Agresivne utjecaje okoline na beton možemo podijeliti na mehaničke, kemijske i elektrokemijske, fizikalne te biološke. U ovom članku ćemo predstaviti mehanizme propadanja betona radi mehaničkog i kemijskog djelovanja.
MEHANIČKO DJELOVANJE OKOLINE NA BETON
Među utjecaje mehaničkog djelovanja ubrajamo prije svega:
- preopterećenja nosivog prereza i ciklička opterećenja konstrukcije, što kao posljedicu ima stvaranje raspuklina;
- udarce, koji imaju za posljedicu lomljenje betona;
- abrazivne učinke predmeta ili vozila koja kližu, udaraju i voze se, zbog čega dolazi do trošenja (erozije) površine;
- kavitaciju u obliku poderotina na konstruktivnim elementima u tekućoj vodi, koji su posljedica neodgovarajuće hidraulične oblikovanosti elementa, radi koje nastaju vrtlozi vode, a s njima i potpritisci na površini betona.
Kako cementni kamen ima razmjerno malu otpornost na mehanička opterećenja, otpornost betona na ove vrste djelovanja osiguravamo uporabom agregata otpornijeg na brušenje, primjereno niskim odnosom v/c i smanjivanjem sadržaja cementne paste (1).
KEMIJSKO I ELEKTROKEMIJSKO DJELOVANJE
Korozija betona
Ovim pojmom obično označavamo skupinu procesa propadanja betona, koji nastaju kao posljedica kemijskih reakcija agresivnih tvari iz okoline i sastojaka cementnog kamena. Glavne vrste korozije betona su posljedica:
- razgradnje hidratacijskih produkata,
- preobrazbe čvrstih komponenti,
- djelovanja ugljikovog dioksida (karbonatizacija betona),
- bubrenje čvrste komponente, i
- alkalno-agregatne reakcije.
Kod razgradnje hidratacijskih produkata radi se najčešće o izluživanju kalcijevog hidroksida iz porne vode u mekoj vodi, što smanjuje gustoću cementnog kamena, dok se propusnost betona povećava. Primjer tog procesa propadanja je prodiranje vode od otopljenog snijega kroz nepokrivenu ploču na kojoj se snijeg tali (slika 1).
Slika 1: Oštećenja betona na donjoj strani balkona radi prodiranja otopljenog snijega i smrzavanja
Kada na cementni kamen djeluju kiseline ili soli koje su nastale iz slabih baza ili snažnih kiselina, čvrste komponente betona preobražavaju se i obično od njih nastaju lako topive soli i voda. Novonastali spojevi su nestabilni, zbog čega struktura betona postaje rahla te se povećava propusnost i smanjuje njegova čvrstoća. Takvo propadanje možemo vidjeti na betonu koji se nalazi u dodiru s mineralnim vodama, kiselinama, rastopinama soli ili vrlo snažnim bazama.
Kalcijev hidroksid, koji je sastavni dio cementnog kamena, reagira sa slobodnim ugljikovim dioksidom iz zraka, pri čemu nastaje slabo topivi karbonat. Ta pojava naziva se karbonatizacija betona; radi nje opada alkalnost betona (pH < 10), a time i njegova sposobnost zaštite ugrađene armature od korozije. Kada se radi karbonatizacije pH-vrijednost betona još snižava (pH < 7), u prirodnom vlažnom okolišu nastaje lako topivi kalcijev bikarbonat, koji se kasnije može opet vezati s vapnom u cementnom kamenu, što omogućava zapunjavanje raspuklina. Tako karbonatizacija smanjuje poroznost i propusnost betona.
Nakon prodiranja u strukturu betona neke soli reagiraju sa mineralima cementnog kamena, dok novonastali spojevi u svoju strukturu vežu kristalnu vodu. Specifična zapremnina tih produkata je veća od specifične zapremnine prvobitnih spojeva pa zato dolazi do bubrenja. Dodatni pritisci na čvrstu matricu cementnog kamena uzrokuju nastajanje raspuklina i propadanje betona. Iz te skupine procesa propadanja betona najpoznatije je djelovanje sulfata, jer se kod njih stvara snažno nabubrivi etringit (1).
Pod pojmom alkalno-agregatna reakcija udružujemo više reakcija agregata i alkalnih tvari koje se nalaze u cementnom kamenu ili tek naknadno ulaze u beton iz okoline. Reakcije se razlikuju po kemijskim procesima, produktima kemijskih reakcija i posljedicama za beton. Najpoznatije su alkalnosilikatna i alkalnodolomitna reakcija. U cementu je malen udio natrijevih i kalijevih oksida, koji mogu vrlo snažno reagirati s nekim reaktivnim vrstama agregata kao što su opal, rožnac, andezit, riolit, dolomitni vapnenci, kremen sa slabom kristalnom rešetkom, kremen sa dodacima, deformirani kremen (iz metamorfnih stijena) i vrlo sitnozrnati kremen. Takva oštećenja često susrećemo na starijim objektima u Americi, Australiji, južnoj Africi, sjevernoj Njemačkoj i u Danskoj, kada pojava alkalno-agregatne reakcije još nije bila poznata.
Korozija armature
Korozija armature je kompleksan elektrokemijski proces, kod kojega je brzina napredovanja u betonu ovisna o propusnosti, električnom potencijalu i električnoj otpornosti betona. S obzirom na uzrok nastajanja, razlikujemo elektrokemijsku koroziju i koroziju radi klorida.
U normalnim uvjetima u okolini beton dobre kakvoće daje čeliku za armiranje dobru protukorozijsku ili takozvanu pasivnu zaštitu, koja djeluje tako, da se na površinu čelika u betonu čvrsto veže vrlo tanak sloj željeznog oksida. On je nepropustan i stabilan sve dok je pH-vrijednost betona oko njega dovoljno visoka (pH > 11). U cementnom kamenu bazičnost stvaraju alkalni oksidi i kalcijev hidroksid, koji nastaje pri hidrataciji cementa. Sve dok postoji pasivna zaštita, čelik neće biti izložen koroziji. Depasivacija nastaje ako se radi karbonatizacije, izluživanja ili djelovanja kiselih rastopina snižava alkalnost betona (pH < 9,5) ili ako je količina klorida u vodi unutar pora oko armature prevelika.
Kod elektrokemijske korozije na površini čeličnih šipki nastaju korozijske stanice, anoda i katoda. Galvanski proces može se odvijati ako elektroni, koji nastaju ionizacijom željeza na anodi, teku prema katodi i ako na površini armature ima dovoljno vode i kisika da vežu elektrone u ione OH-. Tada se čelik razgrađuje na anodnoj strani, gdje nakon toga nastaju željezni oksidi i hidroksidi (rđa), koji imaju specifičan volumen i do šest puta veći od specifičnog volumena željeza. Zato za početak korozijskog procesa moraju biti ispunjena tri uvjeta:
- između anode i katode mora postojati razlika u električnim potencijalima,
- na katodi mora biti dovoljno kisika,
- između područja anode i katode na površini čelika moraju biti omogućena strujanja elektrona i strujanja iona.
Korozije armature neće biti ako je beton posve suh ili zasićen vodom (3).
Obično postoji potrebna razlika električnih potencijala od nekih 100 mV, a može biti posljedica sadržavanja još neke kovine u betonskom elementu, različitih električnih svojstava čeličnih šipki ili različitih koncentracija rastopine (elektrolita) u betonskim porama. Elektrokemijska korozija najčešće nastupa ako je depasivacija posljedica karbonatizacije. U tom slučaju nastaju male anodne i katodne površine koje se nalaze jako blizu jedna drugoj, tako da je površina armaturne šipke o kojoj se radi više ili manje jednako korodirana (1).
Prekid pasivne zaštite radi prodora klorida izaziva takozvanu rupičastu koroziju. U tom slučaju na površini čelika nastaju velike katodne površine i vrlo malena anodna područja, na koja je prestala djelovati pasivna zaštita. U toj rupici se počinje odvijati i širiti proces korozije, a on ima za posljedicu veliko lokalno smanjenje prereza armaturne šipke.
Početak depasivacije radi klorida ovisan je o molarnom odnosu Cl-/OH u pornoj vodi betona na dodiru s armaturom. Ako je taj odnos veći od 0,6, željezo više nije zaštićeno od korozije, jer zaštitni sloj postaje nestabilan i propustan za kloride. Ioni klora koji su prodrli do armature kemijski reagiraju i nastaje željezni klorid, a on u dodiru s vodom prelazi u željezni hidroksid (rđu), slobodni vodik i opet klorid, tako da nastaje galvanski članak sa lokalno ograničenom anodom i velikom katodom. Na brzinu korozije ovdje utječu i kloridi, rastopljeni u pornoj vodi cementnog kamena. Zbog nepouzdanosti podataka o količini vezanih i slobodnih klorida u određenom betonu, većina propisa i stručnih preporuka spominje kao dopustivu granicu klorovih iona u betonu za ukupnu količinu klorida (vezanih i topnih) vrijednosti od 0,4 i 0,6 posto na masu cementa u betonu.
Na ovu granicu odlučujuće utječu kakvoća i vlažnost betona (slika 2). Kakvoća betona je pritom određena debljinom i propusnošću zaštitnog sloja, a ona je ovisna o odnosu v/c i stupnju njegovanja.
Slika 2: Promjena kritičnog sadržaja Cl sa promjenom relativne vlažnosti u okolini (1).
U prvom stupnju razvitka korozije agresivne tvari prodiru u beton bez vidljivih posljedica. U drugom stupnju se na površini betona pojavljuju smeđkaste mrlje rđe i karakteristične raspukline uzduž armaturnih šipki, naročito u uglovima, gdje su najviše izložene pristupu agresivnih tvari u beton. Kako rđa ima veći specifičan volumen od željeza, na trećem stupnju se – radi povećanog volumena korodiranih armaturnih šipki -beton razdvaja i počinje lomiti. Pored toga se smanjuje i prerez nekorodirane armature, koji smanjuje sigurnost cijele konstrukcije.
Na mjestima gdje se nalaze raspukline, kloridi i ugljikov dioksid prodiru prema armaturi nešto brže nego u raspucalom betonu. Propadanje je zato ovdje brže nego u neraspucalom betonu. Male raspukline do širine 0,4 milimetra obično se same zapunjavaju prljavštinom, kalcijem i rđom te zato još nisu opasne za opstojnost konstrukcije.
doc. dr. Jana Šelih, dipl. ing. građ., ZAG Ljubljana
Izvori
- J. Žnidarič, Trajnost armiranobetonskih konstrukcij, Gradbeni vestnik, 45, 1996., str. 171–211
- A. Mladenovič, J. Strupi Šuput, F. Capuder, Re-occuring damage to hollow RC columns caused by ASR in the hardened grout mixtureused in previous repair works, zbornik 11. Int. Conf. on Alkali-Aggregate Reaction, Quebec, 2000., str. 879–887
- Durable concrete structures, Design Guide, Comite Euro-International du Beton (CEB), Thomas Telford Sevices, London 1992
