«

»

Durabilitatea elementelor din beton armat. Concepte moderne

Share

Studiul durabilitatii elementelor de beton armat are drept obiectiv prioritar stabilirea masurilor capabile sa asigure, in mod satisfacator, durata anticipata de functionare, prin identificarea si tratarea corespunzatoare a deteriorarilor aparute pe parcursul exploatarii constructiei. Totodata, trebuie sa se acorde prioritate proiectarii si executiei, in conformitate cu realizarile recente dobandite prin activitatea practica si cu rezultatele de ultima ora ale cercetarilor in domeniu. Acestea urmaresc identificarea totalitatii factorilor care genereaza procese fizice si/sau chimice cu efect distructiv asupra structurilor din beton armat, tinand cont de faptul ca degradarea betonului precede, de regula, pe cea a armaturilor. Realizarea unui beton durabil impune anumite exigente tehnice privind proprietatile: mecanice, fizice sau chimice care pot fi asigurate numai prin cresterea performantelor acestuia. Durabilitatea betonului constituie si o problema economica sub aspectul pretului global al constructiei care include atat pretul materialelor, cat si costul pentru mentinerea in stare de utilizare a constructiei. Durabilitatea reprezinta o problema economica si prin impunerea unor cerinte deosebit de pretentioase referitoare la materiale, in corelatie cu conditiile si timpul de functionare al constructiei.

 

Vorbind de durabilitate ca pro­blema economica, poate fi mentio­nata „Legea lui 5“ introdusa de K. Tuutti, conform careia, la 1 dolar investit pentru proiectare si executie corecta, se pot economisi 5 dolari pentru intretinere, 25 dolari pentru renovare si/sau consolidare. Chiar daca, inclusiv pe plan international, se remarca o preocupare din ce in ce mai sustinuta in privinta durabilitatii constructiilor din beton, pot fi facute anumite observatii privind abordarea acestei problematici, si anume: studierea durabilitatii constructiilor necesita abordari multidisciplinare, de la chimia materialelor si comportarea elementelor la diferite tipuri de solicitari, pana la cunostinte fundamentale sau aplicative care includ utilizarea unor metode si tehnici de incercare, din ce in ce mai performante si mai complexe in vederea efectuarii cercetarilor de laborator sau pentru investigarea unor constructii existente. De cele mai multe ori abordarile vizeaza unul dintre aceste domenii.  In functie de prega­tirea tehnica a specialistilor, cuantificarea factorilor care influenteaza durabilitatea constituie o preocupare la nivelul reglementarilor internatio­nale de executie, in cadrul examinarii structurilor existente neexistand relatii directe care sa indice influenta starii de degradare asupra caracte­risticilor fizico-mecanice si geome­trice necesare analizelor structurale:

• la nivelul national studiile s-au referit in mai mare masura la durabi­litatea materialelor, fata de cea a elementelor si a structurilor din beton armat sau precomprimat;

• metodele de investigare si prog­nozare privind durabilitatea struc­turilor existente sunt putin cunoscute de specialistii in domeniu, iar aplicarea acestora se afla la un nivel mult mai redus fata de ce se intalneste pe plan international.

 

Stadiul actual

In prezent, proiectarea la durabi­litate a structurilor din beton se face prin specificarea raportului apa/ciment si a continutului minim de ciment, in functie de conditiile de expunere. In tabelul 1, sunt prezentate valorile limita recomandate pentru compo­zitia unui beton, conform EN 206.

O proiectare mai eficienta a structurilor din beton ar trebui sa tina cont de performantele in timp ale acestora. In principiu, ar trebui facuta o analiza a comportamentului in timp al structurii sub actiunea mediului inconjurator. In prezent, este dificila cuantificarea durabilitatii structurilor din beton cu ajutorul duratei de viata, din cauza lipsei unui model adecvat de calcul. Cercetarile ulterioare vor conduce la gasirea unui model matematic capabil sa satisfaca toate cerintele si exigentele. Din cauza lipsei unui model matematic performant, la ora actuala verificarea durabilitatii structurilor din beton se poate face prin luarea in considerare a principalelor caracte­ristici ale betonului.

 

Standardul JSCE 2002 pentru structuri din beton

Principiul de baza al acestui standard este formulat astfel: „inca din stadiul de proiectare, detaliile structurale, cum ar fi: forma, marimea, armatura, caracteristicile betonului si ale armaturii, metoda de constructie si planul de intretinere, ar trebui stabilite tinand cont si de considerente economice. Trebuie de asemenea asigurat faptul ca exigentele (siguranta, durabilitatea) trebuie satisfacute pe intreaga durata de viata a constructiei“.

Bazat pe acest principiu, standardul mai sus mentionat cuprinde 4 parti:

1. verificari ale exigentelor de siguranta;

2. verificari ale exigentelor seismice;

3. materiale si metode de constructie;

4. intretinerea.

Verificarea la durabilitate

a structurilor din beton.

Principiul metodei

Performantele unei structuri din beton trebuie sa ramana neschimbate pe intreaga durata de viata a acesteia. Metodele de verificare a degradarilor structurilor din beton generate de: carbonatare, atacul clorului, actiunea ciclului inghet-dezghet repetat, atacul chimic, reac­tiile alcali-agregate, sunt prezentate in detaliu in cele ce urmeaza.

Verificarea carbonatarii betonului

Verificarea carbonatarii beto­nului, conform JSCE 2002, se reali­zeaza cu relatia [1.1]:

unde,

gi – factor in functie de importanta structurii (1,00 in general si 1,1 pentru structuri importante);

glim ú 1,0 – adancimea critica de carbonatare;

gd ú 1,0 – valoarea de calcul a adancimii de carbonatare.

Este in general acceptat faptul ca procesul de coroziune al armaturii poate incepe inainte chiar ca adan­cimea de carbonatare sa devina egala cu acoperirea cu beton, ceea ce poate duce la concluzia ca adancimea critica de carbonatare poate fi calculata cu relatia [1.2]

glim = c – ck                             [1.2]

unde,

c – valoarea estimata a acoperirii cu beton(mm) si

ck – acoperirea cu beton neafectata de carbonatare (mm).

Pentru estimarea adancimii de carbo­natare, se poate folosi ecuatia [1.3]

unde,

ad – rata estimata de carbonatare

t– durata de viata a structurii(ani);

gcb – factor de siguranta care tine cont de variatia ratei estimate de carbonatare (1,15 in general).

Conform JSCE 2002, rata estimata de carbonatare ad poate fi calcu­lata cu relatia [1.4]

ad = ak.be.gc                  [1.4]

unde,

ad – valoarea ratei de carbona­tare

be – coeficient ce tine cont de agresivitatea mediului (1,0-1,6);

gc coeficient in functie de propri­etatile betonului(1,0-1,3).

Verificarea coroziunii armaturii datorita actiunii clorului

Ionii de clor pot usor penetra in beton din mediul exterior si pot provoca coroziunea armaturii. In cazul structurilor din beton aflate in mediul marin, este foarte importanta verificarea coroziunii armaturii datorita actiunii ionilor de clor, verificarea putand fi facuta cu relatia [1.5]:

unde,

gi – factor in functie de importanta structurii (1,00 in general si 1,1 pentru structuri importante);

Clim – concentratia critica de clor care produce initierea procesului de coroziune (0,3-1,2kg/m3);

Cd – valoarea de proiectare a concentratiei ionilor de clor.

Pentru modelarea penetrarii ioni­lor de clor in beton, sunt folosite in mod obisnuit formule matematice bazate pe teoria difuziei. Valoarea de proiectare a concentratiei ionilor de clor poate fi determinata folosind ecuatia [1.6], ce are la baza a doua lege a difuziei a lui Fick:

unde,

C0 – concentratia probabila a ionilor de clor la suprafata betonului (kg/m3);

c – valoarea estimata a acoperirii cu beton (mm);

t – durata de viata a constructiei (ani);

gcl – factor de siguranta care tine cont de variatia valorii concentratiei probabile a ionilor de clor (1,1-1,3);

Dd Valoarea de calcul a coeficientului de difuzie a ionilor de clor in beton (cm2/an);

erf(s) – functie ce tine seama de posibilele erori.

 

Verificarea actiunii variatiilor de temperatura

Complexitatea degradarilor gene­rate de actiunea variatiilor de temperatura depinde nu doar de calitatea suprafetei elementelor din beton, dar si de alti cativa factori, cum ar fi: numarul ciclurilor inghet-dezghet, valoarea temperaturii, si de gradul de saturare cu apa al betonului. Totusi, pana acum nu exista informatii suficiente pentru a putea cuantifica exact efectul variatiilor de tempera­tura asupra caracteristicilor de rezistenta a structurilor din beton. Aceasta inseamna ca este foarte dificil de specificat un nivel accep­tabil al deteriorarilor provocate de variatiile de temperatura si de folosire a acestui nivel drept un criteriu de verificare a performantelor unei structuri supuse la actiunea acestui factor. In general, poate fi considerat ca o structura isi va mentine caracteristicile atunci cand betonul prezinta o rezistenta accep­tabila la actiunea variatiilor de temperatura. Prezentul standard propune pentru verificarea actiunii variatiilor de temperatura urmatoarea relatie:

unde,

gi – factor in functie de importanta structurii (1,00 in general si 1,1 pentru structuri importante);

Ed – Valoarea de proiectare a modulului de elasticitate relativ;

Emin – Valoarea critica minima a modulului de elasticitate relativ.

Verificarea actiunii substantelor chimice asupra betonului

Atunci cand substante chimice agresive vin in contact sau patrund in beton, acestea pot reactiona cu produsii de hidratare ai cimentului, formandu-se astfel produsi expansivi ce determina aparitia fisurilor iin beton, fenomen ce duce la fragmentarea suprafetei betonului etc. Cu toate acestea, din cauza intelegerii limitate a modului in care se produce deteriorarea betonului generata de compusii chimici care duc la degradarea rezistentei structurii, alte evaluari cantitative nu au fost facute. Astfel, sunt prevazute doar specificatii conceptuale in JSCE pentru verificarea atacurilor compusilor chimici asupra structurilor din beton.

Pentru a asigura durabilitatea structurii sub actiunea acestor atacuri, este suficienta mentinerea deteriorarii betonului sub un anumit nivel determinat anterior (astfel incat sa nu aiba loc schimbari inaccep­tabile in rezistenta structurii). Este de asemenea potrivit si logic de a se fixa un anumit nivel de rezistenta chimica a betonului pentru a mentine integritatea structurii. Prin urmare, in cazul in care cimentul intruneste criteriul de rezistenta impotriva atacu­rilor chimice, se va considera ca rezistenta structurii nu va fi afectata de atacurile substantelor chimice. O verificare actuala in ceea ce priveste rezistenta la atacurile compusilor chimici, testele accelerate, testele de expunere la intemperii (sau orice alt test adecvat) vor fi realizate pe mostre de beton in conditii cat mai apropiate de cele naturale. Apoi, ve­rificarea ar trebui facuta intr-o maniera prin care sa se asigure ca nu exista niciun fel de deteriorare vizibila in beton din cauza atacurilor chimice, sau ca degradarea este limitata la nivele ce nu afecteaza in mod semnificativ rezistenta structurii.

Atunci cand este necesar ca deteriorarea betonului sa fie intre limitele ce nu afecteaza rezistenta structurii, este permisa folosirea, conform specificatiilor, a unui factor apa-ciment, in loc de verificarea rezistentei la atacuri chimice, in mod direct:

• atunci cand betonul este in contact cu pamantul si apa, ce contin 0,2% sau mai multi sulfati precum SO4, concentratia maxima apa-ciment este de 50%;

• atunci cand se folosesc saruri, concentratia maxima apa-ciment este de 45%. Atunci cand atacul chimic asupra betonului este unul sever, este dificila asigurarea protectiei structurii doar prin cresterea grosimii acoperirii cu beton sau cresterea rezistentei betonului. Unele sisteme de canalizare aflate in preajma izvoarelor termale/calde sunt exemple de astfel de structuri din beton. In asemenea cazuri, ar putea fi mult mai realista si logica recomandarea folosirii materialelor rezistente la coroziune sau/ori asigurarea unui strat de acoperire superficiala a betonului.

 

Verificarea actiunii reactiilor alcali-agregate

In functie de felul mineralului reactiv prezent in agregatele care reactioneaza cu alcalii din beton, reactia alcali-agregate poate fi impar­tita in 2 feluri, reactii alcali-siliciu si reactii alcali-carbonati. Deteriorarea datorata reactiei alcali-agregate in beton se manifesta prin aparitia crapaturilor si fisurilor, provocate de expansiunea produsilor de reactive. In Specificatiile JSCE, este prevazut ca, in cazul in care betonul intruneste criteriul rezistentei impotriva reactiei alcali-agregate, structura poate fi considerata a fi sigura impotriva acestor fenomene pe toata durata de exploatare. Cea mai potrivita metoda de a verifica rezistenta unei structuri la reactia alcali-agregate este de a folosi epruvete de beton in aceleasi conditii ca cele ale structurii reale, apoi expunerea lor intr-un mediu cu conditii similare, confirmand astfel posibila aparitie a crapaturilor. Cu toate acestea, luand in considerare varietatea de factori ce pot aparea, precum timpul de testare, cheltuielile, necesitatea testarii betonului si a materialelor in anumite proportii etc., unastfel de test de expunere nu este intotdeauna realizabil. Astfel, in prezent, verificarea actiunii reactiilor alcali-agregate este de obicei realizata prin testul accelerat, folosind mostre de beton. In JCI AAR-3 – „Metoda testarii betonului pentru evaluarea reactiei alcali-agregate“ este prezentat detaliat principiul metodei.

Verificarea la actiunea reactiei alcali-agregate va fi realizata prin asigurarea ca:

unde,

Lp – expansiunea probabila a betonului datorita reactiei alcali-agregate (%);

Lmax – rata maxima permisa de expansiune la care betonul inca sa­tisface exigentele de rezistenta impo­triva reactiei alcali-agregate (0,10%.);

gp – factor de siguranta.

 

Concluzii

Aparitia in 2002 a acestui standard de proiectare reprezinta un pas important in gasirea solutiilor pentru realizarea unor constructii mai durabile in timp. Aceasta lucrare a oferit o sinteza a metodelor de verificare a durabilitatii descrise in JSCE 2002.

Structurile de beton si componentele acestora ar trebui proiectate, construite, realizate, inspectate, mentinute si reparate in asemenea mod incat sa isi mentina performantele pe parcursul duratei de viata proiectate cu un coeficient de siguranta suficient pentru scopul in care va fi folosita structura, si in conditiile de mediu specific. Ca urmare, durata de viata prevazuta ts a structuriiar trebui sa depaseasca durata de viata proiectata, tp cu toate ca ts poate fi mai mic decat tp pentru elementele structurale ce pot fi inlocuite.

Figura 1 prezinta unul din mode­lele matematice existente utilizate pentru a prezice durata de viata a unei constructii.

Verificarea durabilitatii structurii este asigurata prin:

unde,

R(tD) – capacitatea de rezistenta a elementelor structurale la timpul tD;

S(tD) – degradarile cumulate ale componentelor la timpul tD;

– probabilitatea de cedare la timpul tD;

Ptarget – probabilitatea de realizare.

Nu mai este necesar sa se mentioneze faptul ca structurile din beton au contribuit la activitatile sociale si economice ale omenirii. Pe de alta parte, constructiile civile si realizarea acestora consuma resurse enorme si emit o cantitate impresionanta de gaze cu efect de sera. Rezolvarea problemei durabi­litatii constructiilor din beton armat este deosebit de importanta, deoarece, prin cresterea duratei de exploatare, se realizeaza o mai buna utilizare a resurselor naturale si, totodata, va genera imbunatatirea calitatii mediului inconjurator.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 36 – aprilie 2008

 

Autori:
I.P. VODA,
N. FLOREA,
L. GHERMAN – Universitatea Tehnica „Gh. Asachi“ Iasi, Facultatea de Constructii



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share

Permanent link to this article: http://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2008/04/30/durabilitatea-elementelor-din-beton-armat-concepte-moderne/

Lasă un răspuns

Adresa de email nu va fi publicata.