3. dio: Mehanizmi procesa propadanja
Agresivne utjecaje okoline na beton možemo razdijeliti na mehaničke, kemijske i elektrokemijske, fizikalne i biološke. U prethodnom broju predstavili smo pregled mehanizama propadanja betona radi mehaničkog i kemijskog djelovanja, a u današnjem članku opisujemo mehanizme propadanja radi fizikalnog i biološkog djelovanja.
FIZIKALNO DJELOVANJE OKOLINE NA BETON
Oštećenja betona mogu se pojaviti zbog (1):
- deformacija elemenata po volumenu, kada im je deformacija spriječena (stezanje radi sušenja, pojava raspuklina);
- promjena u okolini (cikličko zamrzavanje / odleđivanje, navlaživanje / sušenje);
- neposrednih interakcija s okolinom (erozija; neki autori takve utjecaje okoline svrstavaju i u mehaničko djelovanje).
Pukotine
Glavni mehanizmi koji dovode do raspucavanja su (2):
- promjene dimenzija radi pojava u betonu (kretanje vlage, temperaturne razlike),
- povećanje specifičnog volumena materijala (betona ili armature),
- pomaci radi vanjskih utjecaja (opterećenja, diferencijalna podsjedanja).
Smrzavanje i odleđivanje
Beton je porozan materijal kod kojega pore mogu biti djelomično ili posve zasićene vodom. Ako se nalazi pod utjecajem niskih temperatura, voda u porama se počinje zamrzavati. Temperatura kod koje nastaje fazna promjena (prijelaz vode iz tekućeg u kruto stanje, odnosno u led) ovisna je o veličini pora (slika 1). Točka smrzavanja u porama manjim od 1,5 nanometara niža je od –70 °C (3). Zbog velikog raspona u veličini pora u cementnom kamenu, kod –30 °C smrznut će se približno trećina vode u porama. Prijelazom vode u led volumen se približno povećava za 9 posto i stoga nastaje pritisak leda na stijenke kapilara i vode dublje u kapilarama. Ako su ovi pritisci preveliki, dolazi do destrukcije cementnog kamena. Tijekom rashlađivanja se u manjim porama razvija hidraulični podtlak, koji uzrokuje kretanje tekuće vode iz malih u velike pore. Zbog ponavljanja ovih ciklusa smrzavanja i odleđivanja veće se pore pune vodom (2).
Slika 1: Ovisnost točke smrzavanja o veličini pora u betonu sa kloridima i bez njih (2)
Oštećenja betona nastaju još kod određenog stupnja zasićenosti pora vodom. Nazivamo je kritičnom zasićenošću, pod kojom je za evakuaciju vode iz zasićenih pora prilikom rashlađivanja dostatna po volji odabrana količina pora ispunjenih zrakom. Kritična zasićenost ovisi o starosti odnosno stupnju hidratacije betona, raspodjeli veličina pora, brzini mijenjanja temperature i mogućnosti isušivanja tijekom ciklusa smrzavanja i odleđivanja.
Laboratorijskim pokusima je bilo utvrđeno da se kritična zasićenost kreće između 0,80 i 0,95. Smrzavanje će tako ubrzo oštetiti vodom visoko zasićeni beton, dok suhom betonu neće naštetiti niske temperature. Takva oštećenja su učestala kod mladog betona, koji u porama još sadrži velike količine slobodne vode (4). Na normalno otvrdlom betonu oštećenja zbog zamrzavanja pojavljuju se obično nakon više ciklusa smrzavanja i odleđivanja, i to onda kada se beton između pojedinih ciklusa ne može osušiti u svim svojim dijelovima. Kod takvog djelovanja okoline zapazit ćemo značajno i upozoravajuće ljuštenje površinskog sloja betona.
Smrzavanje uz nazočnost soli
Prilikom smrzavanja, na razvitak procesa u betonu utječe i sol za otapanje (obično se tu radi o kalcijevim ili magnezijevim kloridima), koja prodire u unutrašnjost betona. Koncentracija soli se zato smanjuje s udaljavanjem od kontaminirane površine. Difuzija, do koje dolazi u pornoj vodi, dovodi do toga da se sadržaj soli u vodi smanjuje sa smanjenjem veličine pore. Ovisnost točke smrzavanja o veličini pore zato nije toliko izrazita ukoliko su u pornoj vodi rastopljeni kloridi (slika 1). Posljedica obaju navedenih utjecaja je ta, da se voda smrzava u malom opsegu temperature, a to opet smanjuje mogućnosti novog preraspoređivanja vode u porama. Beton se zamrzava u slojevima u različitim vremenima i zato se oštećenja iskazuju kao – ljuštenje površine.
Otpornost betona na smrzavanje i odleđivanje može se poboljšati ako mu se osigura odgovarajuća struktura pora (1). Najučinkovitija mjera je takozvano aeriranje, kod kojega odgovarajućim dodacima u strukturu betona unosimo umjetne pore, koje nisu ispunjene vodom. Pore sa zrakom, čija se veličina kreće od 0,05 do 1 milimetar, predstavljaju ekspanzijski prostor u kojemu se mogu oslobađati pritisci leda i hidraulični pritisci na stijenke kapilarnih pora. Učinkovitost sustava umjetnih pora ovisi o kritičnoj udaljenosti između pora, koju uvjetuje ukupna količina tih mikropora. Ona, naime, ne smije biti veća od određene kritične udaljenosti, a za postojanost je važan i udio pora manjih od 0,3 milimetra. Potrebna kritična udaljenost mora biti manja ako su uvjeti u kojima se odvija smrzavanje (niske kolebljive temperature, trajna vlažnost, nazočnost soli za odleđivanje) oštriji (2).
Negativna strana aeriranja je smanjenje tvrdoće betona. Prema dosadašnjim iskustvima ona iznosi od 4 do 5 posto za svaki postotak sadržine pora zraka. To treba uzeti u obzir posebno kod nosivih konstrukcijskih elemenata, koji su obično posredno ugroženi radi djelovanja soli za odleđivanje. Za većinu neposredno ugroženih elemenata zahtijevana tvrdoća tla obično i nije naročito visoka (4).
Erozija
U procese erozije ubrajamo habanje i kavitaciju.
Oštećenja od habanja (abrazije) izaziva interakcija među objektima ili materijalima koji se nalaze u dodiru sa betonskom površinom. U tipične primjere ubrajaju se industrijski podovi, pločnici sa velikom gustoćom prometa pješaka ili površine izložene klizanju sipkih materijala. Habanje je moguće i tamo gdje su čvrste čestice rastopljene u tekućoj vodi, koja je u dodiru sa betonskom površinom (brane, elementi za regulaciju toka, stupovi mostova). Otpornost betona na habanje osiguravamo uporabom grubog agregata visoke tvrdoće i visoke kakvoće (1, 2).
Kavitacija je posljedica promjene presjeka, otklona odnosno geometrije hidrauličnog toka. Tok se odvaja od površine korita pa zato na površini nastaju područja niskog pritiska, a u njima mjehurići zraka. Mjehurići putuju na statičko područje, tj. onamo gdje su pritisci veći te tamo iznenada pucaju. Prilikom pucanja u tekućini nastaju valovi pritisaka, nalik onima prilikom eksplozije.
Kavitaciju možemo najlakše izbjeći odgovarajućim hidrauličnim projektiranjem. Dođe li do oštećenja betona, ono ima oblik jamica. Otpornost betona na kavitaciju osiguravamo cementnom žbukom visoke kakvoće (2).
BIOLOŠKO DJELOVANJE
Rast vegetacije (lišajevi, mahovina, alge, a i korijeni biljaka) na površini betonskih konstrukcija radi prodiranja u unutrašnjost betona izaziva stvaranje raspuklina, a time i propadanje materijala. Uslijed sposobnosti zadržavanja vode vegetacija može izazvati visok sadržaj vode na površini, a to opet povećava rizik od procesa propadanja povezanih sa vodom (smrzavanja). Prilikom rasta i promjene nekih mikroorganizama ponekad mogu nastati i kiseline, koje razjedaju cementni kamen. Na betonu, koji je u stalnom dodiru s vodom mogu se pojaviti i školjke, a one prodiru duboko u strukturu betona i posve uništavaju zaštitni sloj betona iznad armature (2).
U praksi je najvažnije biološko djelovanje u kanalizacijskim vodama bez oslobođenog kisika. Bakterije, koje za svoj metabolizam ne trebaju kisik, stvaraju produkte koji u određenim uvjetima prelaze u sumpornu kiselinu, a ona dovodi do razgradnje čvrstih komponenata betona.
ZAKLJUČNE NAPOMENE
Trajnosti betona se posvećuje više pozornosti posebno u zadnje vrijeme, kada po čitavom svijetu utvrđuju da agresivna okolina potiče odnosno pospješuje propadanje betona. Zato se već pri projektiranju, a posebno za objekte veće važnosti koristi taj koncept, po kojemu objekt treba iskazivati odgovarajuću sigurnost, uporabljivost i nosivost. Trajnost betona možemo predvidjeti poznajemo li okolinu kojoj je objekt izložen te mehanizme mogućih procesa propadanja. Ako su granični uvjeti poznati i dobro određeni, možemo očekivati da će i projektiranje trajnosti betona biti uspješno.
Kako je većina procesa propadanja povezana sa prijenosom nekih tvari na beton, najčešće osiguravamo postojanost propisivanjem propusnosti betona ili debljinom zaštitnog sloja.
Nepropusnost betona osigurava se različitim postupcima koji se izvode tijekom projektiranja i izgradnje (proizvodnje i ugrađivanja betona). Prilikom projektiranja moramo osigurati da odabrane vrste i količine osnovnih materijala (cement, agregat, dodaci) budu takve, da konačnom proizvodu osiguravaju malenu propusnost, trebamo propisati odgovarajuću njegu betona, a možda predvidjeti i zaštitu njegove površine… Može se preporučiti dodavanje mikrosilike ili troske, koja jako smanjuje propusnost betona. Ako takvi dodaci smanjuju obradivost svježe mješavine betona, koja je potrebna za ugrađivanje betona visoke kakvoće, moramo predvidjeti i odgovarajuće kemijske dodatke.
Ukoliko su uvjeti takvi da beton mora biti otporan na smrzavanje, mješavini treba dodati odgovarajući kemijski dodatak – aerant.
doc. dr. Jana Šelih, dipl. ing. građ., ZAG Ljubljana
Izvori:
(1) N. Jackson, R. K. Dhir, Civil Engineering Materials, Macmillan Press, 1996.
(2) Durable concrete structures, Design Guide, Comite Euro-International du Beton (CEB), Thomas Telford Services, London 1992.
(3) J. Šelih, Movement of water during drying of fully saturated concrete, doktorska disertacija, University of New Brunswick, Kanada, 1994.
(4) J. Žnidarič, Trajnost armiranobetonskih konstrukcij, Gradbeni vestnik, 45, 1996., str. 171–211
