Beton je kompozitni material, ki sestoji iz veziva – matrike cementnega kamna – in polnila – zrn agregata. Polnilo, ki je navadno mineralnega izvora, daje betonu volumsko stabilnost. Cementni kamen nastane med procesom hidratacije (reakcije med cementom in vodo) ter veže agregatna zrna. Lastnosti betona so odvisne od lastnosti veziva in polnila, od njunega količinskega razmerja ter medsebojnih fizikalnih in kemijskih vezi.
Še pred nedavnim je beton veljal za trajno gradivo. Dandanes pa na različnih objektih v mestnem in industrijskem okolju ter na cestah in mostovih, ki jih pozimi solijo zaradi poledice, že po dvajsetih letih uporabe ugotavljamo večje ali manjše poškodbe. Najpogostejše so razne oblike izločanja soli, propadanje in/ali luščenje betona zaradi delovanja mraza in poškodbe betonskega prekritja nad armaturo zaradi njene korozije v obliki vzdolžnih razpok in odpadanja prekritja. Glavni vzroki za nastanek teh poškodb so:
- pospešena karbonatizacija betona pri višjih koncentracijah ogljikovega dioksida v vodi in zraku; karbonatizacija je eden od najpogostejših vzrokov za znižanje alkalnosti betona, ki sicer jekleni armaturi daje tako imenovano pasivno zaščito pred korozijo;
- kloridi v zemljinah, morski vodi in priobalni atmosferi ter v soleh za odtaljevanje vozišč, ki pasivno zaščito še hitreje razgrajujejo in delujejo v procesu korozije;
- temperaturne spremembe in delovanje mraza, zlasti v prisotnosti talilnih soli, ker povzročajo razpadanje cementnega kamna;
- delovanje mehke vode, ker se zmanjša gostota betona;
- delovanje nekaterih kislin na cementni kamen; zaradi izločanja topnih soli se poveča poroznost betona, s tem pa zmanjšata njegova trdnost in odpornost proti večini agresivnih vplivov.
Propadanje betona je večinoma kombinacija več omenjenih vplivov. Zgoraj naštetim se pogosto pridružijo še krčenje in lezenje betona, slaba zasnova in izvedba konstrukcije in njenih detajlov ter napake pri gradnji, zaradi česar se prevladujoči proces propadanja pospeši.
ODPORNOST BETONA PROTI AGRESIVNIM VPLIVOM
Odpornost pomeni sposobnost materiala, da se med uporabo upira spremembam lastnosti in propadanju zaradi agresivnih vplivov. Pri tem gre navadno za zelo zapletene procese oziroma mehanizme propadanja. Odpornost betona je odvisna tako od uporabljenih materialov ter sestave in strukture betona kot od vrste in intenzivnosti zunanjih vplivov na konstrukcijo. Ista vrsta betona ima pri različnih zunanjih vplivih lahko različno odpornost, zato omogoča različno življenjsko dobo konstrukcije.
Mehanizmi propadanja (degradacije) so procesi ali reakcije, ki spreminjajo lastnosti materiala ali gradbenega elementa. Ob sinergijskih učinkih je propadanje materiala kombinacija več hkratnih procesov. V naravnem okolju so procesi propadanja materiala dolgotrajni in posledica niza okoliščin, ki jih ne moremo povsem spremljati, zato je pravi mehanizem propadanja pogosto težko ugotoviti.
Dobro poznavanje mehanizmov propadanja je zlasti pomembno pri ugotavljanju stanja poškodovanih konstrukcij in zasnovi sanacije poškodovanih objektov, pa tudi pri projektiranju in zagotavljanju trajnosti zahtevnih objektov.
Navajani procesi propada za mostove, stavbe in konstrukcije v morskem okolju ter parkirišča.
AGRESIVNI VPLIVI NA BETON IN POVZROČITELJI PROPADANJA ARMIRANEGA BETONA
Med uporabo gradbenega objekta je beton izpostavljen podnebnim in tudi drugim agresivnim vplivom iz okolja ali v zvezi z uporabo. Te in pripadajoče vzroke propadanja betona delimo na štiri glavne skupine: mehanske, fizikalne, kemijske in elektrokemijske ter biološke.
PRODIRANJE AGRESIVNIH SNOVI V CEMENTNI KAMEN
Propadanje betona zaradi kemijskih in fizikalnih vplivov je najprej posledica prepustnosti betona in prenosa agresivnih snovi v porozno strukturo betona s
vpijanja (absorpcije),
difuzije in
tečenja pod pritiskom.
Prenos agresivnih snovi lahko poteka le z vodo ali pa je ta potrebna za reakcijo, zato je prisotnost vode oziroma vlage v porah cementnega kamna odločilna za začetek in napredovanje več procesov propada.
Stopnja kemijske agresivnosti na beton je odvisna tudi od vrste in koncentracije agresivne snovi, nanjo pa dodatno vplivajo še:
- hitrost toka vode, v kateri so raztopljene agresivne snovi ter ki izplakuje sestavine cementnega kamna in apno iz porne vode; od hitrosti vode je odvisna hitrost prinašanja agresivnih snovi in odnašanja topnih produktov korozije betona;
- pogostost menjave višine vodne gladine, ker se po vsakem umiku vode poveča koncentracija agresivnih snovi;
- trajanje delovanja agresivnega vpliva;
- morebitni enostranski pritisk na element, ker pospešuje vnos agresivnih snovi;
- povišana temperatura, ker pospešuje kemijske procese.
Intenzivnost procesov vpijanja, difuzije in tečenja je odvisna od porne strukture cementnega kamna oziroma sistema por. V kompozitu, kakršen je beton, se velikosti trdnih delcev in por gibljejo v razponu sedmih velikostnih razredov. Glede na velikost in njihovo funkcijo v strukturi betona razlikujemo štiri vrste por:
- pore v agregatu,
- gelne pore v cementnem kamnu,
- kapilarne pore v cementnem kamnu,
- praznine v betonu zaradi njegove slabe zgoščenosti.
Količina kapilarnih por je odvisna od razmerja (v/c) med vodo in cementom. Če se to poveča ali stopnja hidratacije (odvisna od dolžine in ustreznosti nege betona) zmanjša, se delež kapilarnih por v betonu poveča. Pri povečani količini kapilarnih por se poveča tudi prepustnost betona, s tem pa se precej zmanjša njegova odpornost proti kemijskim in fizikalnim agresivnim vplivom (4). Kapilarne pore v betonu se delijo na površinske in notranje, ki so lahko zaprte in med sabo ločene ali pa povezane v kanale, kadar je razmerje v/c visoko. S površinskimi porami povezani kanali omogočajo prodor tekočin in plinov v notranjost betona.
FIZIKALNI PROCESI PRENOSA SNOVI
Difuzija je gibanje snovi zaradi kemijskega, vlažnostnega ali temperaturnega potenciala, proces pa opišemo s Fickovimi zakoni. Če se koncentracija snovi (C) po preseku betona s časom spreminja, kar je v betonu pogosto, opisuje ta pojav drugi Fickov zakon:
pri čemer pomenijo:
- sprememba koncentracije snovi s časom,
- sprememba koncentracije snovi po preseku,
- koeficient difuzije (m2/s).
Značilna primera gibanja snovi skozi beton po zakonu difuzije sta difuzija klorovih ionov in karbonatizacija zaradi prostega CO2 v zraku. Transport vlage z difuzijo je možen skozi mikrokapilare, gelne pore in pore zajetega zraka. Najpogosteje nastanejo kombinirani vplivi gradientov zaradi različnih koncentracij vlage, raztopin in temperaturnih razlik.
Količina vpijanja (absorpcije) vode (qa) v času (t) je odvisna od kapilarne poroznosti in sorazmerna koeficientu kapilarnega vpijanja (A), ki se določa s preskusom in izraža v kg/m2×s0,5:
q (a) = (A/2)x(1/t -pod korenom)
Intenzivnost in hitrost kapilarnega vpijanja sta odvisni od porne strukture betona in površinske napetosti vode.
Tečenje pod zunanjim tlakom se opisuje z Darcyjevim zakonom:
dq/dt = k x ((h x A)/L)
pri čemer pomenijo:
q – količina pretoka (l),
k – koeficient prepustnosti (m/s), ki je odvisen od deleža kapilarnih por oziroma razmerja v/c in stopnje hidratacije,
h – sprememba tlaka na dolžini L (metri vodnega stolpca),
A – površina pretočnega preseka (m2),
L – dolžina pretoka (m).
Koeficient prepustnosti vode znaša za navaden beton od 10-8 do 10-10 m/s ter je odvisen od velikosti in medsebojne povezanosti por v betonu.
Količina vode oziroma vlage v betonu ima pri različnih vrstah procesov propada betona različen pomen (preglednica 1). Medtem ko kemijska agresija napreduje toliko hitreje, kolikor več je vlage, napredujejo procesi zaradi difuzije plinov (na primer karbonatizacija) najhitreje, kadar pore betona niso napolnjene z vodo, ker je takrat dostop plina (pri karbonatizaciji CO2) iz okolice najhitrejši, obenem pa je na voljo dovolj vlage za napredovanje kemijske reakcije.
Preglednica 1: Vpliv vlažnosti na hitrost različnih procesov propadanja betona
(0 – nepomemben, 1 – majhen, 2 – srednji, 3 – velik)
doc. dr. Jana Šelih, univ. dipl. inž. grad., ZAG Ljubljana
