Beton je najbolj uporabljen gradbeni material na svetu, ki pa ni vedno trajen. Neobstojen je zaradi poroznosti obeh svojih komponent; hidratizirane cementne paste in mineralnega agregata. Preko por v beton lahko vdrejo razne agresivne substance – vlaga, raztopine soli, plini itd., ki lahko v njem povzročijo kemične ali fizikalne reakcije, ali celo oboje. Te reakcije so lahko še bolj intenzivne ob hkratnem delovanju zunanjih vplivov – sprememba temperature, sprememba zunanje vlage, mehanske obremenitve in udarci. Vsi ti procesi lahko zmanjšujejo mehanske lastnosti betona ali celo povzročajo njegovo porušitev.

Zmrzlinska obstojnost betonov brez in v prisotnosti talilnih soli je ena bistvenih lastnosti, ki jih morajo imeti betoni, izpostavljeni atmosferskim vplivom. Če betoni niso obstojni proti tovrstnim agresijam, se na njih dokaj hitro pojavijo poškodbe, predvsem na tistih delih objektov, ki so vremenu najbolj izpostavljeni. Sčasoma se te poškodbe širijo in objekti začnejo intenzivno propadati.

Zmrzlinske poškodbe betona nastanejo zaradi zmrzovanja vode v pornem sistemu hidratizirane cementne paste. V njem voda zmrzuje pri nižjih temperaturah, kot je normalno ledišče vode. Manjše kot so pore, nižja temperatura je potrebna, da voda zmrzne. Mineralni agregati so porozni in lahko tudi vplivajo na zmrzlinsko odpornost betona. Vendar pa standard SIST 1026:2016 zahteva, da se v zmrzlinsko odporen beton vgrajuje agregat, ki ima dokazano odpornost proti tej agresiji.

Vrste por v hidratizirani cementi pasti:

  • Gelne pore (0,2 do 5 μm) so vedno zastopane v enakem deležu ne glede na stopnjo hidratacije cementa in so zapolnjene z vodo.
  • Kapilarnih por (0,05 do 1,3 μm) je najmanj pri popolni hidrataciji cementa, ki jo predvidoma dosežemo pri v/c = 0,32. Pri vrednosti vodocementnega razmerja 0,32 se vsa voda porabi za hidratizacijo in, ko je ta popolna, nastanejo samo gelne pore brez kapilarnih
  • Zračni mehurčki, ki jih v beton vnašamo z aeranti, povečajo zmrzlinsko odpornost betona brez in v prisotnosti talilnih soli. Zračni mehurčki imajo vedno obliko kroglic s premeri od 10 do 1000 μm in vedno vsebujejo zrak, tudi tedaj, ko se beton napije vode pri odležavanju v vodi.
  • Pore zaradi slabega kompaktiranja so zračni mehurčki nepravilnih oblik, ki merijo nekaj mm in vsebujejo zrak.

Nekako velja, da v naravnih okoliščinah zmrzne samo voda v večjih kapilarnih porah, medtem ko voda v gelnih porah nikoli ne zmrzne.

Mehanizem nastanka poškodb zaradi zmrzovanja

Po Powersovi teoriji naj bi do poškodb betona prišlo zaradi hidravličnega tlaka, ki se generira zaradi povečanja prostornine vode med zmrzovanjem. Pri zmrzovanju vode v kapilarnih porah se njen volumen  poveča za 9 %, zaradi česar preostala voda v porah pride pod tlak, pri čemer lahko pride do poškodbe cementega kamna. Poškodbe se pojavijo le, če je z vodo zapolnjenega več kot 91 % pornega prostora v betonu. Če je beton manj zasičen z vodo, do zmrzlinskih poškodb ne bi prišlo, saj bi imel led v pornem sistemu kljub svoji povečani prostornini dovolj prostora, da do rušitvenih napetosti ne bi moglo priti. Kljub temu pa raziskave kažejo, da se lahko poškodbe zaradi zmrzovanja pojavijo v betonu tudi že pri nasičenosti 80 %, zanesljivo pa nad 95 %. Mejna stopnja zasičenosti betona z vlago, pri kateri se poškodbe začnejo pojavljati, se imenuje kritična stopnja zasičenosti. Kritična stopnja zasičenosti je odvisna od same sestave betona, njegovih lastnosti in okoliščin zmrzovanja.

Intenzivnost nastanka poškodb v betonih zaradi zmrzovanja in tajanja je odvisna tudi od hitrosti zniževanja temperature. Hitreje kot voda zmrzuje, manjše so možnosti za precejanje vode v morebitna prazna mesta v betonu, s čimer bi se lahko preprečil nastanek hidravličnega tlaka.

Mehanizem nastanka poškodb zaradi zmrzovanja v prisotnosti soli

Osnovni procesi v betonu med zmrzovanjem v prisotnosti soli so enaki kot pri zmrzovanju in tajanju brez soli, le da tu hkrati poteka še difuzija soli. Poškodbe betona zaradi zmrzovanja in tajanja v prisotnosti soli se v naših krajih praktično kažejo samo v betonih, ki so vgrajeni v vozišča ali v objekte ob cestah.

Raztopina NaCl preko kapilarnih por prodre v notranjost betona. V betonu se naredi tanek površinski sloj, ki je »slan«, pod njim pa ostane beton, v katerem soli ni. Zaradi razlik koncentracij soli nastane transport vode iz spodnjega, neslanega dela betona proti površini. Zaradi tega transporta vode pod vrhnjo plastjo, ki sol vsebuje, nastane plast betona, ki je popolnoma zasičena z vodo. Pri zniževanju temperature se beton najbolj ohlaja na površini in vedno manj v nižjih plasteh. Pri dovolj nizki temperaturi (negativni), nastanejo taki pogoji, da porna voda v tankem vrhnjem sloju zamrzne, čeprav je v njej raztopljena sol. V sloju pod tem slojem voda, ki je prav tako slana, v tem trenutku ne more zamrzniti, ker temperatura še ni dovolj nizka. Ta sloj je namreč manj ohlajen kot sloj nad njim. V tretjem, še nižjem sloju pa porna voda spet zmrzne, čeprav je ta sloj manj podhlajen kot drugi sloj, ker je v porni raztopini precej manj ali nič soli. Ledišče te raztopine ni tako nizko, kot v prvih dveh slojih. Tako nastaneta dva zamrznjena sloja betona z vmesnim nezamrznejnim slojem. Ob nadaljnji ohladitvi zamrzne še srednji sloj. Ker se odvečna voda iz srednjega sloja ne more nikamor umakniti in ker je sloj popolnoma zasičen z vodo, nastanejo tako močne napetosti, da se vrhnja plast betona odlušči.

Agresijo na beton, ki jo povzroči mraz v kombinaciji z raztopino NaCl (talilna sol), je veliko močnejša od samega mraza. Zato za betone, ki so odporni proti zmrzovanju v prisotnosti soli, velja, da so odporni tudi samo proti zmrzovanju, obratno pa to ne velja.

Zmrzlinska odpornost betona

Faze nastanka poškodb betona zaradi zmrzovanja v prisotnosti soli

Najbolj zanesljivo se doseže obstojnost proti zmrzovanju brez in v prisotnosti soli v betonih, ki imajo v hidratizirani cementi pasti dovolj enakomerno porazdeljenih praznih mest. Ta prazna mesta so najpogosteje zračni mehurčki. Takemu betonu pravimo aeriran beton. Aeranti so kemični dodatki, ki jih dodajamo betonu med samo pripravo in se zaradi njih v betonu tvorijo aeracijske pore. Način, kako zračni mehurčki v betonu preprečujejo nastanek poškodb, podaja Powersov model. Prazni zračni mehurčki preprečujejo nastanek hidravličnega tlaka v porah z vodo nasičenega betona med zmrzovanjem s tem, da se odvečna voda iz por preceja vanje. Seveda mora biti zračnih mehurčkov v betonu dovolj, hkrati pa morajo biti pravilno razporejeni. Oddaljenost med zračnimi mehurčki mora biti takšna, da se odvečna voda v vsaki točki hidratizirane cementne paste lahko precedi v najbližji zračni mehurček, preden bi ji nastajajoči led to preprečil. Ta razdalja med zračnimi mehurčki se imenuje faktor oddaljenosti. Eksperimenti so pokazali, da mora biti faktor oddaljenosti manjši od 0,2 mm. Stopnja aeracije betona se giblje od 4 % do 8 %. Poleg aeracije moramo zagotoviti, da je beton pripravljen z zmrzlinsko odpornim agregatom in da do zmrzovanja v fazi vgrajevanja in nege betona ne pride.

Preskušanje zmrzlinske odpornosti betona

Pri betonu, ki je izpostavljen vplivu vremena – zmrzovanje in tajanje – je obstojnost velik problem. Betoni, ki so temu izpostavljeni morajo biti zmrzlinsko odporni. Zato izvajamo vrsto testov, s katerimi preverjamo njihovo zmrzlinsko obstojnost. Po standardu SIST 1026:2016 (dodatek ND) preskušamo notranjo odpornost betona proti zmrzovanju in tajanju (NOZT), tako da betonski preizkušanec ciklično izpostavljamo predpisanemu režimu zmrzovanja in tajanja. Pred, med in po preskusu merimo betonu dinamični elastični modul, ki po preskusu ne sme pasti pod določeno mejo glede na začetno vrednost.

Odpornost površine betona proti zmrzovanju in tajanju (OPZT) preverjamo po standardu SIST 1026:2016 (dodatek NE). Na površino preizkušanca nalijemo 3 % raztopino NaCl ter ga izpostavimo predpisanemu režimu zmrzovanja in tajanja. Na koncu preskušanja dobimo skupno količino odluščenega materiala glede na površino preizkušne površine. Količina odluščenega materiala ne sme presegati meje, predpisane v standardu.

 

Viri:

SIST 1026:2016. Beton – Specifikacija, lastnosti, proizvodnja in skladnost – Pravila za uporabo SIST EN 206: 43 str.

Ukrainczyk, V. 1994. Beton. Zagreb, Građevinski fakultet: 304 str.

Zajc, A. 1990. Vpliv kapilarne poroznosti na zmrzlinsko odpornost betonov. Doktorska disertacija. Univerza E. Kardelja v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo VTO Kemija in Kemijska tehnologija: 84 str.

Žarnič, R. 2005. Lastnosti gradiv. Ljubljana, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo: 363 str.