Carbonatarea

Carbonatarea este un proces chimic , natural sau artificial, prin care o substanță , în prezența dioxidului de carbon , dă naștere la formarea de carbonați .

Acest fenomen este frecvent în materialele de construcție, cum ar fi lianții ( ciment , var etc.), în care hidroxidul de calciu , prezent în mod natural în ele, reacționează cu dioxidul de carbon rezultând în formarea carbonatului de calciu conform următoarei reacții:

Ca (OH) ₂ + CO ₂ → CaCO ₃ + H ₂ O

Carbonatarea poate avea efecte pozitive sau negative

Carbonatarea varului

În cazul mortarului de var de aer, carbonatarea are un efect pozitiv.

Acesta expus aerului, pierde inițial o parte din apa de amestecare prin evaporare și se stabilește, ulterior intrând în contact cu dioxidul de carbon atmosferic, acesta din urmă reacționează cu hidroxidul de calciu conținut în var, dând naștere carbonatului de calciu în conformitate cu următoarele reacţie:

Ca (OH) ₂ + CO ₂ → CaCO ₃ + H ₂ O

Carbonatul de calciu insolubil sudează împreună agregatele ( nisipul ) mortarului, care astfel se întărește și capătă o rezistență bună la compresiune.

Acest fenomen a stat la baza tehnicii picturii murale numită frescă .

Carbonatarea betonului

Efect scazut :
expunerea la fier și coroziune

În betonul armat , carbonatarea are un efect negativ și este una dintre principalele cauze ale degradării materialului.

În realitate, acest fenomen nu este periculos pentru betonul nearmat, deoarece nu provoacă daune mecanice și chimice (într-adevăr reduce porozitatea conglomeratului și poate duce la o creștere a rezistenței mecanice mai ales în cazul betoanelor obținute cu Portland ciment ), nici nu deteriorează direct tijele de armare ale betonului armat; cu toate acestea, în acest caz, carbonatarea creează condiții favorabile pentru inițierea coroziunii barelor de armare.

De fapt, hidratarea cimentului produce o anumită cantitate de hidroxid de calciu .

Prezența Ca (OH) ₂ face ca pH - ul betonului tânăr să fie de aproximativ 12,5 ÷ 13.

În acest mediu puternic alcalin (câmpul de imunitate al fierului) filmul de oxid care acoperă armăturile este compact și aderă la suprafața tijei, astfel încât tijele de armare sunt pasivate .

De fapt, în acest caz, patina de oxid împiedică atât oxigenul, cât și umiditatea să intre în contact cu metalul, transformându-l în rugină .

Cu toate acestea, atunci când dioxidul de carbon din aer este capabil să difuzeze din exterior în porii pietrei cimentare, se declanșează procesul de carbonatare care modifică proprietățile alcaline ale conglomeratului cimentar, deoarece reducerea consecventă a hidroxidului de calciu determină o scădere a pH-ul pastei de ciment (pentru un beton complet carbonatat, scade la aproximativ 8,5).

Scăderea pH-ului are loc, în mod evident, mai întâi în zonele corticale ale materialului și numai ulterior în cele mai interioare, în funcție de porozitate și / sau de gradul de fisurare al betonului.

În betoanele dense și compacte, carbonatarea afectează de obicei doar primii milimetri, dar în cele poroase și / sau crăpate poate pătrunde adânc pentru a traversa capacul de beton și a ajunge la armături.

Dacă stratul carbonatat afectează betonul care înconjoară armătura, odată cu scăderea pH-ului se pierde protecția anticorozivă a pastei de ciment și, prin urmare, fierul de armare nu mai este pasivat și în prezența umidității și a oxigenului se oxidează și se corodează, rezultând rugină .

Coroziunea fierelor de călcat se manifestă inițial cu apariția petelor de rugină în corespondență cu fisurile , ulterior aceste fisuri își vor mări lățimea în timp și în cele din urmă capacul de beton se poate desprinde din următoarele motive.

Coroziunea prezintă în mod substanțial următoarele fenomene degradante:

prima, cea mai periculoasă, se referă la reducerea secțiunii rezistente a tijei cu reducerea consecventă a sarcinii portante și a rezistenței la oboseală;
a doua implică crăparea învelișului de beton cu expulzarea locală consecutivă a învelișului de beton (fisurare sau spălare dacă expulzarea este unghiulară) sau delaminare totală (atunci când efectul perturbator afectează mai multe bare din apropiere); acest lucru se întâmplă atunci când tensiunile care sunt generate în beton datorită fenomenelor expansive care însoțesc formarea ruginii, depășesc rezistența la întindere a materialului. Bineînțeles, expulzarea capacului de beton determină expunerea completă a barelor la acțiunea agresivă a mediului, care este, prin urmare, accelerată.
al treilea implică reducerea aderenței oțel-beton care poate provoca chiar pierderea ancorajului cu consecințe foarte grave.
al patrulea, care afectează numai oțelurile cu un randament ridicat ( oțeluri armonice ), implică defecțiuni bruște datorate fragilizării hidrogenului .

În medii marine sau în prezența sărurilor de dezghețare, ionii de clor Cl ^- care datorită solubilității ridicate sunt capabili să pătrundă ușor în beton, chiar și cu pH ridicat (> 9) se pot dizolva local (în zonele în care concentrația de ioni clorură este mai mare) pelicula alcalină care protejează întăririle prin declanșarea coroziunii localizate (coroziunea prin pitting sau pitting ) a metalului subiacent.

Determinarea la fața locului a stratului carbonatat al unui beton se efectuează în mod normal folosind o soluție alcoolică de fenolftaleină ( test colorimetric al fenolftaleinei) care este pulverizată pe suprafața betonului care urmează să fie testată anterior dezbrăcată prin îndepărtarea conglomeratului de deasupra.

Testul colorimetric al fenolftaleinei poate fi efectuat și pe miezuri de beton luate de la un element, prin răspândirea soluției pe suprafața exterioară a miezului însuși imediat după îndepărtarea acestuia (pentru a evita carbonatarea prin contact direct cu aerul).

În zonele cu un pH mai mare de 9 (bogat în var), soluția conferă matricei de ciment o culoare roză tipică fenolftaleinei într-un mediu de bază, în timp ce îi lasă pe cei cu un pH mai mic incolor (beton carbonat).

Testul trebuie efectuat imediat după îndepărtarea betonului care se află deasupra, deoarece în timp stratul de suprafață al conglomeratului tinde să se carbonate după contactul cu CO ₂ prezent în aer.

Spre deosebire de fier, aluminiul , care este un metal amfoteric , se corodează în prezența apei și a unui mediu alcalin (pH> 9), în timp ce acest fenomen nu apare pentru pH între 4,5 și 9.

În cazul mediilor anhidre, fenomenele corozive pot să nu apară nici măcar pentru valorile care se încadrează în afara acestui interval.

Prin urmare, în betonul tânăr, aluminiul se corodează rapid și acest proces continuă până când umiditatea conglomeratului întărit rămâne ridicată, în timp ce în betonul uscat sau carbonat coroziunea este practic nulă.

Tendința de penetrare

Reacția de carbonatare începe pe suprafața exterioară a betonului și apoi începe să se propage în straturile cele mai interioare.

Tendința de penetrare urmează următoarea lege.

s=K{\sqrt[{n}]{t}}

{\ displaystyle s = K {\ sqrt [{n}] {t}}}

{\ displaystyle s = K {\ sqrt [{n}] {t}}}

unde este:

s este grosimea stratului carbonatat
t este momentul
n este un coeficient care depinde de porozitatea conglomeratului și este 2 pentru betoanele poroase (în acest caz legea devine $s={\sqrt {t}}$ ${\ displaystyle s = {\ sqrt {t}}}$ ${\ displaystyle s = {\ sqrt {t}}}$ deci tendința este parabolică) în timp ce este> 2 pentru cele compacte
K este un coeficient care depinde de condițiile de mediu și în special de umiditatea relativă a betonului, de concentrația de CO ₂ și de temperatură. Depinde, de asemenea, de alți parametri, cum ar fi alcalinitatea și impermeabilitatea betonului, de tipul și cantitatea de ciment, de gradul de hidratare, de raportul w / c, de compactarea și întărirea turnării.

Principalii parametri care influențează fenomenul

Umiditate relativă

Cinetica procesului de carbonatare variază în funcție de umiditatea betonului (care este în general cel mai important parametru care influențează carbonatarea), din două motive.

În primul rând, transportul dioxidului de carbon în interiorul conglomeratului are loc cu ușurință prin porii umpluți cu aer, în timp ce are loc mult mai lent în cei umpluți cu apă.

În consecință, rata de difuzie a CO ₂ scade odată cu creșterea umidității relative, mai semnificativ peste 80%) până când dispare practic în betonul saturat, prin urmare, atunci când conglomeratul este umed, încetează penetrarea dioxidului de carbon.

Pe de altă parte, reacția de carbonatare are loc numai în prezența apei, astfel încât, de fapt, pentru valori de umiditate mai mici de 40% nu are loc cu o viteză apreciabilă.

Din aceste două motive, intervalul de umiditate relativă în care rata de carbonatare este mai mare este între 50 și 80%.

Conținut de dioxid de carbon

Pe măsură ce concentrația de CO ₂ crește, viteza de penetrare a frontului carbonatat crește, în special până la niveluri de 3 ÷ 5%.

Temperatura

Creșterile de temperatură, alte condiții fiind egale și, în special, conținutul de umiditate, măresc viteza de penetrare.

Alcalinitatea betonului

Capacitatea unui beton de a fixa CO ₂ este proporțională cu alcalinitatea prezentă în pasta sa de ciment și, prin urmare, depinde liniar de cantitatea de ciment utilizată.

Alcalinitatea depinde și de tipul de ciment, de exemplu, în Portland, aproximativ 64% din greutatea cimentului este alcătuită din CaO, în timp ce în cimenturile pentru furnal (cu 70% zgură) procentul de CaO scade la 44%.

Raportul A / C

Fenomenul de carbonatare depinde de porozitatea și permeabilitatea betonului, care este o funcție a raportului w / c.

Pentru betoanele de calitate medie cu raporturi w / c mai mici de 0,60 acest fenomen este practic absent

Remedii

Principalul truc este reducerea raportului apă / ciment.

În acest caz, betonul compactat și întărit în mod adecvat va avea ca rezultat o parte corticală mai compactă și, prin urmare, mai impermeabilă atât CO _{2, cât} și alți agenți agresivi, și anume apă și oxigen.

O altă opțiune este aceea de a asigura grosimi adecvate ale capacului de beton .

UNI EN 1992-1-1, UNI EN 206 - 2006 și UNI 11104: 2004, privind menținerea gradului corect de durabilitate a betoanelor cu clase de expunere XC , impun restricții asupra acestor două cantități.

De asemenea, este mai convenabil să se adopte cimenturi cu un alt tip de amestec: formarea de silicați de calciu hidratați datorită hidratării zgurii sau a pozzolanului , adăugată celor produse în timpul hidratării clincherului Portland, determină un sistem mai bogat în material fibros și, prin urmare, mai puțin poros și mai puțin permeabil decât un ciment Portland cu același raport apă / ciment.

Mai mult, o cantitate mai mică de var este adăugată la cele de mai sus comparativ cu un ciment Portland echivalent, atât pentru că conținutul de clincher este mai mic, cât și pentru că o parte din acesta reacționează cu pozzolan sau zgură, care, în orice caz, este suficientă pentru a-l satura cu hidroxid. de calciu în apa conținută în porii capilari și, prin urmare, capabilă să garanteze matricei de ciment un pH (> 12) capabil să pasiveze armăturile.