1

DETERIORAREA BETONULUI ARMAT

Deteriorarea n timp a betonului armat se produce dupa mecanisme complexe datorate

complexitii i neomogenitii acestui material. Factorii care determin distrugerea betonului

sau a armturii pot fi factori externi (variaiile de temperatur, aciunea electrolitic i atacul unor lichide i gaze, uzura) sau factori interni de compozitie (reacia dintre alcalii i agregate, permeabilitatea i diferenele de proprieti termice ale agregatului i pietrei de ciment). Fenomenele principale de deteriorare n timp care afecteaz durabilitatea betonului armat

sunt: coroziunea betonului, coroziunea armturii, gelivitatea betonului, oboseala elementului,

eroziunea.

1. Coroziunea betonului Este rezultatul coroziunii pietrei de ciment i/sau a incompatibilitii agregatelor cu

cimentul.

Fenomenele coroziunii pietrei de ciment sunt mprite, la ora actual, n trei tipuri principale.

Tipul I de coroziune const n decalcifierea i transformarea constituenilor mineralogici ai cimentului ntr-un amestec de geluri de consisten moale ce sunt uor

ndeprtate printr-o aciune mecanic i care provin numai din piatra de ciment. Dup acest

mecanism acioneaz: apele dulci (foarte moi i moi, lipsite de duritate), apele cu coninut de dioxid de carbon agresiv, soluiile srurilor de amoniu (cu excepia sulfailor) i soluiile de acizi care dau sruri solubile de calciu.

Apele dulci dizolv uor hidroxidul de calciu din piatra de ciment i apoi hidrolizeaz

hidrosilicaii i hidroaluminaii de calciu, dac se mprospteaz mereu i nu ajung la saturare (cazul apei curgtoare), conform ecuaiilor:

xCaOSiO2pH2O CaOSiO2pH2O Ca(OH)2 + SiO2nH2O (gel)

3CaOAl2O36H2O 2CaOAl2O36H2O CaOAl2O36H2O Ca(OH)2 + Al2O3nH2O, (gel)

rezultnd noi cantiti de hidroxid de calciu pe care-l dizolv n continuare i compui de

natur gelic.

2

Apele cu coninut de CO2 agresiv acioneaz asupra hidroxidului de calciu

transformndu-l n dicarbonat de calciu solubil, dup reaciile:

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2 (solubil n apa)

Ca i n cazul apelor dulci, dup epuizarea Ca(OH)2 liber ncepe procesul de decalcifiere a hidrosilicailor i hidroaluminailor de calciu. Dioxidul de carbon se gsete n apele minerale,

freatice i n zonele de descompunere a substanelor organice.

Srurile de amoniu acioneaz, de exemplu, dup ecuaia:

Ca(OH)2 + 2NH4Cl CaCl2 + 2NH4OH, (solubil) (solubil)

rezultnd compui de calciu solubili.

Acizii anorganici (sulfuric, azotic, clorhidric) acioneaz asupra pietrei de ciment prin reacii de tipul:

Ca(OH)2 + 2HCl CaCl2 + 2H2O (solubil)

xCaOSiO2pH2O + xH2SO4 xCaSO4 + SiO2nH2O + kH2O (gel)

Coroziunea este influenat de solubilitatea produilor de reacie i de viteza de difuziune a

acizilor prin produii noi formai. n mod asemntor acioneaz: acidul acetic (CH3COOH), acidul oxalic (COOH)2, acidul tartric (vinul), acizii humici. Tipul II de coroziune se caracterizeaz prin decalcifierea constituenilor mineralogici ai cimentului i transformarea lor ntr-un amestec de geluri de consisten moale, concomitent

cu precipitarea unor geluri formate chiar din substana agresiv, care se suprapun peste cele

formate din cimentul ntrit. Dup acest mecanism acioneaz: soluiile de sruri de magneziu

(cu excepia sulfatului), grsimile i soluiile de zahr. Aceti ageni chimici agresivi reactioneaz cu aceiai componeni ai pietrei de ciment ca i n cazul coroziunii de tipul I.

Srurile de magneziu reacioneaz astfel:

Ca(OH)2 + MgCl2 CaCl2 + Mg(OH)2 (solubil) (gel)

3

Rezult c peste pelicula de gel rezultat din decalcifierea hidrosilicailor i hidroaluminailor

de calciu din cimentul ntrit se suprapune pelicula de gel de hidroxid de magneziu.

Grsimile reacioneaz cu Ca(OH)2 rezultnd spunuri de consisten moale, care precipit pe suprafaa cimentului.

Soluiile de zahr formeaz zaharai de calciu insolubili de consisten moale.

Tipul III de coroziune este caracterizat prin apariia unor fenomene de expansiune n masa cimentului ntrit din cauza formrii unor compui noi, care cristalizeaz cu mult ap.

Este provocat de soluiile de sulfai solubili i de clorura de calciu ct i de unele substane

organice (plastifiani din industria polimerilor). Soluiile de sulfai solubili reacioneaz mai nti cu Ca(OH)2 din cimentul ntrit i formeaz CaSO4, care reacioneaz cu hidroaluminatul tricalcic din piatra de ciment, conform

ecuaiei:

3CaOAl2O36H2O + 3CaSO4 +25H2O 3CaOAl2O33CaSO431H2O,

iar soluiile concentrate de CaCl2 reacioneaz dupa ecuaia:

3CaOAl2O36H2O + 3CaCl2 + (n-6)H2O 3CaOAl2O33CaCl2nH2O

n ambele cazuri produii de reacie cristalizeaz cu mult ap i duc la distrugerea pietrei de ciment.

***

Cele trei tipuri de coroziune se pot produce separat, dar i n combinaie. De exemplu

soluia de sulfat de amoniu produce simultan coroziunile I i III, soluia de sulfat de magneziu

acioneaz dup coroziunile de tipul II i III, iar apa de mare coninnd: NaCl, MgCl2, MgSO4,

CaSO4, K2SO4, CO2 s.a., produce simultan toate cele trei tipuri de coroziune.

. Incompatibilitatea agregatelor cu cimentul apare la betoanele preparate cu cimenturi bogate n alcalii (Na2O i K2O - existnd o limit maxim a coninutului n alcalii, peste care poate avea loc reacia de expansiune) i cu agregate care conin SiO2 activ (opale, calcedonie, flint etc.). La prepararea betonului, alcaliile trec n soluie sub form de hidroxizi i reacioneaz cu SiO2 activ din agregate formnd geluri, care se umfl n contact cu apa,

solicitnd i distrugnd betonul.

Din cele prezentate rezult c n cimentul ntrit componenii cei mai atacai de agenii

agresivi sunt Ca(OH)2 i hidroaluminatul de calciu. n consecin n medii agresive se vor folosi cimenturi cu coninut mai sczut n C3S i C3A.

4

2. Coroziunea armturilor Coroziunea armturilor se poate produce n urma ptrunderii prin stratul de acoperire

cu beton a agenilor agresivi din mediul exterior care creeaz n lungul barelor un potenial

electric difereniat; se va produce n prezena apei i a oxigenului o coroziune electrochimic a

barelor de oel. Factorii de mediu care produc coroziunea armturilor din beton sunt: dioxidul

de carbon care produce carbonatarea betonului din jurul barelor de armtur; clorurile care dau ionii de clor ce ptrund pn la barele de armatur.

Carbonatarea betonului din jurul barelor de armtur se produce prin aciunea dioxidului de carbon asupra hidroxidului de calciu din piatra de ciment conform reaciei:

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O Rezultatul acestei reacii este o micorare a alcalinitii betonului, iar la pH < 9,6 caracterul

pasiv al barelor nu se mai pstreaz, astfel nct coroziunea electrochimica a barelor de oel

devine posibil.

Ionii de clor ajuni pn la barele de armatur au un rol identic: nltur caracterul pasiv al barelor n procesul de coroziune, prin distrugerea filmului protector de oxid de fier.

Mecanismul coroziunii electrochimice a armturilor n beton, la fel ca la metale, poate

fi separat n doua procese: anodic i catodic.

Procesul anodic const n eliberarea de electroni, dupa relaia:

Fe Fe2+ + 2e- Procesul catodic consta n reducerea oxigenului dizolvat n apa conform reactiei:

12

O2 + H2O + 2e- 2(OH)-

Ionii Fe2+ se combina cu cei de hidroxil, formnd n prezenta oxigenului din aer

rugina cu formula FeO(OH) (oxihidroxid feric). Oxigenul ajunge la armaturi prin difuziune prin stratul de acoperire. Din cele prezentate rezulta ca procesul de coroziune nu se produce

n: beton fara umiditate (uscat), procesul electrolitic fiind mpiedecat; beton saturat cu apa, lipsind oxigenul.

Coroziunea armaturilor este nsotita de o marire de volum a acestora, ceea ce conduce

la aparitia unor fisuri paralele cu barele de otel; se poate produce si o desprindere a stratului

de beton de acoperire datorita cresterii volumului armaturilor corodate, iar n final o reducere

sensibila a ariilor sectiunilor transversale, ceea ce diminueaza mult sau chiar total rezistenta si

rigiditatea acestora.

Corodarea armaturilor depinde de posibilitatea de patrundere a agentilor din mediu la

barele de otel. Astfel, n spatii nchise nu sunt conditii suficiente pentru producerea procesului

5

de coroziune ntr-un ritm semnificativ, n timp ce n spatii deschise, mediul nconjurator ofera conditii suficiente pentru corodarea armaturilor din beton daca elementul din beton armat nu

este corect proiectat si executat n ceea ce priveste protectia barelor de otel.

3. Gelivitatea betonului Reprezinta caracteristica betonului de a se deteriora sub actiunea nghetului repetat.

Comportarea betonului la nghet-dezghet repetat nu este pe deplin elucidata, existnd, pna n

prezent, mai multe ipoteze si teorii.

Cea mai familiara ipoteza este bazata pe cresterea volumului apei, prin nghetare,

cu 9%, si exercitarea unei presiuni pe peretii porilor, ducnd, n final, la distrugerea

elementului din beton considerat ca un recipient impermeabil.

O alta teorie este cea a lui Powers, care explica deteriorarea betonului prin nghetul

unei parti din apa n cavitati si n porii capilari, cresterea de volum a acesteia ducnd la

deplasarea restului de apa nenghetata prin peretii permeabili ai porilor crend o presiune

hidraulica sub actiunea careia betonul se deterioreaza. Aceasta teorie este denumita teoria

presiunii capilare.

O teorie, complementara celei precedente, este cea a mecanismului lentilelor de

gheata. n conformitate cu aceasta teorie (termodinamica) exista echilibru ntre cristalele mari de gheata si cristalele mici numai daca presiunea n cristalele mari este superioara celei din

cristalele mici. Rezulta ca apa din porii mai mici nu va ngheta pna cnd nu se creaza o

presiune suficienta. n aceste conditii, apa din porii mai mici, nenghetata, migreaza spre zona nghetata, formnd lentile de gheata, ale caror dimensiuni cresc, genernd presiuni care duc la

umflarea materialului.

4. Oboseala elementelor Este specifica materialelor supuse la un numar mare de ncarcari ciclice. Ruperea

acestor elemente se produce la valori ale ncarcarilor inferioare celor care actioneaza static: se

produce cedarea la oboseala a elementelor de constructii. Cedarea la oboseala a betonului, ca

de altfel si a otelului, este rezultatul dezvoltarii progresive a fisurilor interne existente n

elemente. Rezistenta la oboseala este dependenta de numarul de cicluri de ncarcare si de

efort; n functie de material peste un anumit numar de cicluri de ncarcare rezistenta

materialului nu mai scade, ea definind rezistenta la oboseala.

6

5. Eroziunea Este procesul n care suprafata betonului este supusa la o solicitare mecanica cum ar fi:

frecarea, lovirea prin ciocnire, scarificarea (greblare). Aceste solicitari se pot produce n aer sau sub apa.

***

n tabelul 1 sunt prezentate o mare parte din cauzele, mecanismele si efectele deteriorarii betonului.

Tabelul 1

Cauzele, mecanismele si efectele deteriorarii betonului

Cauza deteriorarii Mecanismul Efectul n beton

Acizii, apele dulci neutralizare coroziune

Dioxid de carbon carbonatare coroziune

Zahar, glicerina,

microorganisme producere de acizi coroziune

Sulfatii cristalizare expansiune cu fisurare

Clorurile reducerea caracterului pasiv pete de coroziune

Coroziunea armaturilor ruginire fisurarea betonului

Agregate active reactia alcali silica expansiune cu fisurare

Agregate murdare

(cu saruri solubile) cristalizare exfolieri

Gelivitate expansiune fisurare

Sare pentru dezghet degajare de caldura cojirea betonului ncarcari alternante oboseala fisurare, rupere

Apa curgatoare eroziune deteriorarea suprafetei

Apa turbulenta cavitatie formarea de cavitati

Circulatie, vehicule uzura neutralizare

7

COMPONENTII MINERALOGICI DE BAZA AI CIMENTULUI PORTLAND

3CaO.SiO2 : SILICATUL TRICALCIC C3S ALIT

2CaO.SiO2 : SILICATUL DICALCIC C2S BELIT

4CaO.Al2O3.Fe2O3.: FERITALUMINATUL TETRACALCIC C4AF CELIT I

3CaO.Al2O3. : ALUMINATUL TRICALCIC C3A CELIT II

%C3S+%C2S=75% %C4AF+%C3A=25%

Reactii de hidratare a componentilor mineralogici:

3CaO.SiO2+mH2Ox.CaO.SiO2.pH2O+(3-x)Ca(OH)2 Gel Cristale

2CaO.SiO2+nH2Ox.CaO.SiO2.pH2O+(2-x)Ca(OH)2 Gel Cristale x2 2,4p4

3CaO.Al2O3+6H2O3CaO.Al2O3.6H2O Cristale

4CaO.Al2O3.Fe2O3+nH2O 3CaO.Al2O3.6H2O+ Ca(OH)2+Fe2O3.(n-7)H2O Gel