9 predavanje - Trajnost betona

Beograd, 2020.

Sva autorska prava autora prezentacije i/ili video snimaka su zaštićena. Snimak ili prezentacija se mogu koristiti samo za nastavu na daljinu studentaGrađevinskog fakulteta Univerziteta u Beogradu u školskoj 2020/2021. i ne mogu se koristiti za druge svrhe bez pismene saglasnosti autora materijala.

Univerzitet u Beogradu – Građevinski fakultet www.grf.bg.ac.rs

Studijski program: GRAĐEVINARSTVO

Modul: MODUL MTIGodina/Semestar: III godina / V semestar

Naziv predmeta (šifra): TEHNOLOGIJA BETONA (B2M3TB)Nastavnik: V.prof. dr Dimitrije Zakić

Naslov predavanja: TRAJNOST BETONA(9. predavanje)

Datum : 17.12.2020.

TRAJNOST BETONA

TRAJNOST I KOROZIJA BETONA

Beton u okviru betonskih (AB ili PNB) konstrukcija često je tokom eksploatacije izložen različitim destruktivnim uticajima koji bitno opredeljuju vek trajanja objekata. Isto važi i za čeličnu armaturu u okviru predmetnih konstrukcija.To znači da se tokom eksploatacije objekata u pojedinim sredinama, ove sredine mogu ponašati agresivno u odnosu na date objekte, tako da u opštem slučaju, kao razultat interakcije sredina - objekat, može da dođe do pojava vrlo značajnih oštećenja, pa i potpunih razaranja konstrukcija. Ovakve pojave se, bez obzira na mehanizam njihovog nastanka, najčešće definišu opštim nazivom korozija. Ukupni efekti navedenih destruktivnih procesa, dakle, zavise od karakteristika predmetne agresivne sredine, ali, isto tako, oni su i funkcija unutrašnje otpornosti upotrebljenih materijala (betona i čelika).

Kada je reč o betonskim konstrukcijama (i AB i PNB), može se reći da su one u najvećem broju slučajeva tako koncipirane (po konstrukcijskom rešenju i upotrebljenim materijalima) i izvedene, da poseduju sopstvenu (unutrašnju) otpornost prema pojedinim agresivnim uticajima. To znači da se samo u retkim i specifičnim slučajevima moraju primenjivati specijalna rešenja spoljašnje zaštite konstrukcija, što podrazumeva korišćenje nekih posebnih zaštitnih materijala (površinski premazi, oblaganje i drugo).

TRAJNOST I KOROZIJA BETONA

U svakom konkretnom slučaju izvođenja nekog građevinskog objekta mora se doneti odluka o načinu obezbeđenja projektovane trajnosti (obično 50 godina), kao i o metodologiji izvođenja eventualne zaštite od korozije. Da bismo to mogli da uradimo, kao prvo treba poznavati karakteristike date sredine u kojoj se gradi (klase izloženosti), ali takođe i potpuno ovladati funkcijom unutrašnje korozione otpornosti betona, kao i funkcijom korozione otpornosti armature - čelika. Pod ovim se u opštem slučaju podrazumeva poznavanje niza uticajnih faktoraod kojih zavisi trajnost betonskih konstrukcija, a to su u opštem slučaju:

Hemijske, fizičke i mineraloške karakteristike agregata, Hemijske, fizičke i mineraloške karakteristike cementa, kao i hemijsko-mineraloške

karakteristike odgovarajućeg cementnog kamena, Zavisnost između sastava betonske mešavine i svojstava očvrslog betona

(uticaj agregata, cementa, vode i eventualnih dodataka betonu na njegova fizičko-mehanička i druga svojstva),

Ostvarena makro i mikrostruktura očvrslog betona, Eventualni defekti i nehomogenosti strukture betona u okviru elemenata konstrukcije, Mehanizam korozije čelika i korozione otpornosti pojedinih vrsta armature.

САСТАВ МЕШАВИНЕ

(КОЛИЧИНЕ И ВРСТЕ КОМПОНЕНТНИХ

МАТЕРИЈАЛА)

УСЛОВИ ФОРМИРАЊА СТРУКТУРE

(ВРЕМЕ, ТЕМПЕРАТУРА,

ВЛАЖНОСТ СРЕДИНЕ)

СТРУКТУРА

СВОЈСТВА БЕТОНА

Функционална зависност својства бетона - састав - структура

Klase izloženosti prema delovanju sredine u skladu sa EN 206

KLASE IZLOŽENOSTI:

X0 – nema rizika od korozije ili agresije

XC – korozija prouzrokovana karbonatizacijom

XD – korozija prouzrokovana hloridima koji ne potiču iz morske vode

XS – korozija prouzrokovana hloridima iz morske vode

XF – zamrzavanje / odmrzavanje sa ili bez agenasa za odmrzavanje

XA – hemijska izloženost

XM – habanje površine betona

KOROZIONA OTPORNOST AGREGATA

Koroziona otpornost, pa samim tim i trajnost agregata je, kao i mnoge druge karakteristike, funkcija vrste i svojstava konkretnog stenskog materijala.

Polazeći od svojstava stenskih materijala o kojima je ovdereč, može se uvek definisati i koroziona otpornost agregata.

Trajnost betona, vezana za prisustvo agregata u njemu, biće u opštem slučaju i funkcija niza drugih faktora, kao štosu sadržaj organskih materija, upijanje vode, sadržajhemijski štetnih primesa, sadržaj grudvi gline, sadržaj sitnihčestica, obavijenost zrna krupnog agregata prašinastim(glinovitim) česticama, postojanost na dejstvo mraza, ukupni sadržaj sumpora, hlorida i dr.


Agregat je značajan u vezi trajnosti betona i sa aspekta odvijanja tzv. alkalno-agregatnih reakcija u očvrslom betonu čije posledice su toliko ozbiljne -manifestuju se najčešće u vidu potpunog razaranja betona.

Mada fenomen alkalno-agregatnih reakcija još uvek nije u potpunosti razjašnjen, neosporno je utvrđeno da suštinu procesa predstavljaju hemijske reakcije na relaciji agregat-alkalije sadržane u cementnom kamenu.

Kao potencijalni alkalno-reaktivni sastojci agregata javljaju se minerali na bazi silicijumdioksida u amorfnom obliku (amorfna silicija), kao što su opal, rožnac, kalcedon, zeolit i dr. Potencijalnu reaktivnost ispoljavaju i drobljeni agregati dobijeni od dolomita, krečnjačkih dolomita i još nekih karbonatnih stena.

Iniciranje i intenzitet destruktivnih procesa u betonu ne zavisi samo od prisustva potencijalno štetnih agregata, već bitno zavisi i od sadržaja alkalija u cementu; ukoliko ovaj sadržaj nije veći od 0,5-0,6%, ne dolazi do alkalno-agregatne reakcije (potreban uslov: Na3O + 0,658K2O < 0,6% po masi).

Za odvijanje alkalno-agregatne reakcije u opštem slučaju potrebno je i prisustvovode, odnosno vlage.


OŠTEĆENJA BETONA USLED ALKALNO-AGREGATNE REAKCIJE

Treba, međutim, istaći da kod nas do sada nije bilo pojava destruktivnih procesa u betonima koji bi bili rezultat alkalno-agregatne reakcije. Objašnjenje za ovo, verovatno, leži u činjenici da agregati koji se koriste nemaju u značajnoj količini alkalno-reaktivne sastojke, ali i da većina primenjivanih cemenata nisu "čisti" portland cementi sa značajnijim sadržajima alkalija, već se u najvećem broju slučajeva radi o cementima sa raznim pucolanskim dodacima (CEM II).

U vezi sa prisustvom agregata su i potencijalne mogućnosti razvijanja destruktivnih procesa u betonu usled termičke nekompatibilnosti agregata i cementnog kamena, o čemu se takođe mora voditi računa.

Ova nekompatibilnost je zapažena na betonskim mostovima kod kojih je beton spravljen sa krečnjačkim agregatom – u sredinama gde se javljaju velika kolebanja dnevnih i sezonskih temperatura.

Prema tome, trajnost betona u zavisnosti od korozione otpornosti i drugih svojstava agregata je veoma složena funkcija i ona se ne može zadovoljiti isključivo usvajanjem u mineraloško-petrografskom pogledu povoljnog agregata.


KOROZIONA OTPORNOST CEMENTNOG KAMENA

Koroziona otpornost cementnog kamena načelno je funkcija dva osnovna faktora - prirode produkata hidratacije i ostvarene strukture cementnog kamena koja se formira tokom procesa hidratacije.

Ne ulazeći dublje u vrlo složen kompleks pitanja hemijske otpornosti cementa, ovde ćemo samo istaći da se, s obzirom na mehanizam agresivnog delovanja, korozija cementnog kamena može svesti na tri osnovna oblika:

1. Rastvaranje i ispiranje Ca(OH)2 (korozija usled delovanja tzv. mekih voda),

2. Obrazovanje lakorastvorljivih jedinjenja pri međudejstvu hemijskih agenasa icementnog kamena - rastvaranje dobijenih jedinjenja i njihovo ispiranje(kiselinska i magnezitna korozija, korozija usled delovanja mineralnih đubriva),

3. Obrazovanje u porama cementnog kamena takvih jedinjenja koja zauzimajuveći prostor od polaznih supstanci, što izaziva pojavu unutrašnjih napona u cementnom kamenu i destrukciju njegove strukture (sulfatna korozija ialkalno-agregatna reakcija o kojoj je napred već bilo reči).

KOROZIONA OTPORNOST CEMENTA

Isprani i nataloženi kalcijumkarbonat na površinama betonskih elemenata


Što se tiče vrste upotrebljenog cementa i njegovog sastava, važan je tzv. Vikatov indeks (odnos kiselih i bazičnih komponenata u cementu):


MgOCaO

OAlSiOI

322

Što je vrednost ovog indeksa veća, smatra se da je iotpornost cementa prema hemijskoj agresiji veća.

Na primer, kod aluminatnog cementa (AC), koji se u opštem slučaju smatra za hemijski veoma otporan, vrednost I je uvek veća od 1,0.

Međutim, kod "čistog" portland cementa (CEM I) vrednost / je skoro uvek ispod 0,5, pa je CEM I po pravilu najneotporniji od svih cemenata u odnosu na hemijske uticaje.

Što se tiče cemenata sa dodacima zgure ili/i pucolana (CEM II – CEM V) oni imaju 0,5 < I < 1,0, što znači da su oni otporniji od portland cementa, ali ne toliko otporni kao aluminatni cement.

PARAMETRI STRUKTURE BETONA OD UTICAJA NA TRAJNOST

Struktura očvrslog betona je, načelno, rezultat dostizanja određenog stepena hidratacije cementa, tj. rezultat postizanja dovoljnog stepena očvršćavanja betonske mešavine.

Strukturu betona u opštem slučaju čine:

Makrostruktura + Mikrostruktura + Prelazna (tranzitna) zona

PARAMETRI STRUKTURE BETONA

Dimenzije čvrste faze i pora u cementnom kamenu u okviru betona

Šematski prikaz kontaktne zone između zrna agregata i cementnog kamena

Šematski prikaz međuzavisnosti između agregata i cementne paste

u kontaktnoj zoni

KONTAKTNA ZONA

KOROZIJA ARMATURE

Alkalnost betona predstavlja vrlo efikasnu zaštitu čelika od korozije(pH > 12,5).

To znači da ova zaštita zavisi kako od uslova sredine, tako i od veličina zaštitnih slojeva betona i strukture betona u okviru ovih slojeva.

Korozija može da se javi bilo onda kada su ovi slojevi oštećeni (prsline/pukotine), bilo u slučajevima kada oni imaju suviše veliku poroznost, ili kada su izvedeni od betona sa neadekvatnim (hemijski neotpornim) cementom.

S obzirom na opasnost od korozije, izbor čelika predstavlja vrlo važan činilac trajnosti konstrukcija od armiranog i prednapregnutog betona.

Ovde treba napomenuti da razvijanje procesa korozije čelika u betonu pratiobrazovanje produkata korozije čija je zapremina obično 2-2,5 puta veća od zapremine koju je imao nekorodirani metal (ekspanzija dovodi do otpadanjazaštitnog sloja betona i daljeg neometanog napredovanja procesa korozije).

KOROZIJA ARMATURE U BETONU


POSLEDICE KARBONATIZACIJE

Smanjenje količine kalcijum hidroksidau cementnom kamenu uzrokujesmanjenje pH vrednosti betona.

Uobičajeni pH betona 12,6 –13,5 Zbog velikog pH oko armature u

betonu postoji pasivni slojnema mogućnosti nastanka korozijearmature.

Nakon karbonatizacije pH ≤ 9 Smanjen pH betona smanjena

pasivnost armature u betonu

KOROZIJA ARMATURE MOŽE ZAPOČETI !

KARBONATIZACIJAPrimer:

Postignuta karbonizacije betona 15 mm:

v/c = 0,60 nakon 15 godina

v/c = 0,45 nakon 100 godina


Stanje 1:

Na početku beton ima samomale, mikroskopski vidljivepukotine i nejednaku boju napovršini od formiranjaprodukata korozije.

Stanje 2:

Vidljive su pukotine, a napovršini betona se vide mrljeod produkata hidratacije.

PRIMER

Stanje 3:

Dolazi do odlamanja betonskogzaštitnog sloja zbog formiranjaprodukata korozije.

Stanje 4:

Značajno odlamanje zaštitnog sloja, vidljive su armaturne šipke kojepostaju direktno izloženedelovanjima iz okoline.

PRIMER


NAČINI POBOLJŠANJA TRAJNOSTI(KOROZIONE OTPORNOSTI)

BETONA

Mere za povećanje trajnosti betona u uslovima date korozione sredine idu u pravcu ostvarenja što veće unutrašnje otpornosti komponentnih materijala kao i što veće kompaktnosti betona.

Na hemijsku otpornost cementnog kamena može se u opštem slučaju uticati i putem regulisanja njegove strukture, a to se može postići izborom optimalnog vodocementnog faktora, korišćenjem aditiva tipa superplastifikatora, upotrebom nekih posebnih mineralnih dodataka (na primer silikatne prašine), raznih polimera rastvorljivih ili dispergovanih u vodi (lateks, poliakrilat, polivinilacetat) i dr.

POBOLJŠANJE TRAJNOSTI BETONA

Regulisanje strukture cementnog kamena u betonu može da ide i u pravcu programiranog povećanja njegove poroznosti.

Na primer, za dobijanje betona otpornog na dejstvo mraza i na dejstvo mraza i soli za odmrzavanje, može se ići na uvođenje u strukturu cementnog kamena dodatne poroznosti korišćenjem postupka aeriranja (tj. hemijskih dodataka tipa aeranata).

Mehurići prekidaju mrežu kapilara u cementnom kamenu, pa se smanjuje kapilarno upijanje vode; ukoliko dođe do smrzavanja vode unutar mase betona, dobija se prostor za nesmetano širenje leda (putem aeriranja stvara se rezervna zapremina pora, koja je najčešće za oko 20% veća od zapremine zamrznute vode).

Odlučujuću ulogu u povećanju otpornosti na dejstvo mraza aeriranih betona imaju veličina i međusobna udaljenost vazdušnih mehurića (spacing factor).


Pojavom samozbijajućeg (SCC) betona, eliminiše se uticaj "faktora čovek", tako da trajnost betonske konstrukcije zavisi samo od ostvarenog kvaliteta betonske mešavine.

Dobija se kvalitetno ujednačen zbijen beton odnosno beton visoke trajnosti.

To je, kako smo već naučili, beton koji ne zahteva vibriranje, a zbijanje se ostvaruje samo gravitacijom, tj. sopstvenom težinom betona.

Betonska mešavina ima visoka svojstva razastiranja, lagano teče i popunjava i vrlo tanke i razuđene preseke i prostore između gusto raspoređene armature, kao i između armature i oplate.


Primena mikroarmiranih (FRC) betona, vodi ka ravnomernom ojačanju cementne matrice i povećanju njene duktilnosti, čime se reguliše broj i dimenzije prslina i konsekventno povećava trajnost betona, odnosno betonskih konstrukcija.

U principu, trajnost betona je značajno veća i u slučaju primene polimerom modifikovanih betona (PMC) i polimer betona (PC).

Naravno, maksimalni efekti u smislu dobijanja betona visoke trajnosti, postižu se u slučaju primene betona visokih performansi (HPC i UHPC), odnosno još više kod primene kombinacija različitih vrsta specijalnih betona (na primer: SFRUHPC).


Što se tiče betonskih konstrukcija, one treba da bude projektovane i izvedene tako da zadovolje zahteve upotrebljivosti, nosivosti i stabilnosti u toku proračunskog eksploatacionog veka bez značajnih gubitaka koji bi nepovoljno uticali na troškove održavanja i namenu objekta.

Zahteve za obezbeđenje trajnosti, zavisno od vrste i stepena agresivnosti sredine, treba uzeti u obzir već pri razmatranju koncepcije konstrukcije, zatim pri izboru materijala, izradi detalja konstrukcije, pri izvođenju, primeni postupaka nege betona, kontroli kvaliteta, nadzoru, uslovima eksploatacije, kao i pri propisanom održavanju.

TRAJNOST BETONSKIH KONSTRUKCIJA

Posebnu pažnju treba posvetiti pripremi i obradi starog betona i spoju "starog" i "novog" betona, pri izvođenju nastavaka betoniranja.

Broj tih radnih prekida treba svesti na neophodni (tehnološki) minimum, s obzirom da su to slaba mesta u konstrukciji.

Od presudnog značaja je, za dug vek konstrukcije, (zavisno od stepena agresivnosti sredine i namene konstrukcije), pravilan izbor debljine, kvaliteta i kompaktnosti zaštitnog sloja betona do armature, kao i ograničenje širine prslina.


U slučaju kada produkti korozije uvećavaju svoju zapreminu (sulfatna korozija), oni time izazivaju unutrašnja naprezanja u betonu koja mogu znatno prevazići dopuštena naprezanja u eksploataciji konstrukcije.

Pri projektovanju AB konstrukcija u agresivnim sredinama, treba birati šipke armature većeg prečnika, jer je kod njih manja redukcija preseka armature nego kod tanjih šipki i žica pri istim uslovima sredine.


PRIMERI OŠTEĆENJA BETONA

Documents

9 predavanje - Trajnost betona