Το φαινόμενο της ενανθράκωσης οφείλει την ονομασία του στη μετατροπή του περιεχομένου στο σκυρόδεμα υδροξειδίου του ασβεστίου – Ca(OH)2– σε ανθρακικό ασβέστιο: CaCO3.
Η αντίδραση περιγράφεται ως εξής:
Ca(OH)2 + CO2 + H2O → CaCO3 + 2H2O.
Η ύπαρξη του Ca(OH)2 μαζί με αυτή άλλων υδροξειδίων που υπάρχουν σε μικρότερες ποσότητες εξασφαλίζουν στους οπλισμούς ένα προστατευτικό, έντονα αλκαλικό περιβάλλον (pH ≥ 12,5).
Σ’ αυτό το περιβάλλον ένα λεπτό φιλμ οξειδίων και υπεροξειδίων προστατεύει το χάλυβα από τη διάβρωση.
Το φιλμ αυτό δε σταματά τη διάβρωση, αλλά περιορίζει σημαντικά τους ρυθμούς εξέλιξής της.
Η μετατροπή όμως του Ca(OH)2 σε ασβεστόλιθο με τη βοήθεια του ανθρακικού οξέος που προκύπτει από την ένωση του CaO με H2O:
CaO + H2O → H2CO3 μειώνει σταδιακά την αλκαλικότητα στο περιβάλλον του οπλισμού μπετόν έως ότου τη ρίξει σε επίπεδα που η παθητική προστασία που παρέχει το επικαλυπτικό φιλμ αναιρείται.
Το pH που σηματοδοτεί αυτή τη μετάβαση είναι γύρω στο 9, ενώ ένα πλήρως ενανθρακωμένο μπετόν έχει pH ≤ 8.
Η ενανθράκωση δεν αποτελεί πρόβλημα για το σκυρόδεμα καθεαυτό. Κάθε άλλο!
Η μετατροπή του υδροξειδίου του ασβεστίου σε ασβεστόλιθο δίνει ένα πιο πυκνό υλικό, χαμηλό πορώδες, με μεγαλύτερη θλιπτική αντοχή.
Το πρόβλημα είναι σε σχέση με την προστασία του σιδηρού οπλισμού.
Η ενανθράκωση αποτελεί την κερκόπορτα για τη διάβρωση των οπλισμών.
Μπορούμε να την κατατάξουμε στις χημικές διεργασίες φθοράς και απαξίωσης του οπλισμού σκυροδέματος σε αντιδιαστολή με άλλες π.χ. μηχανικές, φυσικές, βιολογικές κλπ.
Στις αστικές και βιομηχανικές περιοχές που έχουν υψηλά ποσοστά CO2 η ενανθράκωση αποτελεί τον κυρίαρχο μηχανισμό απαξίωσης του οπλισμένου σκυροδέματος.
Εκεί όπου υπάρχουν και χλωριούχες ενώσεις όπως π.χ.:
– Σε παραθαλάσσιες περιοχές.
– Σε περιοχές όπου χρησιμοποιείται αλάτι για την αποπαγοποίηση των δρόμων
…η συνεργιστική δράση ενανθράκωσης και χλωριόντων μπορεί να είναι καταιγιστική.
Η ενανθράκωση είναι το φαινόμενο εκείνο που περισσότερο από οποιοδήποτε άλλο μας έκανε να συνειδητοποιήσουμε ότι το οπλισμένο μπετόν γερνάει και απαξιώνεται.
Τα ποσά που ήδη δαπανώνται για τη δομική αποκατάσταση μεγάλων τεχνικών έργων – όπως π.χ. γέφυρες – προκαλούν δέος.
Στο άμεσο μέλλον θα εκτοξευτούν σε δυσθεώρητα ύψη για πολλά χρόνια.
Η τάση αυτή θα κοπάσει όταν αρχίζουν να αποδίδουν τα μέτρα που μόλις τώρα αρχίζουν να λαμβάνονται για την καλύτερη προστασία των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα.
Παράγοντες που επηρεάζουν την εξέλιξη της ενανθράκωσης
Προληπτικά μέτρα κατά της ενανθράκωσης
1. Το περιβάλλον.
Περιβάλλοντα στα οποία υπάρχει αυξημένη περιεκτικότητα του αέρα σε CO2 επιταχύνουν τις διαδικασίες ενανθράκωσης.
Τέτοια περιβάλλοντα είναι τα βιομηχανικά και τα αστικά.
Στις αγροτικές περιοχές η ενανθράκωση εξελίσσεται με βραδύτερους ρυθμούς.
Σε επίπεδο μικροπεριβάλλοντος, ιδιαίτερα επιβαρυμένα είναι τα πάρκινγκ αυτοκινήτων λόγω των αυξημένων εκπομπών σε CO2.
Για τον ίδιο λόγο, στα αστικά περιβάλλοντα οι χαμηλότεροι όροφοι είναι πάντα πιο επιβαρυμένοι από τους υψηλότερους.
2. Το πάχος και η ποιότητα επικάλυψης των οπλισμών.
Προφανώς μεγάλες επικαλύψεις προσφέρουν μακρόχρονη προστασία. Όσον αφορά την ποιότητα της επικάλυψης, αυτή βελτιώνεται:
* Με τη μείωση του υδατοτσιμεντοσυντελεστή: μείωση πορώδους. Να κρατιέται σε επίπεδα μικρότερα του 0,50.
* Με την αύξηση της ποσότητας του τσιμέντου: αυξάνεται η ποσότητα του προστατευτικού Ca(OH)2.
* Με καλή συμπύκνωση και ωρίμανση: μείωση κακοτεχνιών, φωλιών αδρανών, ρωγμών κλπ.
3. Σχετική υγρασία του σκυροδέματος.
Μια Σ.Υ. της τάξης του 50-60% θεωρείται η ως πιο επιβαρυντική για την εξέλιξη της ενανθράκωσης.
Όταν έχουμε Σ.Υ. ≤ 40% η διαδικασία επιβραδύνεται, γιατί δεν μπορεί να υπάρξει διάλυση του CO2 στο νερό και σχηματισμός H2CO3.
Σε επίπεδα Σ.Υ. ≤20% η ενανθράκωση πρακτικά μηδενίζεται.
Στο άλλο άκρο: όταν η σχετική υγρασία του μπετόν προσεγγίζει το 85-90%, το CO2 δεν μπορεί να διεισδύσει επειδή οι πόροι του μπετόν είναι γεμάτοι με νερό.
4. Ύπαρξη ρωγμών.
Οι ρωγμές αποτελούν προτιμησιακά μονοπάτια για τη δίοδο του CO2.
Έλεγχος του αριθμού και του εύρους τους τόσο στο νωπό όσο και στο σκληρυμένο μπετόν οδηγεί σε καλύτερο έλεγχο της ενανθράκωσης.
Έλεγχος της ρηγμάτωσης μπορεί να γίνει με μέτρα όπως: χρήση συνθετικών ινών, προσεγμένη συντήρηση, χάραξη αρμών διαστολής, επαρκή οπλισμό κλπ.
5. Φράγματα κατά της ενανθράκωσης.
Πρόκειται για βαφές, εμποτισμούς ή και λεπτά επιχρίσματα που λειτουργούν σαν φράγματα κατά της εισόδου του CO2.
Τα υλικά αυτά είναι συνήθως διαπερατά από τους υδρατμούς, γιατί το μόριο του H2O είναι μικρότερο από αυτό του CO2.
Διάβρωση οπλισμών
Όταν το μέτωπο της ενανθράκωσης φθάσει στην περιοχή του οπλισμού, η συνεπαγόμενη μείωση της αλκαλικότητας αδρανοποιεί την παθητική προστασία που προσφέρουν στους οπλισμούς τα επιφανειακά, σταθερά φιλμ από τα υδροξείδια του σιδήρου και του ασβεστίου.
Πλέον ο δρόμος είναι ανοικτός για την έναρξη της διαδικασίας διάβρωσης.
Η διάβρωση του σιδήρου είναι μια ηλεκτροχημική διαδικασία, γιατί εμπεριέχει ροή ηλεκτρονίων και ιόντων.
Το ρόλο της ανόδου και της καθόδου μπορούν να παίξουν ξεχωριστές περιοχές του ίδιου οπλισμού που έχουν διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα για να εξασφαλίζεται και η απαραίτητη διαφορά δυναμικού.
Το ρόλο του ηλεκτρολύτη παίζει το περιβάλλον υγρό μπετόν.
Ο ηλεκτρολύτης μεταφέρει στην κάθοδο τα κατιόντα που παράγονται στην άνοδο.
Η διάβρωση επιταχύνεται όταν οι πόροι του μπετόν δεν περιέχουν μόνο καθαρό νερό αλλά και άλατα, κυρίως χλωριούχα.
Το ρόλο της μεταλλικής σύνδεσης που μεταφέρει τα ηλεκτρόνια παίζει ο ίδιος οπλισμός.
Οι διαδικασίες της διάβρωσης είναι πολύπλοκες όπως και τα παραγόμενα προϊόντα!
Μια τυπική εξέλιξη όμως είναι η εξής:
Στην άνοδο υπάρχει οξείδωση του σιδήρου κατά την αντίδραση:
2Fe → 2Fe2+ + 4e-
Πρόκειται στην ουσία για «διάλυση» του μετάλλου στο νερό.
Κατιόντα σιδήρου φεύγουν από το μεταλλικό ιστό αφήνοντας πίσω τους ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Τα ηλεκτρόνια που μένουν στη ράβδο κινούνται προς περιοχές που παίζουν το ρόλο της καθόδου.
Εκεί ανάγουν το διαλυμένο στο νερό οξυγόνο κατά την αντίδραση:
2H2O + O2 + 4e- → 4OH-
Τα προϊόντα που παρήχθησαν από τις παραπάνω αντιδράσεις αντιδρούν μεταξύ τους.
Τα κατιόντα σιδήρου μέσω του ηλεκτρολύτη μεταφέρονται στην κάθοδο όπου αντιδρούν με τα υδροξύλια και παράγουν υδροξείδια του σιδήρου δηλ. σκουριά.
Η σκουριά εναποτίθεται στη ράβδο στις περιοχές των καθόδων και επειδή είναι διαπερατή τόσο από το νερό όσο και από τα αέρια, η διαδικασία οξείδωσης συνεχίζεται.
Νέα προϊόντα σκουριάς παράγονται με περαιτέρω αντιδράσεις με το διαλυμένο οξυγόνο.
Ο όγκος των παραγόμενων προϊόντων σκουριάς διαρκώς αυξάνει κι οι συνοδευτικές αυξανόμενες εσωτερικές τάσεις προκαλούν ρηγματώσεις, αποτινάξεις και αποκολλήσεις ολόκληρων κομματιών από μπετόν.
Οι διαδικασίες αυτές όπως προαναφέραμε μπορούν να επιταχυνθούν από την παρουσία χλωριούχων αλάτων.
Αυτά τα άλατα βρίσκονται εύκολα σε παραθαλάσσιες περιοχές ή όπου χρησιμοποιούνται για την αποπαγοποίηση των δρόμων.
Η διάβρωση λόγω ενανθράκωσης είναι μέρος της καθημερινής πραγματικότητας του μηχανικού και πρέπει να μάθει να ζει μ’ αυτή.
(Συντάκτης: Χρήστος Στρογγύλης Πολ. Μηχ/κός – ΜΒΑ – DipΜ)
