Prema saznanjima velikog broja svetskih eksperata, pre svega onih koji su uključeni u rad pojedinih svetskih asocijacija na području betona i armiranog betona, armirani beton propada alarmantnom brzinom u priobalnim područjima Bliskog i Srednjeg Istoka i čitavog Sredozemlja. Veliki broj armiranobetonskih konstrukcija, izgrađenih u ovim klimatskim regionima, jedva da dočeka 15-20 godina pre prvih ozbiljnih sanacija. Za stručnjake kojima su ovi regioni poznati, evidentno je da je ovaj problem bio odavno prisutan, ali su tek nedostaci koji su uočeni na većem broju velikih i skupih konstrukcija, uglavnom onih izgraćenih u zemljama izvoznicama nafte tokom poslednjih 20-tak godina, skrenuli svetsku pažnju na ovaj problem.
Činjenica da timovi konsultanata velike svetske reputacije i poznati svetski izvođači izvode betonske konstrukcije koje počinju da ispadaju iz eksploatacije znatno pre očekivanja, navodi na zaključak da razlozi propadanja armiranog betona u žarkim priobalnim područjima ovih regiona nisu u potpunosti shvaćeni, iako je puno toga već poznato. Mnoštvo konsultanata i izvođača je uistinu pokušavalo da sledi i poštuje međunarodno priznate propise i standarde iz oblasti betona i bilo bi vrlo pogrešno sve neuspehe pripisati nekompetetnosti građevinara.
MOGUĆI 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 najveći neprijatelj betonskih konstrukcija je veća primena soli za odmrzavanje kolovoza. U uslovima toplih mora korozija armature uslovljena je pre svega značajnom 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 područjima bogatim sulfatima. Kao što je poznato, pod sulfatnom korozijom betona najčešće se podrazumeva hemijsko delovanje sulfata sa trikalcijum-aluminatom C3A u prisustvu vlage, pri čemu dolazi do stvaranja ekspazivnog jedinjenja etringita.
Oglas
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 različitog termičkog širenja agregata i cementnog kamena i dr.
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 češća, procesi se odvijaju brže i trajnost objekta je manja, posebno u neposrednoj blizini mora. Razloga za ovo ima više, ali najznačajnija su sledeća dva:
- koncetracija hlorida i sulfata generalno je znatno veća
- usled povišenih temperatura procesi dezintegracije betona, odnosno betonskog čelika su ubrzani, u poređenju sa ovim pojavama u kontinentalnim klimatskim područjima i područjima hladnih mora.
Uticaj povišenih temperatura, koje su u uslovima toplih mora prisutne tokom većeg dela godine, na trajnost betona i betonskih konstrukcija, prvenstveno se ogleda u sledećem:
- u povećanoj poroznosti cementne paste i betona, usled povećane količine vode, a radi dobijanja odgovarajuće, potrebne ugradljivosti i obradljivosti betonskih smeša,
- u ubrzanoj početnoj hidrataciji cementa, koja za posledicu ima nepovoljnu strukturu pora u cementnoj pasti, tj. Stvaranje krupnijeg pornog sistema; ovakav porni sistem utiče na znatno povećanu vodopropustljivost betona, a samim time i povećanu penetraciju hlor-jona, koji iniciraju koroziju čelika u betonu,
- u povećanom riziku od pojave prslina usled plastičnog skupljanja, skupljanja usled sušenja, temperaturnih razlika i nekompatibilnosti termičkog 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 području, sadržane u tlu, u podzemnoj vodi, u talasima i kapima morske vode nošenim vetrom, kao i u isparenjima, u vazduhu, predstavljaju drugi, takođe vrlo ozbiljan spoljni faktor agresije na beton i konstrukcije od betona.
FIZIČKO-MEHANIČKA SVOJSTVA KOJA UTIČU NA TRAJNOST BETONSKIH KONSTRUKCIJA
Razmotrićemo nekoliko faktora za koje se smatra da utiču na trajnost betonskih konstrukcija. To se pre svega odnosi na zapreminsku masu, upijanje vode, vodonepropustljivost, otpornost na dejstvo mraza, homogenost i pukotine.
Zapreminska masa
Mada se zapreminska masa očvrslog betona dovodi u vezu sa mehaničkim karakteristikama, gde se pre svega misli na čvrstoću pri pritisku, stanovišta smo da se za to ne može naći eksplicitna zavisnost. Betoni sa većim vrednostoma zapreminske mase mogu pokazati i bolje karakteristike u pogledu trajnosti.
Upijanje vode
Upijanje vode je funkcija poroznosti betona. Pri ispitivanju potpuno zasićenih uzoraka, trajnijim betonom se može smatrati beton čije 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 slučaju veličina i raspored pora mogu omogućiti značajno 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 tečnostima tokom vremena postaje vodonepropusniji. Beton se može smatrati trajnijim ako prodor vode prema SRPS U.M1.015 nije veći 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 ugrađenog betona zavisi od izbora načina ugradnje (načinu zbijanja).
Pukotine
Pukotine u očvrslom betonu predstavljaju otvoren put prolasku vode ili agresivnih fluida, a uzroci toga mogu biti različiti (temperature promene, skupljenje betona, opterećenja u eksploataciji)
KRISTALIZACIJA SOLI NA POVRŠINI BETONSKIH ELEMENATA (salt weathering)
Hidro-geološko-morfološki uslovi terena, bogatog solima, u osnovi su uzročnik kristalizacije soli, izazvane izbijanjem na površinu slane podzemne vode, koja se putem kapilarnog penjanja kroz tlo i temelje konstrukcije diže naviše (salt njeathering). Reč je o jednom ekstenzivnom obliku dezintegracije betona, koja je najčešće prisutna u priobalnim terenima toplih mora. U pitanju je fizička dezintegracija betona, uslovljena različitim 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 većih prslina. Ovakav proces ponavlja se u susednom pornom prostoru, pa u sledećem, itd.
Kao prateći mehanizam, moguća je i pojava prslina putem hidratacije soli (preko noći, sa pojavom rose) i dehidratacije (dnevnom toplotom) – formiranjeanhidrita od gipsa i sl. Ovakve promene u kristalima, koji zauzimaju porne prostore cementne paste, dovode takođe do zapreminskih promena, koje iniciraju prsline u zidovima pora. Dalje, koeficijent termičkog širenja ovako formiranih kristala soli često je znatno veći nego kod cementnog kamena, što usled dnevnih promena temperature takođe dovodi do naprezanja i mogućih pojava prslina.
Uobičajna mesta pojava ovih fizičkih mehanizama napada na beton locirana su neposredno iznad površine terena, retko na većoj visini od 50 cm, u zavisnosti od visine kapilarnog penjanja u svakom konkretnom slučaju. 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 slučajevima, beton je redovno izložen napred opisanom procesu razaranja usled kristalizacije soli (salt njeathering), a često istovremeno i sulfatnoj koroziji, pogotovu kada se radi o poroznijem betonu.
SULFATNA AGRESIJA NA BETON
Većina sulfata ozbiljno napada betone na bazi portland cementa. Intenzitet napadanja zavisi od mnogo činilaca, kao što su vrsta i koncentracija sulfata i u ekstremnim slučajevima oni mogu potpuno da razore beton. Relativno široka rasprostranjenost, sa jedne i ozbiljna oštećenja koja mogu da nastanu usled agresivnog dejstva sulfata, sa druge strane, daju ovom tipu agresije veliki značaj.
Hemijske reakcije koje podrazumeva sulfatna agresija donekle su različite, pre svega u zavisnosti od tipa sulfata. Najčešće, međutim, kada se govori o sulfatnoj agresiji na beton, reč je o reakciji kalcijum sulfata CaSO4 sa hidratisanim kalcijum aluminatom C3AH6 , kojom se formira mineral etringit. Ovakav tip agresije obično se u literaturi nalazi pod imenom sulfatna korozija betona i kada je reč o sulfatnoj agresiji na beton, najčešće se navodi samo ovaj oblik agresije.
Ova reakcija praćena je vrlo velikim povećanjem zapremine, čime se u cementnoj pasti, odnosno u betonu, generišu vrlo veliki pritisci, usled čega dolazi do pucanja betona. Ukoliko je reč o dužoj izloženosti betona sulfatima, nastavlja se i povećava brzina pucanja, što dovodi do vrlo ozbiljne degradacije betona. Iz ovoga sledi da cementi sa nižim sadržajem minerala C3A daju betonu veću otpornost na sulfatnu agresiju i obrnuto. Na ovoj osnovi zasniva se značajna svetska proizvodnja sulfatno otpornih portland cementa, a u nešto manjem obimu i tzv. supersulfatnih cementa. Najčešće se pri tome sadržaj C3A ograničava na 3,5 do 5%. Sulfatno otporni cement obično se preporučuje kad god se takva agresija očekuje, tj kada je reč o sulfatom kontaminiranom terenu ili morskoj vodi.
Kod armirano betonskih i prethodno napregnutih konstrukcija u moru ili neposrednoj blizini mora, međutim, kada se dakle očekuje i korozija armature, veći sadržaj C3A je prema nekim autorima poželjan, jer može da veže za sebe značajnu količinu hlorida i time umanji opasnost od korozije betonskog čelika. Na osnovu ovoga, može se učiniti razumnim pitanje: da li je bolje koristiti cement sa većim ili sa manjim sadržajem C3A , ako je u pitanju simultano delovanje i sulfata i hlorida? U praksi se u takvim slučajevima često pribegava kompromisu, pa se koristi cement sa umerenim sadržajem C3A npr. 5-8%. Pritom se poboljšanje otpornosti betona na sulfate savetuje primenom veće količine cementa i navodi da se, suprotno onome što bi se očekivalo, razarajući efekat sulfatne korozije ne povećava sa povećavanjem 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 slučaja baziraju na povećanoj kompaktnosti betona, proizvedenih sa ovim cementom. Slične zaključke ovi autori izvode i u vezi sa povećanom vodonepropustljivošću cemenata sa dodacima, pre svega onih sa većim sadržajem zgure.
KOROZIJA ARMATURE
Cementna pasta u fazi hidratacije, kao visoko alkalna sredina (Ph = 12,5-13,5), pruža čeliku efikasnu zaštitu od korozije, pošto se smatra da pri vrednosti Ph>=9 zaštitni pasivizacioni film gama ferooksida ok čeličnih šipki efikasno sprečava korozioni proces. Snižavanjem Ph vrednosti na nivo ispod 9, usled procesa karbonatizacije cementne paste, međutim, otpočinje tzv proces depasivizacije , zaštita čelika nestaje i korozioni proces započinje. Jasno je da ukoliko je beton kompaktniji, a zaštitni sloj veće debljine, procesu karbonatizacije potrebno je duže vreme da dopre do nivoa šipki armature i izazove njihovu depasivizaciju, pa se u praksi zaštita čelika 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. Kritična vrednost ukupnog sadržaja hlorida u betonu, potrebna da izazove depasivizaciju čelika, zavisi od Ph vrednosti pornog prostora, sadržaja cementa u betonu, kao i od nekih dodatnih faktora i teško se može tačno odrediti. Ipak, generalno se smatra da, za beton koji nije karbonatizovan, ova kritična vrednost iznosi 0.4% u odnosu na masu upotrebljenog cementa, smanjujući se sve do nule, sa smanjenjem ph vrednosti, tj sa sniženjem alkalnosti porne vode. U literaturi se, međutim, u vezi sa kritičnim sadržajem hlor-jona mogu naći i drugačija mišljenja. Kako je za difuziju hlorida neophodna voda u porama cementne paste, to su u primorskim područjima, gde je vlažnost vazduha veća, a sama sredina sadrži veliku količinu hlor jona korozija armature i propadanje armirano betonskih konstrukcija veoma intezivni.
Zabrinjavajući intezitet propadanja betonskih konstrukcija usled korozije armature u blizini toplih mora, koji je mnogo veći nego u drugim klimatskim uslovima, posledica je sledećih okolnosti:
- znatno većeg sadržaja hlorida u morskoj vodi, u tlu i atmosferi,
- osetno viših temperatura i temperaturnih varijacija, što zajedno sa značajnim varijacijama vlažnosti, ubrzava proces propadanja betonskih konstrukcija kod kojih je inicirana korozija armature.
Bilo kakav nedostatak u projektovanju i izvođenju armiranobetonskih kostrukcija u ovakvoj sredini može da izazove ozbiljna oštećenja već za nekoliko godina, što često zbunjuje projektante, izvođače i vlasnike objekata. Ispitivanja konstrukcija zahvaćenih brzom dezintegracijom pokazala su da je često u pitanju bio beton dobrog sastava, dobro zbijen i negovan, bez znakova alkalno-silikatne reakcije ili sulfatne korozije. Problem je, dakle, identifikovan kao tipična hloridna korozija armature, sa brzim razvojem ekspanzivnih produkata korozije, pucanjem i odvaljivanjem zaštitnog sloja.
Mehanizam korozije izazvane hlor-jonima intezivno se proučava 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 predviđa i zaštita armature putem galvanizacije ili epoksidnim premazima, odnosno zaštitnim premazima spoljnih betonskih površina. Kako je, međutim, ovakav vid zaštite izuzetno skup, i kako prema nekim istraživanjima ne pruža trajnu zaštitu betonskog čelika, to rešenja za adekvatnu zaštitu armature u betonu, a time i za značajno produženje veka trajanja armiranobetonskih konstrukcija, treba tražiti pre svega u poboljšanju kvaliteta betona i povećanju veličine zaštitnog sloja.
U smislu poboljšanja kvaliteta betona, što niža poroznost i što veća kompaktnost betona od najveće su važnosti za dobijanje veće trajnosti konstrukcija. Beton spravljen sa što nižim vodocementnim faktorom imaće visoku kompaktnost, usporiće prodor hlorida do armature, kao i proces karbonitizacije. Pritom i veličina zaštitnog sloja ne bi smela ni u kom slučaju da bude niža od 50 mm.
Drugi vrlo važan faktor je da beton bude zamešan i ugrađen sa što nižom temperaturom, a zatim da se odgovarajućom negom i zaštitom od sunčevog zračenja omogući pravilan hidratacioni proces. Za dobijanje niže poroznosti, odnosnofinijeg pornog sistema, pa time i veće vodonepropustljivosti betona, osim obezbeđenja što nižeg vodocementnog faktora, niže temperature hidratacije i dovoljne količine vlage, preporučuju se i mešavine sa silikatnom prašinom, sa cementima visokog sadržaja zgure, za koje mnogi istraživači smatraju da obezbeđuju 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 - nerđajući materijal za duže trajanje armiranobetonskih konstrukcija - link
- Otpornost armature na koroziju
- rezultati višegodišnjih ispitivanja različitih tipova armature - link
