Procesi propadanja betona, 1.dio

1.dio AGRESIVNI UTJECAJI IZ OKOLINE I MEHANIZMI PRIJENOSA TVARI U BETONU

Beton je kompozitni materjial koji se sastoji od veziva – matrice cementnog kamena, i punila – zrna agregata. Punilo, koje je obično mineralnog podrijetla, daje betonu stabilnost volumena. Cementni kamen nastaje tijekom procesa hidratacije (reakcije između cementa i vode) te veže agregatna zrna. Osobine betona su ovisne o osobinama veziva i punila, njihovom količinskom odnosu i međusobnim fizikalnim i kemijskim vezama.

k15-20-s0-200.jpgJoš donedavna su beton držali trajnim građevinskim materijalom. No, danas na različitim objektima u gradskom i industrijskom okolišu te na cestama i mostovima, na koje se zimi baca sol zbog poledice, već nakon svega dvadeset godina uporabe otkrivamo na njemu veća ili manja oštećenja. Najučestaliji su razni oblici izlučivanja soli, propadanje i / ili ljuštenje betona zbog djelovanja mraza i oštećenja betonskog prekrivača iznad armature radi njezine korozije u oblicima uzdužnih raspuklina i otpadanja prekrivača. Glavni uzroci za nastajanje tih oštećenja su:

  • ubrzana karbonatizacija betona kod viših koncentracija ugljikovog dioksida u vodi i u zraku; karbonatizacija je jedan od najčešćih uzroka za sniženje alkalnosti betona, koji čeličnoj armaturi daje takozvanu pasivnu zaštitu od korozije;
  • kloridi u tlu, morskoj vodi i priobalnoj atmosferi te u solima za odmrzavanje kolnika, koji pasivnu zaštitu razgrađuju još brže i djeluju u procesu korozije;
  • temperaturne promjene i djelovanje mraza, uvijek uz nazočnost soli za odmrzavanje, jer uzrokuju raspadanje cementnog kamena;
  • djelovanje meke vode, jer se smanjuje gustoća betona;
  • djelovanje nekih kiselina na cementni kamen; radi izlučivanja soli za otapanje povećava se poroznost betona, a time smanjuje i njegova tvrdoća, a i otpornost na većinu agresivnih utjecaja.

Propadanje betona je većinom kombinacija već spomenutih utjecaja. Gore nabrojenima često se pridružuju još i stezanje (krčenje) te podsjedanje betona, slaba osnova i izvedba konstrukcije i njezinih pojedinih dijelova te nedostaci prilikom gradnje, zbog kojih se prevladavajući proces propadanja ubrzava (1).

Sommerville (2) navodi učestalost pojedinih uzroka propadanja, kao što je predstavljeno na slici 1.

k15-20-s1-p-300.jpgSlika 1: Navedeni procesi propadanja za mostove, stanove i konstrukcije u morskom okolišu

OTPORNOST BETONA NA AGRESIVNE UTJECAJE

Otpornost znači sposobnost materijala da se tijekom uporabe odupire promjenama osobina i propadanju radi agresivnih utjecaja. Pri tome se obično radi o vrlo složenim procesima odnosno mehanizmima propadanja. Otpornost betona je ovisna kako o korištenim materijalima te sastavu i strukturi betona, tako i o vrsti i intenzivnosti vanjskih utjecaja na konstrukciju. Ista vrsta betona može pri različitim vanjskim utjecajima imati različitu otpornost te zato omogućava različit životni vijek konstrukcije.

Mehanizmi propadanja (degradacije) su procesi ili reakcije koji mijenjaju svojstva materijala ili građevinskog elementa. Kod sinergijskih učinaka je propadanje materijala kombinacija više pojedinačnih procesa. U prirodnom okružju su procesi propadanja materijala dugotrajni i nastaju kao posljedica niza okolnosti koje ne možemo do kraja i uvijek pratiti, pa je zato pravi mehanizam propadanja dosta teško utvrditi.

Dobro poznavanje mehanizama propadanja je jako značajno kad se utvrđuju stanja oštećenih konstrukcija i osnove za sanaciju oštećenih objekata, ali i pri projektiranju i utvrđivanju trajnosti zahtjevnih objekata (3).

AGRESIVNI UTJECAJI NA BETON I UZROČNICI PROPADANJA ARMIRANOG BETONA

k15-20-s2-p-250-400.jpgTijekom uporabe građevinskog objekta beton je izložen agresivnim utjecajima podneblja te drugim agresivnim utjecajima iz okoline, ili onima vezanim uz njegovu uporabu. Ove i njima pripadajuće uzroke propadanja betona dijelimo na četiri glavne skupine: mehaničke, fizikalne, kemijske i elektrokemijske, te biološke.

Za navedena četiri utjecaja na beton, na slici 2 su prikazani uzročnici pojedinih agresivnih utjecaja u srednjem krugu, a posljedice njihovog djelovanja na armirani beton izvan kruga.

Slika 2: Agresivni utjecaji na beton, njihovi uzročnici i posljedice

PRODIRANJE AGRESIVNIH TVARI U CEMENTNI KAMEN

Propadanje betona radi kemijskih i fizikalnih utjecaja prije svega je posljedica propusnosti betona i prijenosa agresivnih tvari u poroznu strukturu betona s fizikalnim procesima:

  • upijanja (apsorpcije),
  • difuzije, i
  • protjecanja pod pritiskom.

Prijenos agresivnih tvari može se događati putem vode, ili je ona potrebna za reakciju. Zato je nazočnost vode odnosno vlage u porama cementnog kamena odlučujuća za početak i napredovanje više raznih procesa propadanja.

Stupanj kemijske agresivnosti na beton ovisan je i o vrsti i koncentraciji agresivne tvari, a na nju još dodatno utječu:

  • brzina protjecanja vode u kojoj su rastopljene agresivne tvari i koja isplahnjuje sastojke cementnog kamena i vapno iz porne vode; o brzini vode ovisi i brzina pristizanja agresivnih tvari i odnošenja topivih produkata korozije betona;
  • učestalost promjene visine vodene površine, jer se kod svakog povlačenja vode povećava koncentracija agresivnih tvari;
  • trajanje djelovanja agresivnog utjecaja;
  • moguć jednostrani pritisak na element, koji pospješuje unos agresivnih tvari;
  • povišena temperatura, jer pospješuje kemijske procese.

Intenzivnost procesa upijanja, difuzije i tečenja ovisi o pornoj strukturi cementnog kamena odnosno sustava pora. U kompozitu kakav je beton, veličine tvrdih čestica i pora kreću se u rasponu od sedam razreda veličine. S obzirom na veličinu i njihovu funkciju, u strukturi betona razlikujemo četiri vrste pora:

  • pore u agregatu,
  • gelne pore u cementnom kamenu,
  • kapilarne pore u cementnom kamenu,
  • praznine u betonu radi njegove slabe zgusnutosti.

Količina kapilarnih pora ovisni o odnosu (v/c) između vode i cementa. Ako se on poveća, ili se smanji stupanj hidratacije (ovisna je o dužini i odgovarajućoj njezi betona), udio kapilarnih pora u betonu se povećava. Kod povećane količine kapilarnih pora povećava se i propusnost betona, a time se opet smanjuje njegova otpornost na kemijske i fizikalne agresivne utjecaje (4). Kapilarne pore u betonu dijele se na površinske i unutarnje, koje mogu biti zatvorene te između sebe razdvojene ili povezane u kanale, kada je odnos v/c visok. Površinskim porama povezani kanali omogućuju prodor tekućina i plinova u unutrašnjost betona.

Fizikalni procesi prijenosa tvari

Difuzija je kretanje tvari radi kemijskog, vlažnosnog ili temperaturnog potencijala, a proces opisujemo Fickovim zakonima. Ako se koncentracija tvari (C) po presjeku betona mijenja protjecanjem vremena, što se često događa u betonu, takvu pojavu opisuje drugi Fickov zakon:

1.jpg                                                                             

pri čemu su:

2.jpgD- mkoeficijent difuzije (m2/s).

Značajan primjer kretanja tvari kroz beton po zakonu difuzije predstavlja difuzija iona klora i karbonatizacija radi slobodnog CO2 u zraku. Prijenos vlage difuzijom je moguć kroz mikrokapilare, gelne pore i pore zahvaćenog zraka. Najčešće nastaju kombinirani utjecaji sastojaka radi različitih koncentracija vlage, rastopina i temperaturnih razlika.

Količina upijanja (apsorpcije) vode (qa) u vremenu (t) ovisna je o kapilarnoj poroznosti i srazmjerna koeficijentu kapilarnog upijanja (A), koji se utvrđuje pokusom i izražava u kg/m2×s0,5:

3.jpg

Intenzivnost i brzina kapilarnog upijanja su ovisni o pornoj strukturi betona i površinskoj napetosti vode.

Protjecanje pod vanjskim pritiskom opisuje se Darcyjevim zakonom:

4.jpg

kod čega je:

  • q      –   količina protoka (l),
  • k      –   koeficijent propusnosti (m/s), koji je ovisan o udjelu kapilarnih pora odnosno odnosa v/c i stupnja hidratacije,
  • h      –   promjena pritiska na dužini L (metri vodenog stupa),
  • A     –   površina protočnog presjeka (m2),
  • L      –   dužina protoka (m).

Koeficijent propusnosti vode za običan beton iznosi od 10-8 do 10-10 m/s  i ovisi o veličini i međusobnoj povezanosti pora u betonu.

5.jpgTabela 1: Utjecaj vlažnosti na brzinu različitih procesa propadanja betona

Količina vode odnosno vlage u betonu ima različit značaj kod raznih vrsta procesa propadanja betona (tabela 1). Tijekom napredovanja kemijske agresije, koja napreduje utoliko brže ukoliko ima više vlage, napreduju i procesi radi difuzije plinova (na primjer karbonatizacija), i to najbrže onda, kad pore betona nisu ispunjene vodom, jer je tada dostupnost plina (pri karbonatizaciji CO2) iz okolice najbrža, dok istodobno ima dovoljno vlage za napredovanje kemijske reakcije.

 

 

doc. dr. Jana Šelih, dipl. inž. gr., ZAG Ljubljana

PODIJELI