Betooni vastupidavus (1)

Betooni vastupidavus
Sissejuhatus
Vastupidavust võib defineerida, kui materjali võimekust olla kasutamiskõlbulik kogu temale ettenähtud aja jooksul. Vanasti arvati betoonil olevalt uskumatult suur vastupidavus, aga kogemused viimaste aastakümnete jooksul on tõestanud vastupidist. Betooni omadus sõltub üldjuhul kahest aspektist : füüsilisest ja keemilisest vastupidavusest. Füüsilise all on mõeldud eelõige ilmastikutingimusi (külmumine, kuumus, tuul, vesi) ja keemilise all porsumist (reaktsioonid sooladega, mereveega, hapete ja leelistega). Lisaks tuleb veel arvestada betoonis olevate raudstruktuuridega, mis kipuvad roostetama. Järgnevalt on ära toodud võimalikud variandid nende probleemide lahendamiseks ja soovitused, et ära hoida tulevikus ulatuslikke parandustöid, mis antud juhul on päevakorras ebakvaliteetselt ehitatud hoonete puhul.
Betooni poorsus
Kivistunud tsement sisaldab endas poore ja pragusid, mis on varieeruvad. Betooniomaduste testimisel võime seepärast rääkida eelkõige vedelate ainete läbivusvõimest betoonist, mis võib jagada 3 kategooriasse:

Vedeliku või gaasi rõhu all läbimine, kus surve mõjul antud aine pressitakse läbi vabade pooride ja kanalite läbi betooni.

Aatomite, molekulide, ioonide difusioon , mis kujutab endast väikseimate füüsikaliste osakeste valgumist ja edasikandumist betoonis.

Kapillaarne imandumine- toimub peenikeste kanalite abil, milles vesi iseeneslikult edasi pürgib.
Vedeliku läbivusvõime vedelast segust ja betoonist
Vedeliku läbitavusvõimet tsemendist mõõdetakse tavaliselt alusele asetatud betoonitükist, mis on veekindlalt ümbritsetud ja millele avaldatakse mõju rõhu all oleva vedelikuga (veega).
Segu kuivamise algfaasis täituvad tsemendi struktuurilised kanalid veega ja vähendavad läbiimbumise võimalust. Peamine tahenemine toimub esimese 2-3 nädala jooksul.
Betooni poorsus ja läbitavus ei pruugi olla aga teineteisega otseselt seotud. Kuivamise käigus poorsus väheneb, aga kanalid vedeliku läbimiseks jäävad. Sellest tulenevalt võib järeldada, et betoon on seda tugevam, mida vähem on temas poore ja kapillaare.
Läbitavus sõltub ka lisanditest (liiv, kruus, killustik ) ja nende poorsusest. Nende omadused võivad katekooriliselt erineda betooni omadest ja nad mõjutavad oluliselt tsemendi lõppsaadust.
Parima tulemuse saavutamiseks, tuleb jälgida vee ja tsemendi õigeid vahekordi ning piisavalt kaua lasta kuivada liigset rõhku avaldamata, vältimaks mikropragude tekkeid.
Difusiooni protsessid
Difusiooni mõõdetakse analoogselt vedeliku läbitavusega, ent antud juhul on tegemist gaasiga vabas keskkonnas. Tulemused võivad olla varieeruvad ja sõltuvad mitmetest asjaoludest. Mõõtmised on näidanud, et mida kauem elementi mõjutada, seda suuremaks muutub difusioon.
Kapillaarne imendumine
Antud faktorit tuleb uurida laboritingimustes mitmete eksemplaride abil parima võimaliku tulemuse saavutamiseks. Mida sügavamale betooni on vedelik kapillaarides jõudnud, seda väiksemaks muutub tema läbivusvõime.
Selle mõõtmiseks on välja töötatud mitmeid teste , mis on analoogsed läbitavustestidele. Enamlevinud testi puhul lastakse teatud kogusel veel voolata tsemenditükile, kus jälgitakse selle imendumist läbi proovi. Tulemused näitavad, et mida kauem betooni niisutada, seda paremad on tema lõppomadused. Katsetades antud mõõtmisi reaalses situatsioonis, tulevad mängu hallitustegurid, mis muudavad tulemuste võrdlemised raskemaks.
Betooniomaduste halvenemine
Üldiselt võib mõjutegurid jagada kaheks:

keemilised tegurid- sulfaadid , merevesi , happed jt

füüsikalised tegurid- tuli, jäätumine
Teatud koguses kaltsiumsulfaadi lisamises tsemendile, parandab see kõvendumise protsessi. Teised sulfaadid nagu näiteks magneesium -, kaltsium-, naatrium -, kaalium sulfaadid võivad betooni, keemilisi reaktsioone tekitama, sattuda keskkonnast või näiteks veest, mida kasutatakse segu valmistamisel. Tagajärjena võib betoon aastatega murenema hakata.
Et seda vältida, tuleks sulfaadirikastes piirkondades täita kindlaid ettekirjutisi. Mõnel juhul ei ole võimalik betooni täielikult kaitsta, sellisel juhul tuleb lisa kaitsevahendid kasutusele võtta.
Raskemal juhul võib tegemist olla taumasiidi rünnakuga, mille tagajärjel jääb betoonist alles vaid valge ja pehme mass. See on väga harv juhus ja nõuab teatud tingimuste täitmist, et reaktsioon saaks üldse toimuma.
Kuna selle protsessi uurimine ei ole veel lõpule viidud on teada konkreetseid fakte ja näiteid, mille alusel toimida ohustatud piirkondades.
Merevee rünnak
Mereveega kokkupuutev betoon on avatud mitmetele degenereerivatele nähtustele. Teiste seas reaktsioonid merevee sooladega, pidev märgumine ja kuivamine , vee- erosioon ning lainete mõju ja ka külmumine ja uuesti sulamine.
Tahke soola sisaldus merevees on ca 3,5% massist, millest 2% moodustavad klooriioonid ja 1,1% naatriumiioonid. Nende mõju sarnaneb sulfaatide protsessidele, ent erinevus seisneb selles, et merevee mõjul reaktsioonide käigus ummistatakse betooni poore ja muudetakse veelgi vastupidavamaks.
Sadamaalad, kus märgamise tagajärjel toimub aktiivne aurustumine , rikastub keskkond sooladega. See võimendab aga lainetuse kulutavat tööd ja ka külmumist-sulamist. Seetõttu on need piirkonnad rohkem haavatavamad. Lahendus ei peitu aga madala veejuhtimisomadustega tsemendi kasutamises ja õigetes lisandites või asendusmaterjalides, sest degeneratsioon ei põhjusta hävitavaid tulemusi paljudes kliimades. See põhjendab betooni nii levinud kasutuse sadamates.
Hapete rünnak
Segu tahenemise protsess on leeliseline , mistõttu võib tsementi pidada happekindlaks. Peamisteks ohtudeks on happevihmad sisaldades endas CO2 ja SO2, mis justkui sulatavad betooni. Mida madalam on PH tase, seda suurem on oht.
Nende ärahoidmiseks mängib suurimat rolli kvaliteetse tsemendi ja õigete lisandite kasutamine. Vajadusel saab betooni pindasid katta ka ettenähtud vahenditega.
Betooniosakeste ja räni reaktsioonid leelisega
Aktiivräni reaktsioonide tulemusel tsemendis, tekivad mikropraod betooni tahkete osade (kruus) ja pinna vahele, millele järgneb murenemine. Nende toimumiseks peavad olema täidetud teatud tingimused, kus esinevad ka leelised. Tahkised , mis rahuldavad neid nõudmisi, leidub vulkaaniliselt aktiivsetes piirkondades, või mis seda on kunagi olnud (nt USA, Kanada , Skandinaavia, Uus- Meremaa ). Protsess on aeglane ja võib võtta aastaid enne kui tekib struktuurne lõhenemine. Ühtlasi on jõutud järeldusele, et mida suuremad on betooni koostisosakesed, seda aeglasem on protsess. Et täielikult vältida sellist ilmingut, tuleks kõrvaldada tegur vesi, mis ei ole aga paljudel juhtudel võimalik. Hoolikalt tuleks valida koostisosasid, mis ei ole aktiivsed. Kasutada madala leelisusega tsementi või asendusmaterjalidega segatult. Lõplikult ei ole veel kindlaks tehtud õigeid vahekordi ja lubatud koguseid ning sellest tulenevalt on ka raske kõiki tingimusi täita.
Jäätumine
Jahedas kliimas on betooni läbikülmumine peamiseks kahjustusallikaks, kui vastavaid abinõusid pole kasutusele võetud. Kui vesi poorides külmub, paisub ta kuni 9% ja see on märkimisväärselt suur ruum. Jää surve tagajärjel betoon mõrandub. Seda kõike ainult suuremates poorides ja õhumullides. Väiksemates külmub vesi alles väga madalate temperatuuride juures ja nendel ei ole sellist mehhaanilist energiat kahju tekitamiseks. Riskide vähendamiseks tuleb tsemendi ja vee vahekord võimalikult väikseks viia ja järelniisutus peab olema korrektne vältimaks liigse hapniku juurdepääsu. Sellega minimaliseeritakse pooride olemasolu.
Ka õigete lisandite valimine on ülimalt oluline. Nt liivakivi ja paas on väga tundlikud veele . Samuti väiksemad osakesed põhjustavad vähem kahju, kuna vee keskmine väljumistee osakeset on väiksem, mistõttu on ka kahju madalam.
Tulekindlus
Betoon on mittepõlev materjal ja ei eralda mürgiseid gaase kõrgematel temperatuuridel. Seepärast on betoon vägagi eelistatud tahkis ehitusel tema enda omadustelt kui ka metallstruktuuride kaitset arvestades, kui mängu tuleb ohutuse nõue. Siiski pikaajalise kõrge temperatuuri mõjul võib tekkida järeleandmisi tema tugevuses.
Kuni 500°C kuumuses ei toimu erilisi muudatusi, ent sealt edasi langeb vastupidavus märgatavalt. Aktiivne aurustumine algab betoonilt 100°C juures ja intensiivistub kiiresti. Mida tihedam on eksemplar, seda suuremat rõhku avaldab eralduv aur ning tagajärjeks on purunemine.
Raua vastupidavus betoonis
Peaaegu kõik struktuursed betoonrajatised sisaldavad endas raudvõrestikku, et jaotada ühtlasemalt betoonile avaldatavaid surveid. Betooni purunemise või mõranemise korral paljastub metall aga keskkonnale, mida ähvardab korrosioon - tagajärjeks katkemine. See protsess ei ole nii keeruline kui eelnevad, aga on üheks enamlevinud probleemiks paljudes riikides.
Korrosiooni põhjustavad keemilised reaktsioonid saavad toimuma peamiselt betooni pinnalähedastes metallstruktuurides, kus vastavad tingimused on täidetud. Tsementis sisalduv kaltsiumhüdroksiid, mis on kõrgelt aluseline, muudab metalli pinna aga küllalti passiivseks roostetamise suhtes. Tema omadusi võivad aga rikkuda saastatud õhk ja merevesi. Mõlemad soodustavad korrosioonireaktsioone, mida on võimalik näha betooni tekkinud pragude kaudu.
Süsinikupõhjustatud korrosioon
CO2 reageerib tormiliselt Ca(OH)2, mille tagajärjel langeb tsemendi pH tase, halvendades betooni omadusi. Reaktsioonid algavad pinnalt, liikudes järjest sügavamale tahkisesse. Uurimused näitavad, et isegi hästitöödeldud ja hooldatud betoon võib olla kuni 30mm sügavuselt kahjustatud süsiniku poolt pärast mõne aasta möödumist. Seepärast on raske hinnata korrosioonikahjustusi nõrgenenud tsemendi puhul. Karbonisatsioon ei ole aga täielikult hävitava toimega. Kaltsiumkarbonaat tihendab betooni pinda kaotades poore ja tõstes pinnapoolse osa tahkust ja vastupidavust.
Klooripõhjustatud korrosioon
Klooriididel on neli peamist allikat: kaltsiumkloriid, mida kasutatakse kui kiirendajat betooni kuivamisel, kloriidide olemasolu betoonilisandites, merevesi ja soolad, mida kasutatakse sõiduteedel. Betoonides kasutatakse kaltsiumi tänapäeval väga vähe- piisavalt, et muuta metallkonstruktsioonid vastupidavamaks roostele. Et aga kloriidid saaksid välitingimustes betoonisolevat rauda mõjutada, peavad nad ründama suurtes kogustes . Seda esineb sadamapiirkondades, kus lainetus tungib booridesse või aurustumise tagajärjel mahajääv soolade hulk. Samuti esineb seda efekti ka maanteedel soolatamisjärgselt just sildadel. Kloriidide töö tagajärjel kahjustub betooni pind ja suureneb difusioon. Selle vältimiseks tuleb vähendada tsemendi ja vee vahekorda , tugevdada lisanditega ja hoolikalt järelniisutada pikendades nii kuivamisaega.
Kuigi tihti soovitatakse niisutusaega võimalikult pikaks venitada, ei ole see alati võimalik, kuna võib tekkida hallitus ja reaktsioonid metalliga. Sadamates ja rasketes kliimaoludes tuleks betooni valmistamisel lisada kaltsiumnitraati ja kasutada roostevaba metallstruktuure. Betooni pind katta kaitsevahendiga.
Soovitusi kestvatele betoonrajatistele
Eelpool on juba nimetatud võimalusi, kuidas vältida sulfaatide, hapete, leeliste ja tule hävitavat mõju. Iga riigi kliimatingimused on aga erinevad ja selleks on väljatöötatud spetsiifilised alused riikidele vastupidava betooni valmistamiseks.
Tauri Must
Ehitiste restaureerimine
1. kursus