Trajnost betonskih konstrukcija Ĺ tampa
ponedeljak, 27 jun 2011 17:47

Prema saznanjima velikog broja svetskih eksperata, pre svega onih koji su uklju?eni u rad pojedinih svetskih asocijacija na podru?ju betona i armiranog betona, armirani beton propada alarmantnom brzinom u priobalnim podru?jima Bliskog i Srednjeg Istoka i ?itavog Sredozemlja. Veliki broj armiranobetonskih konstrukcija, izgra?enih u ovim klimatskim regionima, jedva da do?eka 15-20 godina pre prvih ozbiljnih sanacija. Za stru?njake kojima su ovi regioni poznati, evidentno je da je ovaj problem bio odavno prisutan, ali su tek nedostaci koji su uo?eni na ve?em broju velikih i skupih konstrukcija, uglavnom onih izgra?enih u zemljama izvoznicama nafte tokom poslednjih 20-tak godina, skrenuli svetsku pažnju na ovaj problem.

zou004

?injenica da timovi konsultanata velike svetske reputacije i poznati svetski izvo?a?i izvode betonske konstrukcije koje po?inju da ispadaju iz eksploatacije znatno pre o?ekivanja, navodi na zaklju?ak da razlozi propadanja armiranog betona u žarkim priobalnim podru?jima ovih regiona nisu u potpunosti shva?eni, iako je puno toga ve? poznato. Mnoštvo konsultanata i izvo?a?a je uistinu pokušavalo da sledi i poštuje me?unarodno priznate propise i standarde iz oblasti betona i bilo bi vrlo pogrešno sve neuspehe pripisati nekompetetnosti gra?evinara.
 
MOGU?I OBLICI I UZROCI DEZINTEGRACIJE KONSTRUKCIJA

Trajnost armiranobetonskih, odnosno prethodno napregnutih konstrukcija prvenstveno je ugrožena korozijom armature u betonu. U uslovima umerenih i hladnijih klimata, u tom smislu najve?i neprijatelj betonskih konstrukcija je ve?a primena soli za odmrzavanje kolovoza. U uslovima toplih mora korozija armature uslovljena je pre svega zna?ajnom koncentracijom hlorida u morskoj vodi, u tlu, u podzemnoj vodi i u atmosferi.

Trajnost konstrukcija od betona, možda ne u tako ozbiljnoj meri kao hloridi, ugrožavaju i sulfati, putem tzv. sulfatne korozije betona. I ova vrsta korozije najviše je izražena kada su u pitanju konstrukcije u blizini mora, ali isto tako i u kopnenim podru?jima bogatim sulfatima. Kao što je poznato, pod sulfatnom korozijom betona naj?eš?e se podrazumeva hemijsko delovanje sulfata sa trikalcijum-aluminatom C3A u prisustvu vlage, pri ?emu dolazi do stvaranja ekspazivnog jedinjenja etringita.

Ostali oblici dezintegracije betona i betonskih konstrukcija povezani su sa kristalizacijom soli na betonskim elementima (salt weathering), sa pojavom prslina usled skupljanja, prslina usled temperaturnih razlika i usled razli?itog termi?kog širenja agregata i cementnog kamena i dr.

beton - trajnost

Mada se svi napred navedeni oblici dezintegracije betona i betonskih konstrukcija, javljaju i u kontinentalnim klimatskim uslovima, u uslovima kakvi vladaju na toplim morima njihova pojava je znatno ?eš?a, procesi se odvijaju brže i trajnost objekta je manja, posebno u neposrednoj blizini mora. Razloga za ovo ima više, ali najzna?ajnija su slede?a dva:

  • koncetracija hlorida i sulfata generalno je znatno ve?a
  • usled povišenih temperatura procesi dezintegracije betona, odnosno betonskog ?elika su ubrzani, u pore?enju sa ovim pojavama u kontinentalnim klimatskim podru?jima i podru?jima hladnih mora.

Uticaj povišenih temperatura, koje su u uslovima toplih mora prisutne tokom ve?eg dela godine, na trajnost betona i betonskih konstrukcija, prvenstveno se ogleda u slede?em:

  • u pove?anoj poroznosti cementne paste i betona, usled pove?ane koli?ine vode, a radi dobijanja odgovaraju?e, potrebne ugradljivosti i obradljivosti betonskih smeša,
  • u ubrzanoj po?etnoj hidrataciji cementa, koja za posledicu ima nepovoljnu strukturu pora u cementnoj pasti, tj. Stvaranje krupnijeg pornog sistema; ovakav porni sistem uti?e na znatno pove?anu vodopropustljivost betona, a samim time i pove?anu penetraciju hlor-jona, koji iniciraju koroziju ?elika u betonu,
  • u pove?anom riziku od pojave prslina usled plasti?nog skupljanja, skupljanja usled sušenja, temperaturnih razlika i nekompatibilnosti termi?kog širenja agregata i cementnog kamena,
  • u ubrzanom procesu karbonatizacije, intezivnoj koroziji armature kao i ostalih dezintegracionih procesa u betonu (sulfatne korozije, kristalizacije soli i dr.)

Agresivne soli, posebno na samoj obali ili širem obalnom podru?ju, sadržane u tlu, u podzemnoj vodi, u talasima i kapima morske vode nošenim vetrom, kao i u isparenjima, u vazduhu, predstavljaju drugi, tako?e vrlo ozbiljan spoljni faktor agresije na beton i konstrukcije od betona.

FIZI?KO-MEHANI?KA SVOJSTVA KOJA UTI?U NA TRAJNOST BETONSKIH KONSTRUKCIJA

Razmotri?emo nekoliko faktora za koje se smatra da uti?u na trajnost betonskih konstrukcija. To se pre svega odnosi na zapreminsku masu, upijanje vode, vodonepropustljivost, otpornost na dejstvo mraza, homogenost i pukotine.

Leaking fundations & concrete structures treated with chemical grouting

Zapreminska masa
Mada se zapreminska masa o?vrslog betona dovodi u vezu sa mehani?kim karakteristikama, gde se pre svega misli na ?vrsto?u pri pritisku, stanovišta smo da se za to ne može na?i eksplicitna zavisnost. Betoni sa ve?im vrednostoma zapreminske mase mogu pokazati i bolje karakteristike u pogledu trajnosti.

Upijanje vode
Upijanje vode je funkcija poroznosti betona. Pri ispitivanju potpuno zasi?enih uzoraka, trajnijim betonom se može smatrati beton ?ije je upijanje vode manje od 5%. Treba napomenuti da ovo ne mora da se odnosi na betone kod kojih je zapreminska masa ispod 2300 kg/m3 , jer u tom slu?aju veli?ina i raspored pora mogu omogu?iti zna?ajno upijanje vode, a da otpornost na dejstvo mraza bude prihvatljiva.

Vodonepropustljivost
Kapilarne pore u betonu su osnovni faktor vodonepropusnosti betona. Beton u dodiru sa vodom ili drugim te?nostima tokom vremena postaje vodonepropusniji. Beton se može smatrati trajnijim ako prodor vode prema SRPS U.M1.015 nije ve?i od 5cm, odnosno 3cm ako je izložen agresivnom uticaju sredine.

Otpornost na dejstvo mraza
Beton se može smatrati trajnijim ako u pogledu ovog ispitivanja ispunjava uslove za marku M-100, odnosno M-150 ako su u pitanju konstruktivni elementi izloženi kvašenji i sušenju.

Homogenost
Homogenost betona sveže betonske mešavine zavisi od pravilnog projektovanja sastava i kvaliteta i dužine mešanja u mešalici tokom proizvodnje. Homogenost ugra?enog betona zavisi od izbora na?ina ugradnje (na?inu zbijanja).

Pukotine
Pukotine u o?vrslom betonu predstavljaju otvoren put prolasku vode ili agresivnih fluida, a uzroci toga mogu biti razli?iti (temperature promene, skupljenje betona, optere?enja u eksploataciji)

KRISTALIZACIJA SOLI NA POVRŠINI BETONSKIH ELEMENATA (salt weathering)

3528342_f260Hidro-geološko-morfološki uslovi terena, bogatog solima, u osnovi su uzro?nik kristalizacije soli, izazvane izbijanjem na površinu slane podzemne vode, koja se putem kapilarnog penjanja kroz tlo i temelje konstrukcije diže naviše (salt njeathering). Re? je o jednom ekstenzivnom obliku dezintegracije betona, koja je naj?eš?e prisutna u priobalnim terenima toplih mora. U pitanju je fizi?ka dezintegracija betona, uslovljena razli?itim mehanizmima koji prate kristalizaciju soli u pornim prostorima cementne paste, ili u porama zrna agregata. Pritisak izazvan kristalizacijom dovodi najpre do pojave mikroprslina u zidovima pora a zatim do sve ve?ih prslina. Ovakav proces ponavlja se u susednom pornom prostoru, pa u slede?em, itd.

Kao prate?i mehanizam, mogu?a je i pojava prslina putem hidratacije soli (preko no?i, sa pojavom rose) i dehidratacije (dnevnom toplotom) – formiranjeanhidrita od gipsa i sl. Ovakve promene u kristalima, koji zauzimaju porne prostore cementne paste, dovode tako?e do zapreminskih promena, koje iniciraju prsline u zidovima pora. Dalje, koeficijent termi?kog širenja ovako formiranih kristala soli ?esto je znatno ve?i nego kod cementnog kamena, što usled dnevnih promena temperature tako?e dovodi do naprezanja i mogu?ih pojava prslina.

Uobi?ajna mesta pojava ovih fizi?kih mehanizama napada na beton locirana su neposredno iznad površine terena, retko na ve?oj visini od 50 cm, u zavisnosti od visine kapilarnog penjanja u svakom konkretnom slu?aju. Temeljne konstrukcije morskih luka-dokova, koji se prostiru približno 1m iznad nivoa podzemne vode, pa do cca 1.50 m, iznad kote terena, izloženi su jednoj posebnoj agresivnoj sredini. U takvim slu?ajevima, beton je redovno izložen napred opisanom procesu razaranja usled kristalizacije soli (salt njeathering), a ?esto istovremeno i sulfatnoj koroziji, pogotovu kada se radi o poroznijem betonu.

SULFATNA AGRESIJA NA BETON

Ve?ina sulfata ozbiljno napada betone na bazi portland cementa. Intenzitet napadanja zavisi od mnogo ?inilaca, kao što su vrsta i koncentracija sulfata i u ekstremnim slu?ajevima oni mogu potpuno da razore beton. Relativno široka rasprostranjenost, sa jedne i ozbiljna ošte?enja koja mogu da nastanu usled agresivnog dejstva sulfata, sa druge strane, daju ovom tipu agresije veliki zna?aj.

Hemijske reakcije koje podrazumeva sulfatna agresija donekle su razli?ite, pre svega u zavisnosti od tipa sulfata. Naj?eš?e, me?utim, kada se govori o sulfatnoj agresiji na beton, re? je o reakciji kalcijum sulfata CaSO4 sa hidratisanim kalcijum aluminatom C3AH6 , kojom se formira mineral etringit. Ovakav tip agresije obi?no se u literaturi nalazi pod imenom sulfatna korozija betona i kada je re? o sulfatnoj agresiji na beton, naj?eš?e se navodi samo ovaj oblik agresije.

marg7

Ova reakcija pra?ena je vrlo velikim pove?anjem zapremine, ?ime se u cementnoj pasti, odnosno u betonu, generišu vrlo veliki pritisci, usled ?ega dolazi do pucanja betona. Ukoliko je re? o dužoj izloženosti betona sulfatima, nastavlja se i pove?ava brzina pucanja, što dovodi do vrlo ozbiljne degradacije betona. Iz ovoga sledi da cementi sa nižim sadržajem minerala C3A daju betonu ve?u otpornost na sulfatnu agresiju i obrnuto. Na ovoj osnovi zasniva se zna?ajna svetska proizvodnja sulfatno otpornih portland cementa, a u nešto manjem obimu i tzv. supersulfatnih cementa. Naj?eš?e se pri tome sadržaj C3A ograni?ava na 3,5 do 5%. Sulfatno otporni cement obi?no se preporu?uje kad god se takva agresija o?ekuje, tj kada je re? o sulfatom kontaminiranom terenu ili morskoj vodi.

Kod armirano betonskih i prethodno napregnutih konstrukcija u moru ili neposrednoj blizini mora, me?utim, kada se dakle o?ekuje i korozija armature, ve?i sadržaj C3A je prema nekim autorima poželjan, jer može da veže za sebe zna?ajnu koli?inu hlorida i time umanji opasnost od korozije betonskog ?elika. Na osnovu ovoga, može se u?initi razumnim pitanje: da li je bolje koristiti cement sa ve?im ili sa manjim sadržajem C3A , ako je u pitanju simultano delovanje i sulfata i hlorida? U praksi se u takvim slu?ajevima ?esto pribegava kompromisu, pa se koristi cement sa umerenim sadržajem C3A npr. 5-8%. Pritom se poboljšanje otpornosti betona na sulfate savetuje primenom ve?e koli?ine cementa i navodi da se, suprotno onome što bi se o?ekivalo, razaraju?i efekat sulfatne korozije ne pove?ava sa pove?avanjem temperature.

Neki autori smatraju da je za beton otporan na sulfate, ako ne bolja, onda bar jednako dobra primena portland cementa sa 65-70% granulisane zgure. Prema njima, isto važi i kada je u pitanju beton otporan na penetraciju hlorida. Navedeno je da se preporuke o primeni ove vrste cemenata u oba slu?aja baziraju na pove?anoj kompaktnosti betona, proizvedenih sa ovim cementom. Sli?ne zaklju?ke ovi autori izvode i u vezi sa pove?anom vodonepropustljivoš?u cemenata sa dodacima, pre svega onih sa ve?im sadržajem zgure.

KOROZIJA ARMATURE

concrete_wideweb__430x276,1Cementna pasta u fazi hidratacije, kao visoko alkalna sredina (Ph = 12,5-13,5), pruža ?eliku efikasnu zaštitu od korozije, pošto se smatra da pri vrednosti Ph>=9 zaštitni pasivizacioni film gama ferooksida ok ?eli?nih šipki efikasno spre?ava korozioni proces. Snižavanjem Ph vrednosti na nivo ispod 9, usled procesa karbonatizacije cementne paste, me?utim, otpo?inje tzv proces depasivizacije , zaštita ?elika nestaje i korozioni proces zapo?inje. Jasno je da ukoliko je beton kompaktniji, a zaštitni sloj ve?e debljine, procesu karbonatizacije potrebno je duže vreme da dopre do nivoa šipki armature i izazove njihovu depasivizaciju, pa se u praksi zaštita ?elika protiv korozije osigurava pre svega uslovljenim kvalitetom betona i propisanom minimalnom debljinom zaštitnog sloja betona.

Depasivizacija može biti izazvana i u prisustvu hlor-jona u nivou šipki armature, koji mogu da se nalaze u betonu ako su uneti preko komponenata betona, ili da prodiru kroz pore betona, ako je armiranobetonska konstrukcija izložena sredini kao što je morska voda ili vazduh u blizini mora. Potrebno je napomenuti da depasivizaciju mogu da izazovu samo slobodni hloridi, tj hloridi koji nisu vezani ili absorbovani produktima hidratacije. Kriti?na vrednost ukupnog sadržaja hlorida u betonu, potrebna da izazove depasivizaciju ?elika, zavisi od Ph vrednosti pornog prostora, sadržaja cementa u betonu, kao i od nekih dodatnih faktora i teško se može ta?no odrediti. Ipak, generalno se smatra da, za beton koji nije karbonatizovan, ova kriti?na vrednost iznosi 0.4% u odnosu na masu upotrebljenog cementa, smanjuju?i se sve do nule, sa smanjenjem ph vrednosti, tj sa sniženjem alkalnosti porne vode. U literaturi se, me?utim, u vezi sa kriti?nim sadržajem hlor-jona mogu na?i i druga?ija mišljenja. Kako je za difuziju hlorida neophodna voda u porama cementne paste, to su u primorskim podru?jima, gde je vlažnost vazduha ve?a, a sama sredina sadrži veliku koli?inu hlor jona korozija armature i propadanje armirano betonskih konstrukcija veoma intezivni.

Zabrinjavaju?i intezitet propadanja betonskih konstrukcija usled korozije armature u blizini toplih mora, koji je mnogo ve?i nego u drugim klimatskim uslovima, posledica je slede?ih okolnosti:

  • znatno ve?eg sadržaja hlorida u morskoj vodi, u tlu i atmosferi,
  • osetno viših temperatura i temperaturnih varijacija, što zajedno sa zna?ajnim varijacijama vlažnosti, ubrzava proces propadanja betonskih konstrukcija kod kojih je inicirana korozija armature.

ribbon mesh 2Bilo kakav nedostatak u projektovanju i izvo?enju armiranobetonskih kostrukcija u ovakvoj sredini može da izazove ozbiljna ošte?enja ve? za nekoliko godina, što ?esto zbunjuje projektante, izvo?a?e i vlasnike objekata. Ispitivanja konstrukcija zahva?enih brzom dezintegracijom pokazala su da je ?esto u pitanju bio beton dobrog sastava, dobro zbijen i negovan, bez znakova alkalno-silikatne reakcije ili sulfatne korozije. Problem je, dakle, identifikovan kao tipi?na hloridna korozija armature, sa brzim razvojem ekspanzivnih produkata korozije, pucanjem i odvaljivanjem zaštitnog sloja.

Mehanizam korozije izazvane hlor-jonima intezivno se prou?ava poslednjih dvadesetak godina, što doprinosi iznalaženju metoda za redukciju i eventualno eliminisanje korozije ovog tipa.

Poslednjih godina se, zbog ozbiljnosti problema korozije armature, ponekad projektom predvi?a i zaštita armature putem galvanizacije ili epoksidnim premazima, odnosno zaštitnim premazima spoljnih betonskih površina. Kako je, me?utim, ovakav vid zaštite izuzetno skup, i kako prema nekim istraživanjima ne pruža trajnu zaštitu betonskog ?elika, to rešenja za adekvatnu zaštitu armature u betonu, a time i za zna?ajno produženje veka trajanja armiranobetonskih konstrukcija, treba tražiti pre svega u poboljšanju kvaliteta betona i pove?anju veli?ine zaštitnog sloja.

U smislu poboljšanja kvaliteta betona, što niža poroznost i što ve?a kompaktnost betona od najve?e su važnosti za dobijanje ve?e trajnosti konstrukcija. Beton spravljen sa što nižim vodocementnim faktorom ima?e visoku kompaktnost, uspori?e prodor hlorida do armature, kao i proces karbonitizacije. Pritom i veli?ina zaštitnog sloja ne bi smela ni u kom slu?aju da bude niža od 50 mm.

Drugi vrlo važan faktor je da beton bude zamešan i ugra?en sa što nižom temperaturom, a zatim da se odgovaraju?om negom i zaštitom od sun?evog zra?enja omogu?i pravilan hidratacioni proces. Za dobijanje niže poroznosti, odnosnofinijeg pornog sistema, pa time i ve?e vodonepropustljivosti betona, osim obezbe?enja što nižeg vodocementnog faktora, niže temperature hidratacije i dovoljne koli?ine vlage, preporu?uju se i mešavine sa silikatnom prašinom, sa cementima visokog sadržaja zgure, za koje mnogi istraživa?i smatraju da obezbe?uju znažajnu redukciju difuzije hlor-jona.

Linkovi:

  • Specijalni betoni - link
  • Novi trendovi u proizvodnji betona - link
  • Na MIT-u osnovan Centar za ispitivanje održivosti betona - CHS - link
  • GRC (Glass Fibre Reinforced Concrete - GFRC) – Beton armiran staklenim vlaknima - link
  • Bazaltna armatura - ner?aju?i materijal za duže trajanje armiranobetonskih konstrukcija - link
  • Otpornost armature na koroziju 
    - rezultati višegodišnjih ispitivanja razli?itih tipova armature - link

preuzeto sa www.gradjevinarstvo.rs