Betonin kestävyys on materiaalin kyky säilyttää ominaisuutensa pitkään: palonkestävyys ja lämmönkestävyys , pakkaskestävyys , betonin kestävyys kemiallisesti aggressiivisessa vesi- ja kaasuympäristössä, säilyttää suorituskykynsä työskenneltäessä epäsuotuisissa ympäristöolosuhteissa ilman merkittäviä vaurioita ja tuhoa.
Erityisen voimakasta kovettuvan betonin (sementtikivi) laajenemista tapahtuu kalsiumhydrosulfoaluminaatin (3CaSO 4 • 3CaO • Al 2 O 3 • 3H 2 O) muodostumisen aikana. Betonin korroosiota voidaan havaita myös kosteuden ja erilaisten happamien kaasujen läsnä ollessa ilmassa. Joten esimerkiksi kattiloiden , höyryvetureiden uuneista tai jostain kemiallisesta laitteesta ulos tuleva rikkidioksidi ilman kosteuden ja vesihöyryn kanssa muodostaa rikkihappoa , joka tuhoaa betonin samalla tavalla kuin vapaa happo vesiympäristössä. Betonin kemiallisen korroosion prosesseja ei voida tarkastella erillään fysikaalisista ja fysikaalis-kemiallisista prosesseista, jotka tapahtuvat betonissa ulkoisen vesi- tai kaasuympäristön vaikutuksesta. Erityisesti kosteudenvaihdosta (veden imeytyminen ja sen haihtuminen), jäätymis- ja sulamisprosesseista, veden tihkumisesta ja suodattamisesta, kosteuden liikkeen diffuusioprosesseista betonissa jne. aiheutuvilla tilavuusmuutoksilla on suuri vaikutus .
Betonin kestävyyden lisääminen korroosion tyypistä riippumatta saavutetaan varmistamalla betonirakenteen tarvittava tiheys ja tasaisuus. Kuorien esiintyminen ja erilaiset vuodot avoimina tai toisiinsa liittyvinä halkeamina, lämpötila- tai kutistumismuodonmuutoksista johtuvat halkeamat suosivat eniten korroosioprosessien syntymistä ja kehittymistä.
Betonin puhtaasti kemiallisia korroosioprosesseja vastaan kestävyyden lisäämiseksi on paitsi varmistettava betonin riittävä tiheys, myös valittava sideaineet ja aggregaatit, jotka kestävät parhaiten tämäntyyppistä korroosiota.
Betonin raudoituksen turvallisuuskysymys liittyy erottamattomasti betonin kestävyyteen, joten se olisi aiheellista käsitellä tässä.
Betoniin upotettu teräsraudoitus ei pääsääntöisesti hajoa (mutta ruostuu) ja voidaan pitää hyvässä kunnossa erittäin pitkään. Vahvistuksen turvallisuus selittyy emäksisen ympäristön läsnäololla betonissa. Tämä pätee vain riittävän tiheälle betonille, jossa ilman mahdollisuus päästä suoraan teräsraudoitustankoihin on suljettu pois. Siksi rakenteen raudoitus tulee peittää suojaavalla betonikerroksella, jonka vähimmäispaksuus vaihtelee 10:stä (ohutseinäisille ja ontelolaattoille, terassille) 120 mm:iin (suurille hydraulirakenteille). Jos ympäristö on epäsuotuisa (korkea kosteus, haitalliset kaasut jne.), suojakerroksen paksuutta tulee lisätä. Suojakerroksen tulee olla tiivis, ilman halkeamia tai vikoja, muuten sen tarkoitus ei ole perusteltu. Suojakerroksen halkeamat avaavat ilman pääsyn suoraan vahvistukseen, mikä aiheuttaa ruostekalvon muodostumisen, johon liittyy sen tilavuuden kasvu. Jälkimmäinen aiheuttaa betoniin vetovoimia, halkeamia ja suojakerroksen tuhoutumista, millä on kaikki kielteiset seuraukset teräsbetonirakenteen kestävyyteen.
Palonkestävyydellä tarkoitetaan betonin kestävyyttä tulen lyhytaikaiselle vaikutukselle palon aikana. Lämmönkestävyys ymmärretään betonin kestävyydeksi pitkäaikaiselle ja jatkuvalle altistukselle korkeille lämpötiloille lämpöyksiköiden käyttöolosuhteissa (tulenkestävä betoni). Betoni on yksi palonkestävistä materiaaleista. Betonin suhteellisen alhaisesta lämmönjohtavuudesta johtuen lyhytaikainen altistuminen korkeille lämpötiloille ei ehdi aiheuttamaan merkittävää betonin ja suojakerroksen alla olevan raudoituksen kuumenemista. Voimakkaasti kuumennetun betonin kasteleminen kylmällä vedellä (paloa sammutettaessa) on paljon vaarallisempaa, se aiheuttaa väistämättä halkeamien muodostumista, suojakerroksen tuhoutumista ja raudoituksen altistamista jatkuvan korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta.
Pitkäaikaisessa korkeissa lämpötiloissa tavallinen portlandsementtibetoni ei sovellu käytettäväksi yli 250 °:n lämpötiloissa. On todettu, että kun tavallista betonia kuumennetaan yli 250-300°, lujuus heikkenee kalsiumoksidihydraatin hajoamisen ja sementtikiven rakenteen tuhoutuessa. Yli 550 °:n lämpötiloissa hiekan ja murskatun graniitin kvartsirakeet alkavat halkeilla, koska kvartsi muuttuu näissä lämpötiloissa toiseen modifikaatioon (tridymiitti), mikä liittyy kvartsirakeiden tilavuuden merkittävään kasvuun ja mikrohalkeamien muodostumiseen. kiviainesrakeiden ja sementtikiven kosketuspisteissä. Lämpötilan nousun myötä myös muut tavallisen betonin rakenneosat tuhoutuvat. Tieteelliset työt sekä käytäntö ovat luoneet mahdollisuuden saada portlandsementtipohjaista tulenkestävää betonia, joka kestää 1100-1200 ° ja enemmän lämpötiloja.
Tätä varten betoniin on lisättävä hienoksi jauhettua piidioksidia tai alumiinioksidi-piidioksidia lisäaineita, jotka sitovat sementin hydraation aikana vapautuvaa vapaata kalsiumhydroksidia . Täyteaineina käytetään materiaaleja, joilla on riittävä tulenkestävyys ja lämmönkestävyys, kuten kromirautamalmi, šamotti, basaltti, andesiitti, jätemasuunikuona, tuffit ja tiilimurska . Rakenteiden maksimilämpötila riippuu kiviainesten ja hienoksi jauhettujen lisäaineiden palonkestävyydestä ja lämmönkestävyydestä. Joten käytettäessä fireclaya ja jauhettuja lisäaineita portlandsementtipohjaisten tulenkestävän betonin maksimi käyttölämpötila saavuttaa 1100-1200 °. Enimmäiskäyttölämpötilassa 700 °, on mahdollista käyttää basalttia , diabaasia , andesiittia , jätemasuunikuonaa, Artik-tuffia, savitiiliä betoniaineksena sekä hohkakiviä , lentotuhkaa, rakeista masuunikuonaa ja etikkahappoa . happo hienoksi jauhettuina lisäaineina . Samoilla lämpötiloilla (jopa 700 °) on sallittua korvata portlandsementti betonissa Portland-kuona-sementillä ilman, että tässä tapauksessa lisätään hienoksi jauhettuja lisäaineita. Lämmönkestävän betonin valmistukseen, jonka käyttölämpötila on jopa 1300-1400 °, tulee käyttää alumiinioksidisementtiä, jossa on hienoja ja karkeita fireclay- tai kromirautamalmia . Tässä tapauksessa ei tarvita hienoksi jauhettuja lisäaineita kalsiumhydroksidin sitomiseen. Sideaineena kuumuutta kestävälle betonille, jonka maksimilämpötila on 900-1000 °, voidaan käyttää myös nestemäistä lasia , jossa on natriumsilikofluoridia.
Sementtikivi betonissa komponenttina on yleensä vähemmän kestävää kuin kiviainekset; kemiallisesti aggressiivisille aineille altistuessaan betoni tuhoutuu ensisijaisesti. Kaikki portlandsementin betonin korroosion syyt voidaan tiivistää seuraaviin pääryhmiin:
Betonin korroosionopeuden määrittäminen on vaikeaa johtuen siitä, että prosessin kinetiikkaan vaikuttavien tekijöiden määrä on erittäin suuri (yli kymmenen). Tämän ongelman ratkaisemiseksi käytetään mallinnusteoriaa, jonka tuloksena saadaan dimensiottomia komplekseja, jotka ilmaisevat ilmiöiden fysikaalista ja kemiallista olemusta ja mahdollistavat kokeellisen työn pelkistyksen vain kahden tai kolmen kompleksisen tekijän vaikutuksen tutkimiseen. Fysikaalisten ja kemiallisten prosessien, kuten betonin korroosion, mallinnus perustuu kolmeen periaatteeseen:
Vahvistus sementtikiven mukautuvan kehityksen olemassaolosta betonissa on se tosiasia, että sen rakenteeseen muodostuu ympäristön vaikutuksesta niin kutsuttuja "modifioituja hydraatteja", joille on ominaista suurempi stabiilisuus kuin perinteiset hydraatit. Tässä tapauksessa "vieraat" ionit interkaloituvat kiteisten hydraattien rakenteeseen, ja tällaiset prosessit liittyvät muutokseen hydraattimuodostelmien kidekemiallisissa ominaisuuksissa ja morfologisissa ominaisuuksissa [3] .