MEHANIZMI PROCESOV PROPADANJA
Agresivne vplive okolja na beton lahko razdelimo na mehanske, kemijske in elektrokemijske, fizikalne ter biološke. V tem članku bodo predstavljeni mehanizmi propadanja betona zaradi mehanskega in kemijskega delovanja.
MEHANSKO DELOVANJE OKOLJA NA BETON
Med vplive mehanskega delovanja štejemo predvsem:
- preobremenitve nosilnega prereza in ciklične obremenitve konstrukcije, katerih posledica so razpoke;
- udarce, katerih posledica so lomi betona;
- abrazivne učinke drsečih, udarjajočih in kotalečih se predmetov ali vozil, zaradi katerih pride do obrabe (erozije) površine;
- kavitacijo v obliki zajed na konstruktivnih elementih v tekoči vodi, ki so posledica neustrezne hidravlične oblikovanosti elementa, zaradi katere nastanejo vrtinci in s tem podtlaki na površini betona.
Ker ima cementni kamen razmeroma majhno odpornost proti mehanskim obremenitvam, zagotavljamo odpornost betona proti tovrstnim delovanjem z uporabo proti obrusu odpornejšega agregata, primerno nizkim razmerjem v/c in zmanjševanjem vsebnosti cementne paste.
KEMIJSKO IN ELEKTROKEMIJSKO DELOVANJE
Korozija betona
S tem izrazom navadno označujemo skupino procesov propadanja betona, ki nastajajo kot posledica kemijskih reakcij agresivnih snovi iz okolja in sestavin cementnega kamna. Glavne vrste korozije betona so posledica:
S tem izrazom navadno označujemo skupino procesov propadanja betona, ki nastajajo kot posledica kemijskih reakcij agresivnih snovi iz okolja in sestavin cementnega kamna. Glavne vrste korozije betona so posledica:
- razgradnje hidratacijskih produktov,
- preobrazbe čvrstih komponent,
- delovanja ogljikovega dioksida (karbonatizacija betona),
- nabrekanja trdne komponente in
- alkalno-agregatne reakcije.
Pri razgradnji hidratacijskih produktov gre največkrat za izluževanje kalcijevega hidroksida iz porne vode v mehki vodi, kar zmanjša gostoto cementnega kamna, prepustnost betona pa se poveča. Primer tega procesa propada je pronicanje snežnice skozi nepokrito ploščo, na kateri se tali sneg.
Kadar na cementni kamen delujejo kisline ali soli, ki so nastale iz šibkih baz ali močnih kislin, se čvrste komponente betona preobrazijo in navadno nastajajo lahko topljive soli in voda. Novonastale spojine so nestabilne, zato se razrahlja struktura, poveča prepustnost in zmanjša trdnost betona. Takšno propadanje opazimo na betonu, ki je v stiku z mineralnimi vodami, kislinami, raztopinami soli ali z zelo močnimi bazami.
Kalcijev hidroksid, ki je sestavni del cementnega kamna, reagira s prostim ogljikovim dioksidom iz zraka, pri čemer nastaja slabo topen karbonat. Ta pojav imenujemo karbonatizacija betona, zaradi katere upade alkalnost betona (pH 10), s tem pa njegova sposobnost zaščite vgrajene armature pred korozijo. Potem ko se zaradi karbonatizacije pH-vrednost betona še znižuje (pH 7), v naravnem vlažnem okolju nastaja lahko topni kalcijev bikarbonat, ki se lahko pozneje spet veže z apnom v cementnem kamnu, kar omogoča zapolnjenje razpok. Karbonatizacija tako zmanjšuje poroznost in prepustnost betona.
Po vstopu v strukturo betona reagirajo nekatere soli z minerali cementnega kamna, novonastale spojine pa v svojo strukturo vežejo kristalno vodo. Specifična prostornina teh produktov je večja od specifične prostornine prvotnih spojin, zato pride do nabrekanja. Dodatni pritiski na trdno matrico cementnega kamna povzročijo nastajanje razpok in propadanje betona. Iz te skupine procesov propadanja betona je najbolj znano delovanje sulfatov, kjer se tvori močno nabrekajoči etringit.
Pod oznako alkalno-agregatna reakcija združujemo več reakcij agregatov in alkalnih snovi, ki so v cementnem kamnu ali vstopajo v beton iz okolja naknadno. Reakcije se razlikujejo po kemijskih procesih, produktih kemijskih reakcij in posledicah za beton. Najbolj znani sta alkalnosilikatna in alkalnodolomitna reakcija. V cementu je majhen delež natrijevih in kalijevih oksidov, ki lahko zelo močno reagirajo z nekaterimi reaktivnimi vrstami agregatov, kot so opal, roženec, andezit, riolit, dolomitni apnenci, kremen s slabo kristalno rešetko, kremen z vključki, deformiran kremen (iz metamorfnih kamnin) in zelo drobnozrnat kremen. Takšne poškodbe pogosto srečamo na starejših objektih v Ameriki, Avstraliji, južni Afriki, severni Nemčiji in na Danskem, ko pojav alkalno-agregatne reakcije še ni bil znan.
V Sloveniji je dokumentiran in analiziran primer alkalnosilikatne reakcije na armiranobetonskih stebrih transformatorske postaje v Klečah pri Ljubljani.
Korozija armature
Korozija armature je kompleksen elektrokemijski proces, katerega hitrost napredovanja v betonu je odvisna od prepustnosti, električnega potenciala in električne upornosti betona. Glede na vzrok nastanka ločimo elektrokemijsko korozijo in korozijo zaradi kloridov.
Korozija armature je kompleksen elektrokemijski proces, katerega hitrost napredovanja v betonu je odvisna od prepustnosti, električnega potenciala in električne upornosti betona. Glede na vzrok nastanka ločimo elektrokemijsko korozijo in korozijo zaradi kloridov.
V normalnih razmerah v okolju daje kakovosten beton jeklu za armiranje dobro protikorozijsko, tako imenovano pasivno zaščito, ki deluje tako, da je na površino jekla v betonu trdno vezan zelo tanek sloj železovega oksida. Ta je neprepusten in stabilen, dokler je pH-vrednost betona okoli njega dovolj visoka (pH > 11). V cementnem kamnu ustvarjajo bazičnost alkalni oksidi in kalcijev hidroksid, ki nastane pri hidrataciji cementa. Dokler obstaja pasivna zaščita, jeklo ni izpostavljeno koroziji. Depasivacija nastane, če se zaradi karbonatizacije, izluževanja ali delovanja kislih raztopin zniža alkalnost betona (pH 9,5) ali če je količina kloridov v porni vodi okoli armature prevelika.
Pri elektrokemijski koroziji nastajajo na površini jeklenih palic korozijske celice, anoda in katoda. Galvanski proces lahko poteka le, če elektroni, ki nastanejo z ionizacijo železa na anodi, tečejo proti katodi in če je na površini armature dovolj vode in kisika, da vežeta elektrone v ione OH-. Jeklo se razgrajuje le na anodni strani, kjer ob tem nastajajo železovi oksidi in hidroksidi (rja), ki imajo specifično prostornino do šestkrat večjo od specifične prostornine železa. Zato morajo biti za začetek korozijskega procesa izpolnjeni trije pogoji:
- med anodo in katodo mora obstajati razlika v električnih potencialih,
- na katodi mora biti dovolj kisika,
- med anodnim in katodnim območjem na površini jekla morata biti omogočena tok elektronov in tok ionov.
Korozije armature ni, če je beton povsem suh ali nasičen z vodo.
Potrebna razlika električnih potencialov nekaj 100 V navadno vedno obstaja in je lahko posledica vsebnosti še neke kovine v betonskem elementu, različnih električnih lastnosti jeklenih palic ali različnih koncentracij raztopine (elektrolita) v betonskih porah. Elektrokemijska korozija najpogosteje nastopi, če je depasivacija posledica karbonatizacije. V tem primeru nastanejo majhne anodne in katodne površine, ki pa so blizu skupaj, tako da je prizadeta površina armaturne palice bolj ali manj enakomerno korodirana.
Prenehanje pasivne zaščite zaradi prodora kloridov povzroči tako imenovano jamičasto korozijo. V tem primeru na površini jekla nastanejo velike katodne površine in zelo majhna anodna območja, na katerih je nehala delovati pasivna zaščita. V jamici poteka in se širi korozijski proces, katerega posledica je veliko lokalno zmanjšanje prereza armaturne palice.
Začetek depasivacije zaradi kloridov je odvisen od molarnega razmerja Cl-/OH v porni vodi betona na stiku z armaturo. Če je to razmerje večje od 0,6, železo ni več zaščiteno pred korozijo, ker postane zaščitni sloj nestabilen in prepusten za kloride. Klorovi ioni, ki so prodrli do armature, kemijsko reagirajo in nastane železov klorid, ki prehaja z vodo v železov hidroksid (rjo), prosti vodik in spet klorid, tako da nastane galvanski člen z lokalno omejeno anodo in veliko katodo. Na hitrost korozije torej vplivajo le kloridi, ki so raztopljeni v porni vodi cementnega kamna. Zaradi nezanesljivosti podatkov o količini vezanih in prostih kloridov v določenem betonu določa večina predpisov in strokovnih priporočil kot dopustno mejo klorovih ionov v betonu skupno količino kloridov (vezanih in topnih), in sicer med 0,4 in 0,6 odstotka na maso cementa v betonu.
Na to mejo odločilno vplivata kakovost in vlažnost betona. Kakovost betona je pri tem opredeljena z debelino in prepustnostjo zaščitnega sloja, ta pa je odvisna od razmerja v/c in stopnje negovanja.
Na prvi stopnji razvoja korozije prodirajo agresivne snovi v beton brez vidnih posledic. Na drugi stopnji se na površini betona pojavijo rjave lise rje in značilne razpoke vzdolž armaturnih palic, posebno v vogalih, kjer so najbolj izpostavljene dostopu agresivnih snovi v beton. Ker ima rja večjo specifično prostornino kot železo, se na tretji stopnji zaradi povečane prostornine korodiranih armaturnih palic beton razdvaja in odlamlja. Poleg tega se manjša tudi prerez nekorodirane armature, kar zmanjšuje konstrukcijsko varnost.
Tam, kjer so razpoke, prodirajo kloridi in ogljikov dioksid proti armaturi nekajkrat hitreje kot v nerazpokanem betonu. Propadanje je zato hitrejše kot v nerazpokanem betonu. Majhne razpoke do širine 0,4 milimetra se navadno same zapolnijo z umazanijo, kalcijem in rjo ter zato za obstojnost konstrukcije še niso nevarne.
doc. dr. Jana Šelih, univ. dipl. inž. grad., ZAG Ljubljana
