המים ותכולת האוויר של התערובת הקשויה.
* תכונות החוזק בלחיצה וכפיפה.
2. השפעת השימוש במוסף מונע הקצפה על התכונות הנזכרות לעיל.
הסורפקטנטים המצויים באמולסיה הפולימרית ושמטרתם לייצב את חלקיקי האמולסיה בתוך
התווך המימי, גורמים להיווצרות ולכליאה של בועות אוויר רבות בעיסת המלט ("הקצפה")
ומשפיעים בכך על התכונות של העיסה הטרייה והתערובת הקשויה. החומרים מונעי ההקצפה
גורמים ל"שבירת" הבועות ומניעתן עקב הקטנת מתח הפנים של המערכת. בה בעת עלולים
חומרים (סיליקוניים) אלה גם להשפיע על חוזקי ההדבקה של התערובת לתשתית.
3. השפעת שיטת ההכנה של התערובת על תכונותיה.
הוספת אמולסיה פולימרית אל תוך תערובת מוצקים יבשה עלולה לגרום ל"שבירת" האמולסיה
ולהפריע ליצירת הפילם הפולימרי הרצוף. בעבודה נבחנת על כן סדר ההוספה הנאותה של כלל
מרכיבי התערובת.
4. השפעת שיטת האשפרה על תכונות הטיח הקשוי.
אשפרתו של הצמנט נעשית כידוע בתנאי רטיבות גבוהים, דוגמת השריה במים. אולם התמצקותה
של האמולסיה ליצירת פילם פולימרי רציף אינה יכולה להתבצע בתנאים מימיים. העבודה תבחן
על כן מהי תוכנית האשפרה המתאימה שתאפשר גם את התקשות המלט הצמנטי וגם את התמצקות האמולסיה הפולימרית.
5. בחינת ההשפעה של המוספים הפולימריים על חוזק ההידבקות של המלט לתשתית בטון. נושא
זה כולל גם את השפעתה של שכבת "פריימר" (שכבה פולימרית שמקורה באמולסיה המתאימה)
על חוזק ההדבקה של שכבת מלט צמנטי ללא פולימר ועם פולימר אל פני התשתית המצופה
בפריימר.
הדו"ח שלפנינו כולל את תוצאות הבדיקות של חלק מהנושאים דלעיל, מאחר שהוא מסכם רק את
השנה הראשונה מתוך השתיים המיועדות לבחינת כל הנושאים.
3. תיאור החומרים ותערובות הניסוי
3.1 סוגי האמולסיות הפולימריות
במסגרת המחקר נעשה שימוש בשני סוגים של אמולסיות פולימריות כמוספים לתערובות המלט:
*אמולסיה של פולימר אקרילי )45% מוצקים)
*אמולסיה של פולימר )SBR32-36% מוצקים) (Styrene-Butadiene Rubber).
שתי האמולסיות הנזכרות נבחרו כחומרים המייצגים את שתי משפחות המוספים הפולימריים
המקובלים בארץ ובעולם - האקרילי וה- SBR, וללא כל קשר ומשמעות למקורם התעשייתי.
מוסף נוסף שנעשה בו שימוש במחקר זה הוא חומר מונע הקצפה ( AF=Anti foam )
מסוג Lumiten E-L תוצרת BASF, גרמניה. מונע ההקצפה הוא שמן סיליקוני מתאים ומטרתו
להוריד את מתח הפנים של המערכות המימיות ועל ידי כך למנוע היווצרות בועות קצף.
אלה מתהוות בגלל מציאות חומרים פעילי שטח (surfactants)שמקורם באמולסיה הפולימרית.
3.2 תערובות המלט
כל תערובות המלט היו מבוססות על צמנט וחול ("אשדוד") ביחס הבא: צמנט:חול = 1:3
(משקלי). התערובות הכילו את כמויות הפולימר הבאות (בערכים של אחוז פולימר מוצק ממשקל
הצמנט שבתערובת, P/C):
P/C 0.20 0.15 0.10 0.05
לכל התערובות שהכילו אמולסיה פולימרית היה יחס מים לצמנט קבוע בשיעור של W/C=0.45.
יחס זה נשמר קבוע כדי למנוע השפעות של תכולת המים על התכונות השונות של המלטים.
כמות המים הנזכרת מתייחסת לכמות הכוללת של המים ה"חופשיים" ומי-האמולסיה.
כל תערובת הוכנה במקביל ללא חומר מונע הקצפה (AF=Anti foam) וגם עם חומר מונע
הקצפה לשם השוואה בין תכונותיהם. כמות ה-AF הייתה בשיעור של 1% או 2% ממשקל
הפולימר, בהתאם לצורך.
בנוסף הוכנו שתי תערובות בקרה (reference) שלא הכילו כל מוסף פולימרי, אלא צמנט, חול
(ביחס משקלי 1:3 כנזכר לעיל) ומים בלבד, כדלקמן:
w/c= 0.45 *, בה היה יחס מים/צמנט זהה לזה שבתערובות שהכילו אמולסיה.
w/c= 0.65 *, בה היה יחס מים/צמנט גבוה יותר וזאת כדי לקבל תערובת מליטה בעלת
עבידות דומה לזו של התערובות שהכילו אמולסיה.
4. מסקנות והמלצות
להלן סיכום של עיקרי המסקנות וההמלצות, כפי שנתקבלו מתוצאות הניסויים המפורטים בפרקים הקודמים:
1. המוסף הפולימרי, בצורת אמולסיה מימית, מגדיל את השירוע ומשפר את העבידות של התערובות.
הוספת אמולסיה פולימרית לתערובת מליטה צמנטית מאפשרת עבודה נוחה יותר עם תערובות שתכולת המים שלהן נמוכה, אף כאלה שללא המוסף היו חסרות כל כושר עבידות. ניתן לקבל תערובות בעלות עבידות רצויה ומתאימה, גם בתכולות מים נמוכות למדי, כמו W/C=0.45, ואף פחות מזה. תערובות צמנטיות בעלות תכולת מים זו )0.45) שלא הכילו אמולסיה פולימרית, היו "יבשות" וחסרות כל כושר עבידות.
2. האמולסיה הפולימרית גורמת לתכולות אוויר גבוהות מאד בעיסה הטרייה )30-40% בנפח). בועות אוויר אלה מתהוות במערכת עקב מציאותם של חומרים פעילי שטח (סורפקטנטים) באמולסיה הפולימרית.
סורפקטנטים אלה מייצבים פיסיקלית את הבועות ומקשים על "שבירתם" והרחקתם. קיומן של בועות האוויר הרבות יחד עם הפיזור הקולואידיאלי של חלקיקי הפולימר הם התורמים לעבידות הטובה של העיסה הטרייה.
הוספת חומר מונע הקצפה לתערובת (בשיעורים של כ-1-2% מכמות הפולימר) גורמת "לשבירת" חלק מבועות האוויר המיוצבות ע"י הסורפקטנטים. כתוצאה מכך חלה ירידה ניכרת בתכולת האוויר עד לרמות של 5-15% בנפח לערך. החומר מונע ההקצפה מקטין כתוצאה מפעילותו זו גם את השירוע ואת העבידות של התערובת.
בגלל תכולת האוויר הגבוהה יש לעיסה הטרייה צפיפות נמוכה וקונסיסטנציה משחתית - מוקצפת. הוספת החומר מונע ההקצפה מגדילה את הצפיפות ואת ה"מוצקות" של העיסה.
3. מתוך ערכי הצפיפות של תערובות המלט הקשויות המכילות פולימר ומתוך הנתונים המתייחסים לתכולת האוויר הכללית של המלטים המוצקים, נראה כי בתערובת המוצקה כלוא אוויר רב, בשיעורים של 30% ויותר, בנפח. בתערובות המכילות מוסף מונע הקצפה, הצפיפות גבוהה יותר ותכולת האוויר הכלוא נמוכה יותר.
4. ספיגות המים הכללית של תערובות המלט הקשויות המכילות פולימר דומה לזו של התערובות שאין בהן פולימר. מאחר שספיגות המים היא פועל יוצא של חללי האוויר הפתוחים בלבד ניתן להסיק מכך כי המוסף הפולימרי אינו משפיע על תכולת חללי האוויר הפתוחים בתערובת.
5. חוזק הלחיצה של מלטים שטופלו במוסף מונע הקצפה ושתכולת האוויר שלהם נמוכה יותר עקב כך, עולה במידה ניכרת על חוזק הלחיצה של המלטים שאינם מכילים מוספים מונעי הקצפה, ושתכולת האוויר שלהם גבוהה. חוזק הלחיצה של הראשונים יכול להגיע, לאחר 90 יום, לערכים של 40-45 מגפ"ס.
בתערובות המכילות תכולות גבוהות מאוד של פולימר )20% משקלי) חוזקי הלחיצה נמוכים במידת מה, כנראה בגלל התכולה הגבוהה של הפזה הפולימרית הרכה.
ערכי חוזק הלחיצה של התערובות המכילות פולימר (ושטופלו במוסף מונע הקצפה) אינם נופלים בהרבה ולעיתים אף עולים על חוזקי הלחיצה של המלטים המקבילים שאינם מכילים פולימר, ושתכולת המים שלהם דומה. נראה אפוא כי להוציא מערכות שבהן תכולת פולימר גבוהה מאוד, נקבע חוזק הלחיצה של התערובת בעיקר על ידי תכולת המים ותכולת הצמנט (היחס מים לצמנט) ופחות על ידי המרכיב הפולימרי.
6. למוספים הפולימריים השפעה חיובית על חוזק הכפיפה של המלטים. התערובות המכילות גם מוסף מונע הקצפה מראות באופן כללי חוזקים גבוהים יותר מאלה של התערובות שאינן מכילות מוסף זה, ומאלה של התערובות שאינן מכילות פולימר כלל. כך למשל מגיעים חוזקי הכפיפה ל-8-7 מגפ"ס בתערובות המכילות פולימר בהשוואה ל-5-6 מגפ"ס של התערובות שאינן מכילות פולימר.
7. בהכנת תערובות צמנטיות המכילות מוספים פולימרים מומלץ להוסיף ראשית את המים ה"חופשיים" אל תוך תערובת הצמנט והאגרגטים ולבחוש היטב כדי להבטיח הרטבה טובה של המינרלים, ורק אז להוסיף את האמולסיה הפולימרית. כאשר מוסיפים ראשונה את האמולסיה אל תוך התערובת היבשה, ורק לאחר מכן את המים, מתהווה עיסה שתכולת האוויר שלה גבוהה מאד (כ-50% בנפח) ותכונותיה המכניות נחותות מאלה של המלטים שהוכנו בשיטה ה"נכונה".
8. ככלל - המוספים הפולימריים משפרים באופן משמעותי את חוזק ההידבקות של התערובת לתשתית צמנטית, תוך העלאת ערכי חוזק ההדבקה מ-1 מגפ"ס בערך ל-2-3 מגפ"ס, כתלות בהרכב התערובת. יחד עם זאת קשה על פי התוצאות להצביע על גורמים ספציפיים (תכולת הפולימר, מוסף מונע הקצפה וכיוצ"ב) המשפיעים במיוחד על העלאת חוזק ההדבקה.
גם השימוש באמולסיה פולימרית כפריימר על פני התשתית משפר את חוזק ההדבקה, והוא מומלץ לשימוש כאשר תערובת המלט אינה מכילה בתוכה מוסף פולימר. ללא פריימר חוזק ההדבקה של תערובות אלה נמוך יחסית (כ-1 מגפ"ס), והפריימר משפר אותם באופן משמעותי. ניתן בהחלט ליישם את שכבת המלט לאחר המתנה של יום, לאחר שהפריימר-אמולסיה יבש ויצר פילם פולימרי על פני התשתית.