Upotreba hidrofobne impregnacije kao zaštite betona povećala se posljednjih godina pokazujući učinkovitost u produljenju uporabnog vijeka novih i postojećih konstrukcija. Time se uspješno sprječava/smanjuje prodor vlage i u vodi topljivih tvari u beton, zbog čega je prikladna za zaštitu i kontrolu kloridima uzrokovane korozije armature, od soli za odleđivanje i u morskom okolišu. Opisana je primjena impregnacije općenito, način djelovanja, bitna svojstva te metode ispitivanja.
Autorice: Emilija Barišić, dipl. ing. građ.; mr.sc. Irina Stipanović Oslaković, dipl.ing. građ.; Karla Štemberga, dipl. ing. građ.; Institut građevinarstva Hrvatske, Zavod za betonske i zidane konstrukcije, J. Rakuše 1, Zagreb
UDK 624.9.012.45:699.82
Pravilno projektirane betonske konstrukcije mogu biti vrlo trajne u većini okoliša. Ipak, u nekim slučajevima može biti potrebno upotrijebiti površinsku zaštitu da se postigne zahtijevani uporabni vijek nove konstrukcije (preventivna mjera) ili da se produlji uporabni vijek postojeće konstrukcije ili popravljene konstrukcije [1].
Površinsku zaštitu čine proizvodi i sustavi koji poboljšavaju trajnost betona i armiranobetonskih konstrukcija [2]. Površinska zaštita produljuje inicijacijski period korozije armature ograničavanjem unosa vode, klorida, sulfata, kiselina ili drugih agresivnih tvari, što im je i najvažnija uloga. Da bi se ocijenio doprinos zaštite trajnosti konstrukcije, treba znati koliko je površinski tretman učinkovit u sprječavanju unosa štetnih tvari i koliko dugo može zadržati tu učinkovitost.
Površinske zaštite razlikuju se prema:
- sastavu – od polimernih do cementnih
- debljini sloja – od molekulskog do reda veličine centimetra
- mjestu nanošenja ili djelovanja – od površinskog premaza do unutar pora betona.
Djeluju na bar jedan od načina: čineći zaštitni sloj betona manje propusnim za agresivne tvari ili smanjuju udio vlage u betonu povećavajući time otpor betona. Oba djelovanja produljuju uporabni vijek konstrukcije. Sa svih drugih stajališta znatno se razlikuju, a najizrazitije svojstvom kojim se postiže zaštita – gustoća materijala ili otvorenost. Gusti površinski premazi mogu biti vrlo djelotvorni za usporavanje prodiranja agresivnih tvari (svojstva prepreke), ali obično usporavaju i isparavanje pare iz betona. To može dovesti do problema tlaka vodene pare koji uzrokuje gubitak prionljivosti između betona i zaštitnog sloja (ukidajući ili oslabljujući zaštitu) ili čak do oštećenja betona uslijed smrzavanja. S druge strane površinske zaštite koje su otvorene za propusnost pare također su otvorene za plinove, npr. ugljični dioksid, pa je upitna njihova učinkovitost protiv karbonatizacije.
Ovo razmatranje dovodi do pitanja ravnoteže između zahtjeva za gustoćom (dobra svojstva prepreke) i otvorenošću (dobra trajnost) materijala za površinsku zaštitu, ali također daje mogućnost izbora materijala prikladnog za određene uvjete izloženosti [3].
Tijekom bliže povijesti kao da se prepoznaje i svojevrsna naklonjenost pojedinim materijalima: u 1980-tim široko su se primjenjivali epoksidni (gusti) premazi, u 1990-tim više otvoreni premazi, kao akrilati. Upotreba hidrofobnih impregnacija znatno se povećala posljednjih godina, a opće djelovanje prikazano je na slici 1.
2 Djelovanje hidrofobne impregnacije
Hidrofobna impregnacija je postupak kojim proizvod za hidrofobnu impregnaciju betona penetrira u beton i kojim se postiže vodoodbojnost (hidrofobnost) površine. Pore i kapilare su iznutra obložene, ali nisu ispunjene i dalje su otvorene za plinove. Nema filma na površini betona, a izgled površine se malo ili uopće ne mijenja (slika 2.) [5].
Nezasićene pore betona brzo upijaju vodu kapilarnim upijanjem. Upijanje ovisi o napetosti površine, viskoznosti i gustoći tekućine, o kontaktnom kutu između tekućine i pornih stijenki i o polumjeru pora. Kod običnog betona kontaktni je kut mali (< 90°) zbog molekularnog privlačenja između vode i cementne paste (poznato kao hidrofi lno djelovanje). Kapljica vode raširi se na glatkoj površini, razina u kapilari se podigne iznad okolne tekućine i beton upija vodu. Molekularne sile između vode i betona mogu se oslabiti impregniranjem betona hidrofobnim tvarima kao što su silikoni. One povećavaju kontaktni kut između tekućine i porne plohe (> 90°) tako da kapljica vode poprimi oblik kugle. Kapilarno je dizanje negativno tako da je razina u kapilari niža od okolne tekućine. Za beton se kaže da je tada vodoodbojan (hidrofoban). Ta dva slučaja prikazana su na slici 3.
Kako je vlaga kritični faktor u većini procesa degradacije betona, primjena hidrofobne impregnacije mogući je način sprječavanja oštećenja betona. Proizvodi hidrofobnih impregnacija koji se mogu naći na tržištu na osnovi su silikona. Više je tipova silikona koji se mogu primijeniti, ali je rezultirajući proces jednak: oni reagiraju s cementom i vodom iz pora i tvore silikonsku smolu u pornom sustavu i vežu se za stijenke pora koje postaju vodoodbojne.
Upotreba silikona seže unatrag šezdesetak godina. Od tada su se ti materijali značajno razvili i poboljšali. Oko 1950. počeli su se rabiti silikonati, početkom 1980-tih pojavili su se na tržištu silani i siloksani u organskom otapalu (alkoholi), a iza 2000. godine pojavili su se koncentrirani silani i siloksani. Javljaju se u obliku tekućina, gelova i krema [1].
Prednost je krema i gelova jednostavnije nanošenje na vertikalne plohe i u podgledu. Za postizanje zahtijevanih svojstava važan je udio aktivnih tvari u proizvodu. Iskustva pokazuju da se postiže dobro djelovanje sa [3]:
• 100 % aktivnom tvari (silani)
• 20-40 % aktivnih tvari (silani, siloksani) u alkanskom otapalu (denaturirani spritalkohol) ili etanolu
• najmanje 20 % aktivnih tvari (silani, siloksani) u vodenoj emulziji.
3 Primjena hidrofobne impregnacije
3.1 Općenito
Prema normi HRN ENV 1504-9, koja je ključni dio niza norma za zaštitu i popravak betonskih konstrukcija, izbor materijala općenito ovisi o načelu (što) i metodi (kako). Hidrofobna impregnacija kao metoda popravka može se primijeniti za sljedeća načela [6]:
- načela zaštite i popravka oštećenja betona:
o zaštita od unosa štetnih tvari (engl. Protection against Ingress - PI),
o kontrola vlage (engl. Moisture Control – MC)
- načela zaštite od korozije armature:
o povećanje električnog otpora betona (engl. Increasing Resistivity - IR).
Navedena načela upućuju na uporabu hidrofobne impregnacije za zaštitu i kontrolu kloridima uzrokovane korozije armature, od soli za odleđivanje i u morskom okolišu. Konstrukcije koje se nalaze u tako defi niranim razredima izloženosti najčešće su armirano- betonske i prednapete konstrukcije autocesta (nadvožnjaci, vijadukti i mostovi). Hidrofobna impregnacija kao tretman izloženih betonskih ploha može se primijeniti u različitim fazama uporabnog vijeka konstrukcije. Opisat će se ukratko pristup i postupci koje primjenjuje britanska Agencija za autoceste, a sadržani su u Priručniku za ceste i mostove (Design manual for roads and bridges) [7].
Za nove konstrukcije najučinkovitija primjena je odmah po dovršetku građenja kad se hidrofobnom impregnacijom pruža dodatna zaštita od unosa klorida, prije početka uporabe konstrukcije, čime se poboljšava trajnost u uporabi. Pri planiranju primjene zaštite treba uzeti u obzir najmanje zahtijevano vrijeme između betoniranja i nanošenja hidrofobne impregnacije.
Za postojeće konstrukcije primjena ovisi o stanju armature u odnosu na koroziju. Potrebno je provesti pregled konstrukcije za utvrđivanje stanja koji može biti samo vizualni, ili dopunjen jednostavnim ispitivanjima (npr. prekucavanje čekićem radi utvrđivanja odlamanja). Detaljniji pregled obuhvaća:
- ispitivanja polućelijskih potencijala na osnovi kojeg se može zaključiti jesu li zadovoljeni kriteriji za provođenje impregnacije, i
- ispitivanja udjela klorida da bi se ustanovilo koji elementi zahtijevaju monitoring nakon primjene hidrofobne impregnacije.
3.2 Postupak nanošenja i posebne mjere
Najčešće se preporučuje nanijeti dva sloja materijala mokro-na-mokro. Podloga mora biti dovoljno suha da se postigne potrebna penetracija, što znači da hidrofobnu impregnaciju treba nanositi najmanje 24 sata nakon kiše. Na dubinu penetracije (prodiranja) hidrofobne impregnacije vrlo utječe udio vlage u zaštitnom sloju betona, naročito kod betona s malim v/c omjerom. Potrebno je osušiti beton prije primjene jer o dubini penetracije ovise ostala svojstva (upijanje vode, otpornost na lužine, otpornost na zamrzavanje uz djelovanje soli).
Temperatura okoliša ne treba biti ispod 10 °C niti iznad 25 °C. Posebno treba paziti da se odstrane sve masnoće, ostaci oplatnog ulja i ostaci prethodnih tretmana. Sljedeći sloj (npr. asfalt) može se nanijeti nakon 24 sata.
Proizvod treba skladištiti na suhom mjestu zaštićenom od smrzavanja i zagrijavanja. Kad se upotrebljava silan, količinu otvorenog pakiranja treba potrošiti unutar 48 sati, jer takav silan reagira s vlagom iz zraka. Silani su otrovne tvari. Treba se strogo pridržavati zaštitnih mjera i uputa proizvođača. Ne smije se dopustiti otpuštanje silana u kanalizacijski ili vodovodni sustav, prirodne vode, kontakt s ljudima, životinjama, biljkama i prometom. Impregnanti mogu oštetiti elastomerne ležajeve, premazane čelične površine, bitumenske materijale i sredstva za brtvljenje spojeva.
Potreba za reimpregnaciju može se ocijeniti tijekom redovitih pregleda i ispitivanja, primjerice u slučaju značajnih promjena potencijala i njihova približavanja graničnoj vrijednosti za velike površine betona. Ponovni tretman mora biti kompatibilan s prethodnim nanošenjem. Prema [7], preporučuje se nanijeti reimpregnaciju nakon 20 godina, na temelju istraživanja trajnosti impregnacije na osnovi monomernih alkil (izobutil)-trialkoksi silana, koja su pokazala djelotvornost od najmanje 15 godina za pravilno nanesenu impregnaciju.
3.3 In situ ispitivanja
Kontrolna ispitivanja nakon nanošenja impregnacije provode se za potvrdu učinkovitosti tretmana. Mogu se primijeniti sljedeća ispitivanja i mjerenja:
- mjerenje dubine penetracije, ili na uzorcima izvađenim iz konstrukcije ili na uzorcima ugrađenim, njegovanim i tretiranim u uvjetima konstrukcije
- Kärstenovo ispitivanje koje se provodi mjerenjem obujma vode koja prodire u jedinici vremena u beton pomoću staklene mjerne epruvete, prethodno vodonepropusno zabrtvljene za površinu koja se ispituje. [8].
4 Uporabna svojstva i laboratorijska ispitivanja
4.1 Općenito
U normi za površinsku zaštitu betona HRN EN 1504-2 određena su uporabna svojstva, primjena, metode ispitivanja i zahtjevi za svojstva. Za svaku primjenu (načelo) određena su uporabna svojstva koja proizvod mora zadovoljiti za sve, te svojstva koja treba zadovoljiti ako se zahtijevaju za određenu primjenu, kako je prikazano u tablici 1. Ispitivanje uporabnih svojstva provodi proizvođač kao početno ispitivanje tipa u okviru potvrđivanja sukladnosti proizvoda ili se ta svojstva ispituju prema zahtjevu projekta.
Tablica 1. Uporabna svojstva hidrofobne impregnacije kao površinske zaštite u odnosu na “načela” i “metode” prema normi HRN ENV 1504-9
U tablici 2. prikazan je pregled svih uporabnih svojstava, zahtjeva i metoda ispitivanja za hidrofobnu impregnaciju.
Tablica 2. Uporabna svojstva, metode i zahtjevi za hidrofobnu impregnaciju
Ispitivanja se provode nanošenjem hidrofobne impregnacije na betonske uzorke izrađene od normiranog referencijskog betona prema normi HRN EN 1766. Veličina i broj uzoraka te vrsta betona ovise o svojstvu koje se ispituje. Pri izradi betona ne smiju se unutrašnje plohe kalupa mazati sredstvom za odvajanje.
Proizvod se nanosi na uzorke kontrolirane (ograničene) vlažnosti, u kontroliranim laboratorijskim uvjetima uranjanjem jedne po jedne plohe u impregnator na (120 ± 5) (slika 4.) ili na način i u količini koju preporučuje proizvođač. Uz svaki rezultat ispitivanja treba navesti utrošak proizvoda u g/m2 (upijanje proizvoda). Kad god je primjenjivo, svojstvo se ocjenjuje usporedbom tretiranih i netretiranih uzoraka.
4.2 Određivanje dubina penetracije prema normama HRN EN 1504-2 i HRN EN 14630
Dubina penetracije mjeri se na lomnoj plohi tretiranog uzorka prema modifi ciranoj normi HRN EN 14630 za mjerenje dubine karbonatizacije. Beton je vrste C(0,70), a uzorci kocke (100 x 100 x 100) mm. Jednostavnim vlaženjem (špricanjem) slomljene plohe vodom impregnirani rubni dio plohe postaje vidljivo različit od ostalog dijela presjeka.
Beton upija vodu i postaje tamniji, a rubni dio je svijetle boje s istaknutim kapljicama vode (vodoodbojan). Prema postignutoj dubini penetracije izraženoj u milimetrima, proizvod se razvrstava u razred I (< 10 mm) ili razred II (≥ 10 mm). Na slici 5. prikazana je penetracija od 5 mm na lomnoj plohi betonskog uzorka od referencijskog betona C(0,70).
4.3 Ispitivanje brzine sušenja hidrofobne impregnacije prema normi HRN EN 13579
Za ispitivanje brzine sušenja potrebno je devet kocaka betona C(0,45) dimenzija (100 x 100 x 100) mm. Tri uzorka služe za određivanje trenutka postizanja udjela vlage od (5,0 ± 0,5) % koji je uvjet za tretiranje. Od preostalih šest uzoraka tri se tretiraju, a tri su kontrolna (beton).
Brzina sušenja tretiranih i netretiranih uzoraka određuje se mjerenjem gubitka mase tijekom sušenja u klima-komori s kontroliranim uvjetima od (30 ± 2) °C i (40 ± 5) % RH, a na osnovi proračunanog koefi cijenta brzine sušenja za tretirane i netretirane uzorke ocjenjuje se djelotvornost impregnacije.
4.4 Ispitivanje upijanja vode i otpornosti hidrofobne impregnacije na lužine prema normi HRN EN 13580
Za ispitivanje upijanja vode i otpornosti na lužine potrebno je devet kocaka betona C(0,45) dimenzija (100 x 100 x 100) mm ili se za ispitivanje može upotrijebiti šest uzoraka prethodno ispitanih sušenjem. Uzorci se drže uronjeni u demineraliziranu vodu vodljivosti < 50 μS, tretirani 24 sata, a netretirani 1 sat. Zabilježi se masa prije (i1) i nakon uranjanja (i2). Iz brzine povećanja mase za tretirane, odnosno netretirane uzorke izračuna se omjer upijanja.
Nakon ispitivanja upijanja vode tretirani se uzorci urone u otopinu kalijevog hidroksida (5,6 g/l) i čuvaju tako 21 dan. Nakon toga suše se do stalne mase (i1) te provede identično ispitivanje upijanja vode i izračuna brzina povećanja mase nakon izloženosti lužini It(alk). Omjer upijanja AR predstavlja smanjenje upijanja vode postignuto hidrofobnom impregnacijom. Zahtijeva se da omjer upijanja bude manji od 7,5 % u usporedbi s netretiranim ispitnim uzorcima te manji od 10 % nakon uranjanja u otopinu lužine.
4.5 Ispitivanje otpornosti na zamrzavanje-odmrzavanje uz djelovanje soli prema normi HRN EN 13581
Za ispitivanje otpornosti na zamrzavanje-odmrzavanje uz djelovanje soli potrebno je osam kocaka betona C(0,70) dimenzija (100 x 100 x 100) mm koji se nakon njege od 28 dana moraju kondicionirati 60 dana u laboratorijskim uvjetima. Četiri se uzorka tretiraju, a četiri su kontrolna (beton). Zabilježi se početna masa (W0) i masa nakon 24 sata uranjanja u tropostotnu otopinu natrijevog klorida (We).
Za vrijeme ispitivanja smrzavanja uzorci su smješteni u posude, uronjeni u tropostotnu otopinu natrijevog klorida. Ciklus hlađenja traje 24 sata i sastoji se od 16-satne faze hlađenja do – 15 °C i 8-satne faze odmrzavanja u vodi do + 20 °C. Provodi se 50 ciklusa, a nakon svakog petog ciklusa mjeri se masa uzoraka. Promjena mase (gubitak) ΔWn u postocima računa se u odnosu na W0.
Srednje vrijednosti promjene mase tretiranih i netretiranih uzoraka (W0, We, Wt5
… Wtn) prikazuju su grafi čki. Presjek krivulje i pravca 0 % daje postignuti broj ciklusa. Izračuna se razlika između postignutog broja ciklusa (ΔC) netretiranih (Cu) i tretiranih (Ct) ispitnih kocaka (slika 6.). Zahtjev je norme ΔCmin = 20 ciklusa. Na slikama 6. a) i 6. b) prikazuju se tretirani i netretirani uzorci betona C(0,70) nakon 15 i 40 ciklusa smrzavanja.
5 Zaključak
Primjena hidrofobnih impregnacija na betonskim konstrukcijama defi nirana je normom HRN ENV 1504-9 za zaštitu i popravak betonskih konstrukcija. Hidrofobna impregnacija kao metoda popravka može se primijeniti kod zaštite i popravka oštećenja betona (zaštita od unosa štetnih tvari i kontrola vlage) i kod zaštite od korozije armature (povećanje električnog otpora betona).
Kao površinska zaštita betona primjenjuje se da se postigne zahtijevani uporabni vijek nove konstrukcije ili produlji uporabni vijek postojeće konstrukcije ili popravljene konstrukcije, i to tako što čini zaštitni sloj betona manje propusnim za agresivne tvari ili smanjuje udio vlage u betonu povećavajući time otpor betona. Posebno je učinkovita u sprječavanju prodora vlage i u vodi topljivih tvari kao što je sol za odleđivanje ili sol iz mora u beton, istodobno dopuštajući evaporaciju vlage iz betona. Osim toga, ima dobru otpornost na lužine. Time se postiže nekoliko pozitivnih učinaka koji povećavaju trajnost betona:
• produljeno inicijacijsko razdoblje korozije armature,
• niži stupanj korozije (kad je već započela),
• smanjenje rizika od ljuštenja uslijed djelovanja soli,
• smanjenje rizika od alkalno-silikatne reakcije.
Zahtijevana penetracija u beton od presudne je važnosti za učinkovitost impregnacije i može se postići prikladnim izborom proizvoda, pravilnom pripremom podloge te postupkom nanošenja. Proizvodi za hidrofobnu impregnaciju obuhvaćeni su normom HRN EN 1504-2 koja određuje svojstva i zahtjeve za svojstva: dubinu penetracije, upijanje vode i otpornost na lužine, paropropusnost i otpornost na zamrzavanje-odmrzavanje uz djelovanje soli za odleđivanje.
Literatura
[1] NORECON (A Nordic network on concrete research and development), Repair and Maintenance of Concrete Structures, Task 2: Repair Methods – a Review, 2004, Jacob Mehus, http:// prosjektweb.nordicinnovation.net
[2] HRN EN 1504-1:2005, Proizvodi i sustavi za zaštitu i popravak betonskih konstrukcija - Definicije, zahtjevi, kontrola kvalitete i vrednovanje sukladnosti - 1. dio: Defi nicije (EN 1504- 1:2005)
[3] Bertolini, L., Elsener, B., Pedeferri, P., Polder, R.: Corrosion of Steel in Concrete, Wiley-VCH, 2000
[4] Building Material Protection Water Repellent Selection Guide, Dow Corning, http://www. dowcorning.com
[5] HRN EN 1504-2, Proizvodi i sustavi za zaštitu i popravak betonskih konstrukcija - Defi nicije, zahtjevi, kontrola kvalitete i vrednovanje sukladnosti - 2. dio: Sustavi površinske zaštite (EN 1504-2:2004)
[6] HRN ENV 1504-9:2001, Proizvodi i sustavi za zaštitu i popravak betonskih konstrukcija - Definicije, zahtjevi, kontrola kvalitete i vrednovanje sukladnosti - 9. dio: Opća pravila za uporabu proizvoda i sustava (ENV 1504-9:1997)
[7] Design manual for Roads and Bridges, Volume 2, Section 4, Part 2: The impregnation of reinforced and prestressed concrete highway structures using hydrophobic pore-lining impregnants, UK Highways agency, http://www.standardsforhighways.co.uk/dmrb/index.htm
[8] HRN EN 1504-10:2004+AC:2007, Proizvodi i sustavi za zaštitu i popravak betonskih konstrukcija
- Defi nicije, zahtjevi, kontrola kvalitete i vrednovanje sukladnosti - 10. dio: Primjena
proizvoda i sustava na gradilištu i kontrola kvalitete radova (EN 1504-10:2003 + EN 1504-10:2003/AC:2005)