Lapszámok

Cikksorozatunkban folytatjuk annak az izgalmas építőanyagnak a történetét, amely mára a legfontosabb építőanyaggá, egyben a földön a víz után a legnagyobb mennyiségben használt anyaggá vált. A római kort követően áttekintettük a középkor történetét, eljutottunk a beton legújabb kori felfedezéséig, majd egy népcsoport, a nabateusok miatt visszatértünk a római kort megelőző időszakra. Megnéztük a mai korszerű vasbetonok kialakulásának folyamatát, majd számba vettük, hogy hogyan alakultak ki a mai értelemben vett korszerű beton- és vasbeton szerkezetek. Három részben nyomon követtük a portlandcement elterjedését a világban, a legutóbbi részben pedig a betonkészítés eszközeinek fejlődését vizsgáltuk.

Most azt fogjuk górcső alá venni, hogy hogyan fejlődtek ki az adalékszerek, amelyek mára az egész világon forradalmasították a betontechnológiát.

Mire jók az adalékszerek, főként beton esetében?
A mai betonok kötőanyaga a portlandcement, amelynek teljes szilárdulásához a keverővíz mennyiségének csak kb. 40%-ára van szüksége. Kizárólag a jobb bedolgozhatóság érdekében adunk a cementhez ennél a 40%- nál több vizet. Ez a felesleges víz elpárolog és kapillárisokat hagy maga után. A kapillárisok – más szóval a beton pórustérfogata – befolyásolják a cementkő vízáteresztő képességét, amelyeken keresztül a beton minden más károsító anyagot is képes magába fogadni. A károsító anyagok (pl. sólé) csak akkor tudják hatásukat kifejteni, ha bejutnak a beton belsejébe. Itt nemcsak a cementkövet rongálják, hanem – vasbeton esetén – az acélbetétek korrózióját is okozzák. A cementkőben lévő pórusok számát és nagyságeloszlását a víz és a cement aránya (víz/cement-tényező), a tömörítés mértéke és a hidratáció foka befolyásolja. Ezek közül a víz/cement-tényezőt és az ezzel összefüggő tömöríthetőséget tudjuk betonadalékszerek (elsősorban képlékenyítők és folyósítók) adagolásával hatásosan szabályozni. A betonadalékszerek olyan anyagok, amelyeket a betonhoz kis mennyiségben, folyékony vagy por alakban adunk hozzá. Ezek kémiai, illetve fizikai hatásuk révén befolyásolják a friss- és a megszilárdult beton tulajdonságait. A keverővíz mennyiségének csökkentését (kisebb víz/ cement-tényezőt) és a bedolgozhatóság egyidejű javítását főként képlékenyítő és folyósító adalékszerekkel tudjuk hatásosan megoldani. Ezek hatására a beton szinte minden tulajdonsága javul, így lesz betonunk tömör struktúrájú és tartós építőanyag.

Honnan eredeztethetők a mai adalékszerek, mikor és kik használtak először ilyen anyagokat?
Az első felismerések már nagyon régen megtörténtek, hiszen az i. e. 3. század és az i. sz. 17. század eleje között megépített kínai nagy fal építésénél már használtak egy ragacsos rizshabarcsot, melynek kötése erősebb volt a hagyományos habarcsénál. A cikksorozat nyolcadik részében olvashattunk arról is, hogy Kínában az úgynevezett „San-He” talajt széles körben használták már az i. sz. 5. századtól kezdve. Az ebből készített keverék megkötését követően jelentős szilárdságot mutatott, így igénybe vétele egészen az 1900- as évek elejéig kitartott. Szerves adalékanyagokat is alkalmaztak, amelyek a mai modern adalékszerek előfutárainak tekinthetők. Meg kell tehát állapítanunk, hogy Kínában az „adalékszerek” használata folyamatos volt, hiszen a rizspép és más szerves anyagok is ebbe a kategóriába sorolhatók.

Ugyanakkor már a rómaiak is rájöttek, hogy bizonyos anyagok, mint a tej, a vér, a zsír, illetve egyes szerves anyagok: pl. a melasz, a tojás, a rizspép javítják a keverék bedolgozhatóságát. Tényként kell tehát elfogadnunk, hogy az adalékszerek története egyidős a beton történetével, amint arról a cikksorozat első részében is olvashattunk. A Nyugat-Római Birodalom 476-ban bekövetkezett bukásával lezárult ez a korszak, amit ókornak nevezünk, és kezdetét vette a középkor. A középkorban a rómaiak által épített aquaeductot például az ördög művének tekintették, a rómaiak után fennmaradt építményekből építkezés céljára betontömböket vágtak ki és kőbányának használták azokat. Nem csoda, hogy Európában az adalékszerekkel kapcsolatos ismeretek is feledésbe merültek.

Honnan datálhatók a jelenkori adalékszerek és mik voltak az első felismerések?
Ismereteink szerint 1850 után kezdődtek el azok az első kísérletek, amelyek már a betontechnológiának ezzel a kérdéskörével foglalkoztak. Az egyik kísérlet során például borkövet használtak és azt vizsgálták, hogy ez az anyag hogyan hat a beton bedolgozhatóságának javítására. A borkő a borászatból ismert fogalom, amely a borból válik ki és a palack aljára, valamint a dugó felületére rakódik le. A borkő tulajdonképpen a borkősav savanyú sója, kémiai neve kálium-hidrogén-tartarát (C4 H5 KO6 ). Arra is rájöttek, hogy a szóda, más néven nátrium-karbonát (Na2 CO3 ) és a kalcium-klorid (CaCl2 ) meggyorsítja a cementes keverékek kötését. Ezzel ellentétes hatást vált ki a cukor, amely késlelteti azt. A köznyelvben cukor alatt többnyire a kémiában mono- és diszacharidnak nevezett szénhidrátok kristályait értjük. A kalcium-klorid kötésgyorsító hatására az első szabadalmat Németországban adták be 1873-ban. Ezt követően 1885-ben faggyúval és kaolinnal is végeztek vizsgálatokat a beton tulajdonságainak javítására.

Tekintsük át a mai modern adalékszerek megjelenésének legfontosabb mérföldköveit
K. Winkler cementhabarcshoz használható vízzáró adalékszerre kapott szabadalmat Svájcban 1910-ben. Szintén ebben az évben jelentek meg Németországban az első márkázott adalékszerek. 1912-ben jöttek rá arra, hogy a szappanok kismértékben javítják a bedolgozhatóságot. Duff A. Abrams 1918-ban jelentette meg Design of Concrete Mixtures című kutatási jelentését, amely már az adalékszerek témakörével is foglalkozott. Magyarországon az 1930-as évek közepétől gyártották a svájci Tricosal cég tömítőszereit és kötésgyorsító adalékszereit. 1938-ban G. R. Tucker kapott szabadalmat vegyi anyagok olyan betonban történő használatára, amelyek hidraulikus cementekkel készülnek. Őt követte E. W. Scripture szabadalma 1939-ben egy olyan kémiai adalékszerre, amely a szulfit szennylúgon alapult. Ebből fejlődtek ki az első ligninszulfonát hatóanyagú képlékenyítő adalékszerek. Szintén 1939-ben kapott szabadalmat K. Winkler hidroxilezett karbonsav adalékszerre. Őt követte 1948-ban Donald R. MacPherson szabadalma, amely cukormentesített szulfit szennylúgon alapult és a kötési idő, valamint a szilárdság eltéréseinek kiküszöbölésére irányult. Ezzel tovább fejlődtek a ligninszulfonát hatóanyagú képlékenyítő adalékszerek. Az első vízcsökkentő hatású adalékszerek kifejlesztésére 1955-ben került sor, amelyet 1962-ben követett az első amerikai általános adalékszer szabvány: ASTM C 494-62T Chemical Admixtures for Concrete (Kémiai adalékszerek betonhoz).

1937–39 között az Egyesült Államokban jöttek rá arra, hogy a betonban mesterségesen létrehozott mikróméretű légbuborékrendszer fagy- és olvasztósóállóságot kölcsönöz a betonnak. Minderre pedig cementőrlési kísérletek közben bukkantak rá, amikor egy bizonyos fajta vinzol-trietanolamin szerrel kísérleteztek. Erre a tudásra amerikai szabvány is készült, amelyet 1942-ben adtak kis ASTM C 175-42T Air Entraining Cements (Légbuborékképző cementek) címmel. Légbuborékképző cementet gyártani azonban nem volt túl praktikus dolog, ezért keresték a gyakorlatiasabb megoldásokat. Ezt 1946- ban találták meg folyékony beton adalékszer formájában, amely 2 százalékos nátrium-hidroxid-oldatban1 font vinsolt tartalmazott gallononként. A módszerre 1950-ben adták ki a szabványt: ASTM C 260 Air Entraining Admixtures for Concrete (Légbuborékképző adalékszer betonhoz) címmel.

Mit jelent az, hogy az adalékszerek forradalmasították a betontechnológiát?
A cikksorozat előző részében láthattuk, hogy hogyan keverték meg a betont kézi erővel még az 1900-as évek elején is. Amikor megjelentek a gépi berendezések, amelyek megkönnyítették ezt a nehéz fizikai munkát, kiderült, hogy ezek ugyan segítik a betonozást, de a keverékek több vizet igényelnek. A hagyományosan kézi erővel megkevert betonok konzisztenciája alig földnedves vagy földnedves volt. Az ezzel a módszerrel készített betonok tartósnak bizonyultak, hiszen a budapesti kisföldalatti vasút ma is azok között a betonfalak között közlekedik, amelyeket az 1894-ben Klösz György által készített fotó megörökített. Láthattuk, hogy a víztartalom növelésével romlik a beton minősége, amit számszerűen a szilárdság és a víz/cement-tényező közötti összefüggéssel Zielinszki Szilárd fektetett le 1908-ban (Duff A. Abrams csak 1918-ban): minél kisebb a víz/cement-tényező, annál nagyobb a szilárdság.

A képlékenyítők (lignin bázisúak) megjelenésével sikerült valamelyest csökkenteni a víztartalmat és javítani a bedolgozhatóságot. Az igazi áttörést azonban a folyósítók (melamin-, naftalin- és vinilpolimer-bázisúak) megjelenése hozta, amelyekkel már jelentős vízmegtakarítást lehetett elérni és a tömöríthetőség is jelentősen javult. Ezeknek a szereknek időben korlátozott volt a hatásuk, így az első szerekkel készített betonokat gyorsan be kellett dolgozni, vagy – transzportbetonok esetén – a helyszínen után kellett adagolni. Ezeken a problémákon segítettek a ma már szinte mindenhol a világon kizárólagosan használt ún. PCE- (polikarboxilát-éter) bázisú szerek. Ezek hatása ugyanis időben jelentősen kitolható, így a beton akár három órán kkeresztül is bedolgozható marad. Ezekkel a szerekkel készíthetők az ún. öntömörödő betonok (SCC) is, amelyek használata esetén már vibrációs tömörítésre sincs szükség, mert a beton magától tömörödik. Ez a betonfajta munkavédelmi szempontból is jól teljesít, hiszen elmarad a vibrátorok keltette jelentős zajhatás.

Felhasznált irodalom:
Löschnig, P. – Asztalos. I.: A beton tartósságának javítása beton adalékszerekkel. Beton 1997. december, 3. 20–22. oldalak
Vitruvius: Tíz könyv az építészetről. Képzőművészeti Kiadó, Budapest, 1988
Nobis, R.: Illustrated History of Cement and Concrete – The Exciting Development of two Outstanding Building Materials. ZVD Kurt Döringer GmbH & Co. KG, Heidelberg, 2021
Andai Pál: A mérnöki alkotás története. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1959
Wikipedia: Kínai nagy fal. https://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%ADnai_nagy_fal 2022. március 5.
Borászportál.hu – Borlexikon – Borkő https://www.boraszportal.hu/borlexikon/b-borko-32
Walter H. Price: – California, Laguna Hills 1976 – The Aberdeen Group
Buday, T.: Betonadalékszerek. ÉTK Kft. Budapest, 1999
Okamura, H. – Ouchi, M.: Self-compacting concrete – Journal of Advanced Technology Vol. 1, No. 1, 5-15, April 2003 / Copyright © 2003 Japan Concrete Institute

(fotók: https://hu.123rf.com/)