Univerzitet u Novom Sadu Katedra za konstrukcije i materijaleGrađevinski fakultet Subotica Betonski mostoviMaster studije

KARBONATIZACIJA BETONASEMINARSKI RAD

Mentor: Student:Prof. Mr. Slobodan Grković Radovan Gromilić

Subotica, februar 2016.

2

S A D R Ž A J

SADRŽAJ

UVOD

1 RAZUMEVANJE KARBONATIZACIJE BETONA..............................................................6

2 ARMIRANI BETON................................................................................................................7

3 KARBONATIZACIJA BETONA JE PRIRODAN PROCES..................................................7

4 FAKTORI KOJI UTIČU NA STOPU KARBONATIZACIJE BETONA...............................8

4.1 Fizičke karakteristike.........................................................................................................8

4.2 Lokacija i okruženje...........................................................................................................9

5 KLASIFIKACIJA DETERIORACIONIH OBLIKA BETONA..............................................9

6 METODE ISPITIVANJA STUPNJA KARBONATIZACIJE BETONA..............................11

6.1 Test brzine prodora karbonatizacije.................................................................................13

6.2 Terenski test.....................................................................................................................14

7 METODE ZA SPREČAVANJE KARBONATIZACIJE I OPORAVAK ALKALNOSTI KARBONIZOVANOG BETONA.................................................................................................15

7.1 Metode za sprečavanje karbonatizacije betona................................................................15

7.2 Metode za oporavak karbonatizovanog betona...............................................................15

8 PRIMERI KARBONATIZACIJOM OŠTEĆENIH ELEMENATA KONSTRUKCIJE.......17

9 ZAKLJUČAK.........................................................................................................................19

3

UVOD

Betonske konstrukcije su pod stalnim uticajem CO2 iz atmosfere. Prisutni CO2, koji je u

vodenim rastopima slaba kiselina, reaguje s` različitim hidratima u cementnom kamenu kao što je

gaseni kreč Ca(OH)2.

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

4

BETON

KARBONATIZACIJA

MEŠALICA

GRAĐ. MATERIJAL

VAVILONCI

ŠLJUNAK

pH VREDNOST

UGLJEN-DIOKSID ZAŠTITNI SLOJ BETONA

SUVI LED

ATMOSFERSKI GAS

APARAT ZA VARENJE

NEZAPALJIV

AGRESIVNOST SREDINE

1. LINIJA ODBRANE

PREKRIVA ARMATURU

RABIC MREŽA

BAZNA

NEUTRALNA

ALKALNA

GAZIRANA PIĆA

Karbonatizacijom se smanjuje pH vrednost koja uzrokuje otapanje zaštitnog filma na površini

čelika i time otpočinje korozija.

Karbonatizacija ne stvara problem u vrlo suvom ili vodozasićenom betonu. Maksimalna brzina

karbonatizacije je uočena kod relativne vlažnosti vazduha 50 – 80 % . Brzina karbonatizacije

određena je kvalitetom betona koji je određen vodocementim faktorom, vrstom i količinom

cementa. Padom temperature ispod 0oC, karbonatizacija se zaustavlja dok pri povećanju

temperature ubrzava što se objašnjava olakšanom difuzijom CO2.

Slika 1. Reakcija koju ugljen dioksid izaziva dolazeci u kontakt sa komponentama u betonu

Količina karbon dioksida naročito se povećala u gradovima i na prometnicama. Osim

toga, u okolnostima kada pore u betonu nisu zasićene vodom, penetracija karbon dioksida u

betonu je najbrža i zavisi u prvom redu od poroznosti betona. 1

1 Preuzeti sa sajta https://pavemaintenance.wikispaces.com/Carbonation+of+Concrete+-+Dahee dana 07.02.2016.

5

1 RAZUMEVANJE KARBONATIZACIJE BETONA

Slika 2. Karbonatizacija armature u betonu

Van direktnog mehaničkog oštećenja ili vatre, korozija čelične armature ostaje u središtu

većine slučajeva neuspeha betonskih konstrukcija. Proces strukturnog neuspeha usled konkretne

karbonatizacije počiva na prisustvu vlage i akcije ekoloških snaga, u ovom slučaju posebno

ugljen dioksida. Da bi se razumeo način neuspeha neophodno je da se prvo shvati priroda

strukture armiranog beton.2

Slika 3. Korozija

armature usled karbonatizacije

2 Preuzeto sa sajta http://www.st-astier.co.uk/blog/2013/3/4/understanding_concrete_carbonation dana 07.02.2016.

6

2 ARMIRANI BETON

Uvođenjem armiranog betona u 19. veku došlo je do unapređenja snage betonskih

konstrukcija, smanjenja cena i stvaranja konstrukcija koje je do tada bilo nepraktično ili

neizvodljivo napraviti.

Mogli bismo grubo podeliti armirani beton na dve komponente: čelik, koji je visoko

otporan i na zatezne i na kompresione sile, i beton koji se odlikuje visokom čvrstoćom na

pritisak. Prisustvo kalcijum hidroksida u betonu stvara alkalnu sredinu sa pH od 12 do 13 pa

postavljanje armature u ovo prirodno alkalno stanje, implicira zaštitu šipki od korozije,

stvaranjem zaštitnog sloja oko čelične armature – poznatog kao „sloj pasivizacije“.3

3 KARBONATIZACIJA BETONA JE PRIRODAN PROCES

Proces kabonatizacije je gotovo nemoguće izbeći u neobrađenom betonu koji je izložen

dejstvu ekoloških elemenata. Čim je beton izložen vazduhu, proces karbonatizacije može da

počne: ugljen dioksid polako prodire kroz površinu betona, gde reaguje sa vlagom u porama i

kalcijum hidroksidom (koji je jedno od jedinjenja u betonu) i formira kalcijum karbonat. Kada

ugljen dioksid upozna vodu u porama, dolazi do razređivanja karbolne(ugljene) kiseline, čime

dolazi do smanjivanja prirodne alkalnosti betona, rastvaranja kalcijumovih jedinjenja u cementu i

njihovig isparavanja iz betona. Ispiranje 15-30% Ca(OH)2 u odnosu na njegov sadržaj u

cementnom kamenu dovodi do pada čvrstoće cementnog kamena za 40-50%. Način ispoljavanja

je pojava belih mrlja na površinama, koje predstavljaju nataloženi kalcijumkarbonat nastao

spajanjem Ca(OH)2 i ugljen-dioksida iz vazduha. U zavisnosti od konkretne poroznosti i

propusnosti, karbonatizacija betona može napredovati po stopi od 1mm do 5mm godišnje.

Provobitni efekat je kaljenje betona i odgovarajući porast čvrstoće.

3 Preuzeto sa sajta https://failures.wikispaces.com/Concrete+Bridge+Failures+-+Deterioration+and+Spalling dana 07.02.2016.

7

Slika 4. Karbonatizacija betona

Međutim, proces karbonatizacije takođe služi da smanji prirodnu alkalnosti beton sa oko pH13 na

pH8. Ovo je ta promena hemijskih karakteristika armiranog betona koja predstavlja duboku

opasnost po integritet konstrukcije: kako ugljen dioksid putuje dublje u beton i pristupa dubini u

kojoj je čelik ugrađen, pasivirani sloj oko armature biva demoliran i ostavljen na nemilost

agresivnom delovanju vazduha i vode. Kako rđa čelika napreduje i kako se zapreminski širi,

direktno se povećava pritisak u betonu i on puca, dolazi do kolapsa, uzrokujući eksponencijalnu

stopu neuspeha u svojoj okolini.4

4 FAKTORI KOJI UTIČU NA STOPU KARBONATIZACIJE BETONA

U kojoj se meri armirani beton može odupreti štetnim efektima karbonatizacije, zavisi od

njegovih fizičkih karakteristika, ukuljučujući način projektovanja, proizvodnju, izvođenje na licu

mesta/zaštitu, spoljasnje faktore, lokaciju i izloženost silama životne sredine ili zagađivača.5

4.1 Fizičke karakteristike

4 Preuzeto sa sajta http://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/19848/1/Pacheco-Torgal%25202012.pdf dana 07.02.2016.5 Preuzeto sa sajta https://pavemaintenance.wikispaces.com/Carbonation+of+Concrete+-+Dahee dana 07.02.2016.

8

Marka betona, njegova propusnost i debljina zaštitnog sloja (udaljenost spoljnog lica

betona od armature) će uticati na vreme potencijalnog neuspeha. Međutim, mora se napomenuti

da betoni visokih čvrstoća nisu nužno trajniji.

Dalja briga jeste mešanje betona-smesa, kompaktnost – s` jedne strane od suštinskog

značaja jeste maksimiziranje konkretne gustine (međutim, previše gusto je teško ugradljivo), dok

s` druge strane imamo problem prevelike vlažnosti (skupljanje i površinsko pucanje). 6

Slika 5. Šema odlučujućih parametra korozije armature u betonu

4.2 Lokacija i okruženje

Fizička lokacija konstrukcije od armiranog betona je značajan faktor u određivanju

mogućnosti neuspeha. Zapravo, betonski elementi koji se nalaze u zatvorenom prostoru i u

relativno niskim uslovima vlažnosti, neće ustuknuti uprkos rasprostranjenoj karbonatizaciji.

Prodor vode spolja je obično ono što je potrebno za strukturni neuspeh betona.

6 Preuzeto sa sajta http://www.st-astier.co.uk/blog/2013/3/4/understanding_concrete_carbonation dana 07.02.2016.

9

vrsta i količina

cementa

agregat i aditivi

poroznost

nega betona

sadržaj vlage

čvrstoća betona

debljina zaštitnog

sloja

Strukture koje su izložene agresivnim vremenskim uslovima su posebno osetljive,

naročito kada je verovatno da će doći do kontinuiranog ciklusa mokrenja i sušenja kao i efekata

zamrzavanja

i odmrzavanja. Kada postoje ovi uslovi i pri tom još i zagađivači prirodne sredine kao što su soli,

koje su takođe prisutne, stopa neuspeha je ubrzana još više napadima hlorida.

5 KLASIFIKACIJA DETERIORACIONIH OBLIKA BETONA

Generalno se deterioracija betona može klasifikovati u tri grupe: fizicka deterioracija,

hemijska deterioracija i korozija armature. Među njima se hemijska deterioracija može podeliti na

one nastale usled sulfata, kiselina, morske vode, alkalno agregatne reakcije, ispiranja i

kabonatizacije ili neutralizacije. Na slici 5. je prikazana klasifikacija deterioracionih oblika

betona, a na njoj posebno označena karbonatizacija, na koju ćemo se i usresrediti.7

Slika 6. Klasifikacija deterioracije betona

Neutralizacija se proteže dugoročno, što na kraju ultimativno smanjuje pH vrednost na

površini armature. Zasigurno, korozija čeličnih elemenata je direktno povezana sa deterioracijom 7 Preuzeto sa sajta https://pavemaintenance.wikispaces.com/Carbonation+of+Concrete+-+Dahee dana 07.02.2016.

10

noseće moći strukture. U nameri da se konstrukcija rehabilituje, tradicionalne metode kojima se

pribegava jesu punjenje visoko alkanim malterom mesta uklonjenih demoliranih delova

konstrukcije. Ove metode su generalno propraćene dužim periodom popravki, bukom,

vibracijama, rasipanjem prašine, visokim troškovima.

Slika 7. Proces korozije armature

6 METODE ISPITIVANJA STUPNJA KARBONATIZACIJE BETONA

Karbonatizacija nije paralelna sa površinom betona, a najbrže napreduje u uglovima i na

mestu prslina gde je locirana armatura. Ispitivanja pokazuju da je dubina karbonitizacije u

optimalnim uslovima približno proporcionalna kvadratnom korenu vremena, što se može

dokazati na osnovu prvog Fick-ovog zakona. Polazeći od određenih pretpostavki dolazi se do

poznatog izraza:

k = a√ t ;

11

Da bi se izmerila karbonatizovana dubina koristi se fenolftalein indikator. Rastvor

fenoftalein se sastoji od 1% fenoftalein praha i 99% etil alkohola. Fenoftalein je nerastvoriv u

vodi te se za potrebu eksperimenata rastvara u alkoholu. Beton ima prirodno veliku pH vrednost

zbog kalcijum hidroksida formiranog kada je portland cement reagovao sa vodom. Kada se

rešenje sa 1% fenolftaleina primeni, na normalnom betonu doći će do promene boje rastvora u

svetlo ružičastu, ako je beton pretrpeo karbonatizaciju, neće doći do promene boje. Ovaj test je

pokriven sa BS EN 14630, proizvodi i sistemi zaštite i oporavka betonskih konstrukcija.8

Slika 8. Bočica sa fenolftalein rastvorom

8 Preuzeto sa sajta https://pavemaintenance.wikispaces.com/Carbonation+of+Concrete+-+Dahee dana 07.03.2016.

12

Slika 9. Primer primenjenog fenolftalein rastvora

6.1 Test brzine prodora karbonatizacije

Neophodno je prvo odrediti dimenzije uzoraka nad kojima se sprovodi test brzine prodora

katbonatizacije, prema tipu betona od koga je uzorak sačinjen. Kada su kalupi, jasno definisanih

dimenzija spremni, onda se svež beton ili malter postavlja u kalupe. Sledi period sušenja,

očvršćavanja od 28 dana, da bismo dobili standardne uzorke. Nakon sušenja, uzorak je potrebno

zatvoriti silikonom sa 5 strana, kao što je prikazano na slici (dole). Nakon zaptivanja uzorak treba

da odstoji još jedan dan, pa se zatim postavljaju u uređaj koji predstavlja deo opreme za merenje

brzine karbonizacijskog prodora, prikazano na slici ispod. Primećujemo da nezapečaćena strana

treba da bude postavljena uspravno u odnosu na ploču. I na kraju se dubina karbonatizacije

obično meri posle 1, 2, 4, 6 i 8 nedelja koristeći fenolftalein indikator. Na slikama ispod je

prikazan opisani postupak merenja karbonatizacije.9

9 Preuzeto sa sajta http://www.concrete-experts.com/pages/carb.htm dana 07.02.2016.

13

Slika 10. Algoritam procesa i oprema korišćena pri testiranju

6.2 Terenski test

14

Jedan od metoda testiranja dubine karbonatizacije je bušenje rupe na površini, pri čemu

bismo izvadili uzorak na kome isečenu površinu tretiramo fenolftalein rastvorom, kao na slici 8.

Slika 10. pokazuje aparat za vađenje uzorka.10

Slika 11. Vađenje uzorka za testiranje dubine karbonatizacije

7 METODE ZA SPREČAVANJE KARBONATIZACIJE I OPORAVAK ALKALNOSTI KARBONIZOVANOG BETONA

7.1 Metode za sprečavanje karbonatizacije betona

U cilju sprečavanja karbonatizacije, koristi se nekoliko konkretnih metoda. Najpre,

povećana količina cementa. Drugim rečima, nizak vodo-cementni faktor može da igra značajnu

ulogu u usporavanju brzine karbonatizacije betona. Takođe, karbonatizaciju možemo sprečiti

primenom određene zaštite betonske podloge, kao što su boje i pločice. Na taj način će biti

ometano prožimanje ugljen dioksida. Pored toga, uz dodatak aditiva za sprečavanje

10 Preuzeto sa sajta http://www.concrete.org.uk/fingertips-nuggets.asp?cmd=display&id=463 dana 07.02.2016.

15

karbonatizacije, može se sprečiti-usporiti karbonatizacija. Ovaj se metod zasniva na koncipiranju

što čvršće i gušće smese betona. Pored navedenih metoda, karbonatizacija se može sprečiti

obezbeđenjem odgovarajuće debljine zaštitnog sloja betona. Kao sredstvo protiv karbonatizacije

koristi se proizvod nastao sagorevanjem uglja, takozvani leteći pepeo.

7.2 Metode za oporavak karbonatizovanog betona

Postupak pri kojem se pomoću strujnog izvora betonu povećava pH vrednost, pri ćemu se

obnavljaju pasivirajuća svojstva betona u blizini armature. Kako bi se oporavila alkalnost

karbonatizovanog betona, može se koristiti elektro-hemijski način povećanja alkaliteta. Teoretski

se ova metoda zasniva na principu gde se alkali pomeraju ka unutrašnjosti betona, koristeći efekat

električnog polja. Pre svega, alkalni rastvor sa elektrodom mreže treba da se nanese na betonsku

površinu sa elektrolitom.Elektrodna mreža treba da bude povezana sa armaturom u betonu putem

jednosmerne struje. Ako struja teče između elektro mreže, kao anode i armature unutar betona,

kao katode, različiti elektro-hemijski procesi se odvijaju u betonu, pri čemu je usled odgovarajuće

reakcije armature, kretanja eksternih supstanci, moguće ponovno alkalizovati karbonitizovani

beton. Slika 11. prikazuje princip rada.

Slika 12. Elektro-hemijska re-alkalizacija

16

Međutim, iako je moguće da se karbonitizovani beton ponovo alkalizuje elektro-hemijski,

u konkretnim situacijama je teško primeniti ovaj postupak, zbog složenosti izvođenja i cene.

Stoga je neophodno da se razvije jednostavniji metod. Bazirajući se na teoriji elektro-hemijske

realkalizacije, suštinu možemo primeniti da razvijemo hemijske agense oporavka alkalnosti. 11

8 PRIMERI KARBONATIZACIJOM OŠTEĆENIH ELEMENATA KONSTRUKCIJE

Slika 13a. Beton zahvaćen karbonatizacijom

Kao što vidimo bela boja ukazuje na

karbonatizaciju, što je veoma izraženo na

prvoj slici. Ono što još možemo uočiti jesu

ružičaste mrlje na ovim slikama, koje

predstavljaju fenolftalein rastvor, odnosno

11 Preuzeto sa sajta http://www.slideshare.net/himanshujaiswal75248795/carbonation-of-concrete dana 07.02.2016.

17

onaj preostali zdravi – alkalni deo betona. Ovaj tip deterioarcije najčešće podrazumeva

rastvaranje i ispiranje kalcijumhidroksida (Ca(OH)2) iz očvrslog cementnog kamena, što rezultira

propusnošću i slabaljenjem strukture betona. Ispiranje 15-30% Ca(OH)2 u odnosu na njegov

sadržaj u cementnom Slika 13b. Beton zahvaćen karbonatizacijom kamenu dovodi do pada

čvrstoće . cementnog kamena za 40-

50%. Način ispoljavanja je pojava belih mrlja na površinama, koje predstavljaju nataloženi

kalcijumkarbonat nastao spajanjem Ca(OH)2 i ugljen-dioksida iz vazduha.12

Slika 13c. Bele mrlje – nataloženi kalcijum karbonat Slika 13d. Karbonatizacija

Mrlje su najčešće posledica prisustva vlage, vode, ispiranja i izlučivanja krečnjaka, zatim nekih

materija često i hemijski vrlo agresivnih (kiseline, rastvori soli i drugo) koje su prosute na

površini betona. Nakon uočavanja pojave mrlja, možemo očekivati pojavu pukotina na betonu.

9 ZAKLJUČAK

Više od 50% degradacije betonskih konstrukcija je povezano sa korozijom armature, zbog

karbonizacije betona ili prodora hlorida, što dalje implicira da se od inženjera zahteva minimum

elementarno poznavanje hemije i praćenje trendova novih vrsta cemenata,aditiva i ostalih

komponenata betona, čijim bi saznanjem mogli vizuelizovati tok gradnje savremene konstrukcije.

Druga stvar na koju treba obratiti posebnu pažnju jeste evrokod, novi propisi za koje nam niko ne

daje pauzu, u kojoj bismo mogli da ih pomno izučimo, već se od nas očekuje da se u njih brzo

12 Preuzeto sa sajta https://pavemaintenance.wikispaces.com/Carbonation+of+Concrete+-+Dahee dana 07.02.2016.

18

uklopimo. Shodno prethodno izloženom radu, jasno nam je da bi pametnije bilo pokušati sprečiti

karbonatizaciju nego li je lečiti. Karbonatizacija je gledano sa današnjeg stepena razvoja i

razumevanja ovog problema neizbežna. Na nama je da sastavimo takvu betonsku smesu, koja će

maksimalno da se odupre napadu ugljen dioksida, tj. smesu takvu da njene karakteristike

otežavaju i usporavaju prolaz agresivnih agenasa. To je maksimum koji se zapoveda gledajući na

tehnologiju izvedbe betonskih elemenata. Naravno, podjednako važan faktor jeste izolacija,

odnosno zaštita tog betonskog elementa. Rezime, napraviti element takav da se od njega očekuje

maksimalan otpor, zaštitu vrhunskog kvaliteta, a treći deo bi obuhvatao održavanje. Mehanizme

zamene izolacije, obrade oštećenih delova betona – popunjavanje novim... Neizbežno jeste razviti

algoritme sanacije postojećih objekata, onih koji već jesu podlegli povredama karbonatizacije, a

za koje još nije kasno. Pitanje je: kako napraviti plan sanacije postojećeg objekta na

najekonomičniji i najefektivniji način. Očekuje se racionalno rešenje koje isključuje plikoumna

razmišljanja u kojima se dižu ruke od konstrukcije pre nego li se problem detaljno analizira.

Očigledno, beton nije večan, a problem o kom govorimo prevazilazi pojedinca. U igri su mnogi

ljudi, nažalost ono što je mnogo bitnije jeste da su u igri velike svote novca, te se greške i

propusti poput ovih ne tolerišu. Jednom ugrađen beton loših karakteristika, teško ili nikako se

popravlja. Trebamo razumeti da gradimo objekte koji su pod stalnom okupacijom agresivnih

gasova i kiselina čiji smo tvorci često i mi sami, iako se zna da su soli za odmrzavanje pogubne

za naše konstrukcije one se neprestano koriste.

LITERATURA:

(1) Jure Radić i suradnici, Betonske konstrukcije(2) http://www.st-astier.co.uk/blog/understanding_concrete_carbonation(3) https://pavemaintenance.wikispaces.com/Carbonation+of+Concrete+-+Dahee(4) http://www.slideshare.net/himanshujaiswal75248795/carbonation-of-concrete(5) http://www.concrete-experts.com/pages/carb.htm(6) http://www.understanding-cement.com/carbonation.html

19

(7) http://www.concrete.org.uk/fingertips-nuggets.asp?cmd=display&id=463(8) Predavanje br.5 Prof. Mr. Slobodan Grković(9) Sveska sa predavanja

20