חשיבות ההגנה על מוטות זיון ואלמנטים

חשיבות ההגנה על מוטות זיון ואלמנטים בגימור של בטון חשוף

ומניעת בלייה היחלשות סדיקה והתפוררות של הבטון החשוף והטיח החיצוני של מבנים, בסביבה אקלימית קשה.

כללי :

בעולם המודרני מרבים לבנות מתקני תשתיות ומבנים מיציקות בטון לדוגמא גשרים ,מתקני ספורט , קירות תומכים , כבישים ומחלפים, מנהרות ומאגרי מים, בניינים , ועוד מתקנים שהגימור החיצוני שלהם נותר בטון חשוף , שאמור לעמוד איתן עוד שנים ארוכות מול פגעי האקלים ומזג אוויר קשה ,על מנת לשמר את חוזקו ואת הנראות הכללית שלו ,יש צורך בשימור ע"י תחזוקה איכותית ומותאמת.

מבוא

בארכיטקטורה ובבניה המודרנית לבטון החשוף חלק נכבד בגימור חזיתות בניינים ובתים. וכן בתשתיות השונות , פני הבטון החשוף, בעצם נחשפים לפגעי מזג האוויר ואטמוספירה החיצונית ולמרכיבים הפועלים בה.

כתוצאה מכך עובר המרקם הפנימי והחיצוני של הבטון החשוף שינויים עם הזמן, המתבטאים בד"כ בשלב הראשוני בנסיגה בנראות ע"י שינויי צבע (פטריות , עובש וכד..) ולאחר מכן אף לבליה.

חלק מהחומרים שבאטמוספירה חודרים לתוך מרקם הפנים של הבטון וגם אם אינם גורמים כל נזק לפני הבטון, ישנו חשש להיווצרות קורוזיה של מוטות הזיון שבקרבת פני הבטון.

באטמוספירה רגילה נגרם הדבר בד"כ ע"י חדירת דו תחמוצת הפחמן (קרבונציה) שבאוויר ביחד עם רטיבות דרך השכבה החיצונית של הבטון או דרך סדקים נימיים אל תוך ברזל ומוטות הזיון . בקרבת הים או במגע עם הקרקע הגורם העיקרי לתחילת תהליך הקורוזיה הוא דיפוזיה של מלחים המכילים כלורידים.

תהליך הקורוזיה של מוטות הפלדה שבקרבת פני הבטון גורם לאיכול הפלדה , תהליך זה יוצר לחץ עצום הגורם ולהופעת סדקים על פני הבטון בשלב הראשון, ולנשירת חלקי בטון התפוררות והיחלשות בשלבים הבאים.

במאמר זה אתייחס לגורמים הנפוצים המשפיעים על התפתחות קורוזיה בפלדת הזיון כפי שהיא מתבטאת במשטחי בטון חשופים . נעמוד על ההבדלים בין שני תהליכי השיתוך העיקריים, חדירת הכלורידים לבטון החשוף. וחדירת דו תחמוצת הפחמן - קרבונציה

העבודה מתייחסת בין השאר גם למנגנוני ההגנה שהבטון מפתח כנגד שיתוך, כמו גם את בעיות הבלייה השונות הנגרמות למשטחי הבטון עקב תהליכי הקורוזיה, ופגעי מזג האוויר מידת חומרתן ודרגות הסיכון שהם עשויות להוות

לסיכום נציין מספר דרכים להתמודדות עם בעיות הבלייה וההתפוררות הנובעות באופן ישיר מתהליכי השיתוך של הבטון החשוף ללא הגנה מתאימה ונסקור מספר אפשרויות תיקון של הבלייה בבטון בהתאם לגורם הבלייה.

קורוזיה מהי?

הקורוזיה בפלדת הזיון היא התופעה הכי נפוצה הגורמת לנזק במבנה עד לכשל סופי. לרוב ברזל הזיון ומוטות הפלדה בבטון מוגנת מפני קורוזיה בזכות הסביבה האלקלית הנוצרת כתוצאה מתהליך ההידרציה של הצמנט. התהליך הנפוץ של בלייה במבנה מדגיש את רגישות מערכת ההגנה של הבטון המזוין או הדרוך המושפעת מחומרת תנאי השירות.הגורמים הסביבתיים הללו כגון קרבונציה והתקפת כלורדים מפחיתים את שכבת ההגנה של הפלדה. גורמים נוספים המשפיעים על רמות הקורוזיה במוטות הפלדה כוללים: סדקים נימיים בבטון, ותנאי האקלים הסביבתיים גורמים פיזיים כגון תזוזות קרקע, טמפ`, חדירת לחות וחמצן איכות בטון ירודה ויישום כושל, או עובי כיסוי לא מתאים לברזל בשכבה החיצונית.

בהעדר תנאים שיגרמו לבלייה בבטון ה-pH הגבוה של הבטון מגיב עם הפלדה ויוצר שכבת הגנה –. כל עוד שכבה זו נשמרת הקורוזיה הנוצרת היא זניחה והפלדה נשארת מוגנת יחסית.

חשוב לציין כי ההתנגדות החשמלית של הבטון יורדת גם עם גידול באחוז המלחים שבו , ולכן עלולה להיווצר קורוזיה בבטון עם כלורידים גם בלחות יחסית נמוכה יותר מזו הדרושה בבטון ללא כלורידים . בבטון הבנוי באזור יבש ללא משקעים אין כמעט סכנה של התפתחות קורוזיה לפלדת הזיון .וזאת על אף שהתהליך אינו זקוק למים על מנת להתרחש , דרושה בכל זאת לחות מספקת בתוך הבטון להתהוות הקורוזיה אשר בתנאי מדבר אינה מושגת.

התנאים הדרושים להתפתחות קורוזיה בבטון

בכדי שתהליך הקורוזיה יימשך צריכים להתקיים מספר תנאים: התנגדות חשמלית ולחות יחסית – הבטון שמשמש כאלקטרוליט שדרכו עוברים היונים , צריך להיות בעל לחות יחסית אופטימלית מעל 50% והתנגדות חשמלית לא גבוהה מידי . המוליכות החשמלית בבטון תלויה ביכולת המעבר של היונים דרך מי חללים מאנודה לקטודה . ההתנגדות החשמלית תלויה בגורמים הבאים: 1. מבנה החללים 2. תכולת הרטיבות ורמות הלחות 3. הרכב מי החללים שצריכה להיות תמיסה אלקטרוליטית המכילה מטענים .

חשוב להדגיש כי עם גידול אחוז המלחים בבטון יורדת גם ההתנגדות החשמלית ולכן עלולה להיווצר קורוזיה בבטון עם כלורידים גם בלחות יחסית נמוכה יותר מזו הדרושה בבטון ללא כלורידים . בבטון יבש כמו באזורי מדבר אין כמעט סכנה של קורוזיה לפלדת הזיון בבטון .על אף שהתהליך אינו זקוק למים , דרושה בכל זאת רמת לחות מספקת בבטון להתהוות הקורוזיה אשר בתנאי מדבר אינה מושגת .

קצב אספקת החמצן

תהליך הקורוזיה צורך חמצן באופן שוטף ולאחר שהחל, תלוי קצב התפתחות הקורוזיה ישירות בקצב אספקת החמצן למערכת. באין חמצן – ובהגנה קטודית תפסיק התפתחות הקורוזיה . למעשה, לא קיימת סכנה ממשית של התפתחות קורוזיה למוטות הזיון בתוך הבטון, כאשר הם מכוסים בציפוי צבע מותאם המעניק גם הגנה וגם יוצר קשר חזק וצפוף בין המוטות זיון לבטון ומונע סדקים נימיים.

הגורמים המשפיעים על קורוזיה של מוטות הזיון

לפלדה נטייה גבוהה להתחמצן , כלומר להגיב בתהליך כימי עם החמצן שבאוויר בהתאם לראקציה הבאה: התוצר הסופי של תהליך החמצון מהווה למעשה את הקורוזיה המתאפיינים בנפחם הרב, כמעט פי שתיים , לעומת נפח הפלדה ממנו נוצרו . לתהליך היווצרות הקורוזיה הגורמות להכפלת נפח הברזל תפקיד מרכזי בתהליך סדיקה והרס הבטון בשל קורוזיה של מוטות הזיון שבקרבת פני הבטון. הגידול בנפח פלדת הזיון גורר עמו מאמצים ולחצים עצומים על שכבת הבטון סביב פלדת הזיון, עקב כך נחלשת עם הזמן מעטפת הבטון של פלדת הזיון ומתחילים להיווצר בה סדקים משניים אשר הולכים ומתרחבים עם הזמן . ראשיתו של תהליך הקורוזיה יתקיים תמיד באזור המגע בין פני המוט לבין המים החודרים מנקבי הבטון. תהליך הקורוזיה תלוי בהפרש פוטנציאלים בין אתרים שונים של גבי המתכת ומתפקד כתא אלקטרוליטי לכל דבר. התא מורכב מאנודה וקטודה שמחוברת ביניהן בצורה חשמלית ובצורה אלקטרוליטית. מוטות הפלדה משמשים כמוביל חשמלי והמים בנקבי הבטון כאלקטרוליט.

קרבונציה

הסיד מתקשר ע"י איבוד מים ויצירת מגע בין החלקיקים. איבוד המים גורם ליצירת מגע בין חלקיקי הסיד ומעבר למצב מוצק. התקשרות זו מלווה בהצטמקות (כתוצאה מאיבוד המים). בהמשך, הסיד מתקשה בתהליך הנקרא קרבונציה. בתהליך זה הסיד מגיב עם דו-תחמוצת הפחמן והופך חזרה לקלציט, המינרל ממנו הופק הגיר. הנוסחה הבאה מתארת את תהליך הקרבונציה: {\displaystyle Ca(OH)_{2}+CO_{2}\rightarrow CaCO_{3}+\Delta H} לאחר שהסיד עבר קרבונציה (הפך לגיר), הוא אינו רגיש יותר לרטיבות. קצב ועומק החדירה של תהליך הקרבונציה תלוי במספר גורמים:

• לחץ חלקי של דו-תחמוצת הפחמן

• נקבוביות הסיד

• מידת הרוויה של הנקבים

ככל שהלחץ החלקי של דו-תחמוצת הפחמן גבוה יותר, קצב הקרבונציה גבוה יותר, ולכן קצב הקרבונציה גבוה יותר במבנים סגורים מאוכלסים. נקבוביות היא תנאי הכרחי לחדירה של דו תחמוצת הפחמן לעומק שכבת הסיד. כשהנקבוביות נמוכה ביותר, רק השכבה החיצונית של הסיד עוברת קרבונציה. תהליך הקרבונציה מתרחש בסביבה מימית. לכן רטיבות של הסיד הכרחית לקרבונציה. אבל הדיפוזיה של דו-תחמוצת הפחמן במים קטנה בהרבה מהדיפוזיה שלה באוויר, ולכן רוויה של הנקבוביות מאטה את קצב הקרבונציה.

הקרבונציה היא תהליך כימי, שמתחיל בפני הבטון הבא במגע עם האוויר

. דו תחמוצת הפחמן שבאוויר חודרת לתוך פני הבטון, מתקשרת עם מימת הסידן שבתוך חללי הבטון ונוצרת אבן גיר בלתי מסיסה לפי התהליך הכימי הבא:

באזורים בהם שוררת לחות יחסית נמוכה למדי, הקרבונציה איטית מאוד. הביטוי לכך נמצא בחלקי מבנה מוגנים בפני גשם העוברים קרבונציה מהירה יותר מחלקים חשופים לגשם לסירוגין. מכאן ניתן להסיק כי בטון בתוך מים אינו יכול לעבור תהליך קרבונציה. הקרבונציה בעקרון אינה גורמת נזק לבטון, היא אף עשויה להגדיל את חוזקו והתכווצותו. אולם כתוצאה מהקרבונציה יורדת מידת הבסיסיות של הבטון ל 9 pH~12.5 (האופיני לבטון) עקב כך נפגעת שכבת ההגנה והפלדה נחשפת לקורוזיה .

קיימת בדיקה פשוטה העוזרת לקבוע את עומק הקרבונציה בבטון. בבדיקה זו מרססים על הבטון פנולפטלין. חומר זה משנה את צבעו באיזורים בהם ה pH גדול מ 9.5. עומק הקרבונציה נמדד בעזרת הצבע הורוד הבהיר המשתנה לכהה יותר ככל שה-pH גבוה יותר.

* שכבת הפסיבצייה – שכבת תחמוצת דקיקה וצפופה מאד שאינה חדירה ליונים והמונעת בצורה אפקטיבית את תהליך הקורוזיה.

הגורמים העיקרים המשפיעים על קצב התקדמות הקרבונציה בבטון

1. לחץ חלקי של CO2 שבאוויר והלחות היחסית באוויר.

2. חדירות הבטון לגזים ולמים, התלויה בעיקר ביחס מים \ צמנט, ציפוף הבטון, טיב האשפרה שעבר ותכולת הרטיבות בחללים .

3. כמות החומר שיכול לעבור קרבונציה (כמות הצמנט וסוג הצמנט).

שכבת פסיבציה

הקיימות של בטון מזוין לזמן ארוך מתאפשרת אודות לשכבת הפסיבציה. כל עוד שכבת הפסיבציה שנוצרת מסביב למוטות הפלדה שלמה מוגן המוט בפני הקורוזיה. במידה ושכבה זו שומרת על צפיפותה ואחידותה לאורך מוטות הזיון ואינה נפגעת עם הזמן, ובנוסף שומרת על אלקאליות גבוהה pH >9 . השכבה מתפקדת היטב בהגנה בפני קורוזיה. ציפוף טוב של שכבת הפסיבציה מושג רק בבטון עביד, שהופך לנוזלי בשלב הציפוף.

תנאי לא יציבות של שכבת הפסיבציה הוא ירידה בpH ונוכחות יוני – Cl.

כלורדים

חדירת הכלורידים לתוך הבטון שונה מתהליך הקרבונציה. כמות הכלורידים החודרת דרך פני הבטון לעומקו אינה אחידה בניגוד לקרבונציה המתקדמת כמעט בחזית אחידה. כאשר כמות הכלורידים ליד מוט הזיון באזור מסוים מגיעה לגבול הקריטי, חודרים יוני הכלור החופשיים את שכבת הפסיבציה שעל פני מוט הפלדה באזור זה.

אשפרת הבטון

התזת מי ברז על משטח הבטון יכולה לגרום לריכוז מלחים במרקם הפנים כתוצאה מהתאיידות המים, למרות שמי האשפרה מכילים כמות קטנה מאוד של כלור, על אחת כמה וכמה באשפרה עם מים מלוחים .

מגע עם קרקע המכילה מלחים מסיסים

המים אשר עולים מהקרקע דרך הנקבים שבבטון ומתאיידים מפני הבטון מעל לקרקע מותירים את המלחים המסיסים במרקם הפנים של הבטון. כתוצאה ממחזורי הרטבה וייבוש גדל בצורה משמעותית ריכוז המלחים באזור ההתאיידות. חלק מהמלחים החודרים ע"י דיפוזיה לתוך הבטון, מכילים גם סולפטים הגורמים להרס שכבת הפנים של הבטון וע"י כך גדל קצב הדיפוזיה של הכלורידים פנימה .

מערכות הגנתיות למניעת בלייה של הבטון

מערכות הגנתיות יכולות להיות מיושמות בבטון כדי להגן עליו מפני בעיות בלייה כימיות ומכניות .לתופעות הבלייה יש בדרך כלל יותר מסיבה אחת ולכן ה"מפתח" לתיקון יעיל או כישלון של התיקון הוא באבחון נכון של הבעיה, לאחר מכן צריך להכין תכנית תיקון שתבטיח אורך חיים אופטימלי ואת שלמות המבנה או האלמנט.

ציפוי והגנה על מוטות וברזל הזיון: באמצעות ציפוי צבע מתאים עוד לפני יציקת הבטון , תעניק הגנה מפני התפתחות קורוזיה עתידית , ובד בבד לאפשר ולשפר את החיבור בין הבטון לבין מוטות וברזל הזיון פעולה שתגדיל באופן ניכר את שטח המגע בין הברזל לבטון ובכך לסייע בחיזוק הנדסי של המבנה .

ציפוי חיצוני של צבע :ונוזלי הגנה למניעת חדירת נוזלים ולחות חומצית , להקטנת הספיגות הנימית והכוללת , ולגישור על סדקים נימיים , ולהעניק הגנה מפני עובש ופטריות, מניעת סדיקה והתפוררות וכמובן שיפור נראות כוללת של האלמנט הצבוע.

מערכות הגנה אלו תעניק הגנה מקסימלית , והיא הכרחית במיוחד באזורים לחים ובסביבה ימית , וכן תחזק ותאריך באופן משמעותי את אורך חיי הבטון ואו את שכבת הטיח.