Εισήγηση στην ηµερίδα του ΤΕΕ «ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΥΛΙΚΑ» 6 Νοεµβρίου 2007

ΧΡΗΣΗ ΝΕΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΥΞΗΣΗ ΤΗΣ ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑΣ

ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ

Γ. Μπατής, Καθηγητής ΕΜΠ

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ.

Ο συγγραφέας της εργασίας αυτής συχνά υπήρξε µάρτυρας περιπτώσεων ισχυρής διάβρωσης οπλισµού φερόντων στοιχείων, από οπλισµένο σκυρόδεµα, σε παραθαλάσσια κτίρια, λιµενικά έργα, βιοµηχανικές κατασκευές κ.α. Με την εργασία αυτή καταβάλλεται προσπάθεια να µεταφερθεί η σχετική εµπειρία στους ενδιαφερόµενους συναδέλφους. Επίσης επιχειρείται να δοθεί µία εικόνα όλων των νέων υλικών και µεθόδων ώστε να είναι δυνατή η σωστή και

Η παρούσα ανακοίνωση αποτελείται από δύο µέρη. Στο πρώτο διατυπώνονται οι διάφορες θεωρήσεις από ηλεκτροχηµικής απόψεως. Στο δεύτερο µέρος διατυπώνονται τα θέµατα από τεχνολογικής άποψης και γίνονται συστάσεις για τόσο για την πρόληψη του φαινοµένου της διάβρωσης όσο και για την επιτυχή αντιµετώπιση προβληµάτων σε υφιστάµενες κατασκευές. 2. ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ∆ΙΑΒΡΩΣΗΣ ΤΟΥ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΤΟ ΣΚΥΡΟ∆ΕΜΑ.

Στην γενική περίπτωση το σκυρόδεµα αποτελεί ένα προστατευτικό περιβάλλον του σιδηροοπλισµού για δύο λόγους:

Το υδατικό διάλυµα των πόρων του σκυροδέµατος είναι έντονα αλκαλικό εξαιτίας της υδρασβέστου [Ca(OH)2, προϊόν της αντίδρασης της ενυδάτωσης (σκλήρυνσης) του τσιµέντου, µε pH µεταξύ 12,5 και 13,9. Κάτω από αυτές τις συνθήκες ο χάλυβας καλύπτεται επιφανειακά από ένα παθητικό στρώµα οξειδίων σιδήρου που παρεµποδίζει την διάβρωσή του. Η διάβρωση του χάλυβα περιορίζεται στην συντήρηση του παθητικού αυτού στρώµατος, δράση εξαιρετικά αργή, που πρακτικά µπορεί να αγνοηθεί.

Το σκυρόδεµα αποτελεί ένα φυσικό εµπόδιο στην επαφή του οπλισµού µε τα διάφορα διαβρωτικά συστατικά του περιβάλλοντος (όπως οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα CO2, διοξείδιο του θείου SO2 κ.λ.π.) και άλλες ουσίες που βοηθούν την διάβρωση (όπως χλωριόντα Cl-).

Με την πάροδο του χρόνου το σκυρόδεµα µπορεί να χάσει την προστατευτική του ικανότητα λόγω ενανθράκωσης ή διείσδυσης χλωριόντων. Ενανθράκωση είναι η αντίδραση του διοξειδίου του άνθρακα µε το υδροξείδιο του ασβεστίου προς ανθρακικό ασβέστιο,

Ενίσχυση κτιρίων με σύγχρονα υλικά, ΤΕΕ, Αθήνα, 6 Νοεμβρίου, 2007 1

οπότε το pH µπορεί να αποκτήσει τιµές χαµηλότερες του 9,0 µε συνέπεια ο χάλυβας µεταπηδά από την παθητική στην ενεργή κατάσταση και η διάβρωση του οπλισµού αρχίζει. Ένας άλλος λόγος για την διάβρωση του οπλισµού είναι η παρουσία των χλωριόντων. Τα χλωριόντα διαπερνούν το παθητικό στρώµα των οξειδίων και προκαλούν διάβρωση µε βελονισµούς. Για να αρχίσει η διαβρωτική δράση των χλωριόντων αυτά πρέπει να υπερβούν µία ορισµένη τιµή, η οποία συνήθως εκφράζεται σε γραµµάρια χλωριόντων ανά 100 γραµµάρια τσιµέντου.

Η διάβρωση του οπλισµού του σκυρόδεµατος είναι µία ηλεκτροχηµική δράση, που λαµβάνει χώρα κάτω από ορισµένες προϋποθέσεις. Η ηλεκτροχηµική δράση απαιτεί την ύπαρξη ανόδου, καθόδου και ηλεκτρολύτου µέσω του οποίου διακινούνται τα ιόντα. Η διεξαγωγή των ηλεκτροχηµικών δράσεων πραγµατοποιείται στην διεπιφάνεια µετάλλου-ηλεκτρολύτη και ακολουθεί η µετακίνηση των ιόντων µέσω του ηλεκτρολύτη. Η ανοδική και η καθοδική δράση όπως και οι συνθήκες για την πραγµατοποίηση τους εµφανίζονται στο Σχήµα 1.

Σχήµα 1: Σχηµατισµός γαλβανικού στοιχείου στον σιδηροπλισµό σκυροδέµατος, µε

αποτέλεσµα την διάβρωση του οπλισµού (κατά Evans)

Θέση Αντίδραση Προϋποθέσεις Άνοδος Fe Fe2+ + 2e- Ενανθράκωση / Cl-

Κάθοδος ½ 2Ο2 + Η2Ο + 2ε- 2ΟΗ- Παρουσία Ο 2/Η2Ο Άνοδος – Κάθοδος Fe2+ + 2OH- Fe(OH) Αγωγιµότητα Σκυροδ/τος Άνοδος – Κάθοδος Fe(OH)2 +... O2 ... FeOOH Παρουσία Νερού

Ενίσχυση κτιρίων με σύγχρονα υλικά, ΤΕΕ, Αθήνα, 6 Νοεμβρίου, 2007 2

Σχήµα 2 Σχηµατική παράσταση δηµιουργίας ρωγµών στο σκυρόδεµα λόγω σχηµατισµού

προϊόντων διάβρωσης.

Η ανοδική και η καθοδική (ηλεκτροχηµική) δράση συµβαίνουν ταυτόχρονα σε διαφορετικές περιοχές του χάλυβα, ενώ ένας αριθµός ηλεκτρονίων µετακινείται µέσα στον χάλυβα. Ο λόγος σχηµατισµού στην επιφάνεια του χάλυβα ταυτόχρονα ανοδικών και καθοδικών περιοχών οφείλεται στην δηµιουργία τοπικών γαλβανικών στοιχείων.

Ένα κράµα όπως ο δοµικός χάλυβας από την µεταλλουργική διαδικασία παραγωγής του έχει αιτίες σχηµατισµού τοπικών γαλβανικών στοιχείων. Ανοµοιοµορφίες µικρής κλίµακας στην χηµική σύσταση του κράµατος, γεωµετρικές ανωµαλίες στην επιφάνεια, η ύπαρξη οξειδίων στην επιφάνεια οδηγούν στον σχηµατισµό τοπικών γαλβανικών στοιχείων µε µία διαφορά (ηλεκτρικού συνεχούς) δυναµικού της τάξης των µερικών δεκάδων mV. Οι διαφορές αυτές δυναµικού είναι αρκετές για να οδηγήσουν στον σχηµατισµό ανοδικών και καθοδικών περιοχών. Η δηµιουργία των τοπικών αυτών γαλβανικών στοιχείων είναι αποτέλεσµα της παραγωγικής διαδικασίας του χάλυβα. Εάν υπήρχε µόνο η διαδικασία αυτή διάβρωσης µέσω των τοπικών γαλβανικών στοιχείων τότε οι αστοχίες από την διάβρωση θα ήταν σηµαντικά µικρότερες από αυτές που έχουν παρατηρηθεί. Υπάρχει ένα ακόµη πιο επικίνδυνο είδος διάβρωσης µέσω των σχηµατιζόµενων γαλβανικών µακροστοιχείων. 3. Ο ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΜΑΚΡΟΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Τα µακροστοιχεία σε αντίθεση µε τα τοπικά γαλβανικά στοιχεία εµφανίζονται σε µεγάλες περιοχές του οπλισµού. Οφείλονται στην όλη συγκρότηση και λειτουργία του οπλισµένου σκυροδέµατος και όχι µόνο στον χάλυβα.

Ένα µακροστοιχείο δηµιουργείται και στην περίπτωση της επαφής δύο διαφορετικών µετάλλων. Εάν ένας επιψευδαργυροµένος (γαλβανιζέ) χάλυβας έλθει σε επαφή ηλεκτρικά αγώγιµη µε έναν κοινό χάλυβα µέσα στην µάζα του σκυροδέµατος δηµιουργείται γαλβανικό µακροστοιχείο λόγω διαφορετικών µετάλλων. Το ίδιο θα συµβεί και στην επαφή ανοξείδωτου χάλυβα µε κοινό χάλυβα.

Ενίσχυση κτιρίων με σύγχρονα υλικά, ΤΕΕ, Αθήνα, 6 Νοεμβρίου, 2007 3

Στην περίπτωση όµως του οπλισµένου σκυροδέµατος η δηµιουργία µακροστοιχείων οφείλεται σε επιδράσεις του περιβάλλοντος. Η δηµιουργία ενός µακροστοιχείου λόγω χλωριόντων εικονίζεται στα σχήµατα 3α, 3β, 3γ και 3δ. Λόγω του θαλασσίου περιβάλλοντος τα χλωριόντα εισέρχονται στο σκυρόδεµα από µία διεύθυνση, όπως δείχνει το σχήµα 3α. Τα χλωριόντα φθάνουν µετά από ένα χρονικό διάστηµα στους πρώτους οπλισµούς ενώ οι ευρισκόµενοι προς το εσωτερικό τµήµα του κτιρίου δεν έχουν γύρω τους χλωριόντα. Μεταξύ των εσωτερικών και εξωτερικών χαλύβων δηµιουργείται µέσω των συνδετήρων µακροστοιχείο, όπως εικονίζεται στο σχήµα 3β. Οι οπλισµοί που έχουν ήδη γύρω τους χλωριόντα αποτελούν την άνοδο ενώ οι οπλισµοί χωρίς χλωριόντα αποτελούν την κάθοδο του γαλβανικού στοιχείου, όπως φαίνεται στο σχήµα 3γ. Στο ίδιο σχήµα περιγράφονται και οι ηλεκτροχηµικές δράσεις του γαλβανικού µακροστοιχείου. Μέσω των πόρων του σκυροδέµατος αρχίζει η µεταφορά των ιόντων, όπως εµφανίζεται στο σχήµα 3δ.

Η ταχύτητα διάβρωσης εξαρτάται από την ένταση του ρεύµατος του γαλβανικών µακροστοιχείου. Η ένταση του ρεύµατος εξαρτάται από το δυναµικό του µακροστοιχείου, την ηλεκτρική αντίσταση του σκυροδέµατος και τον λόγο µεταξύ της ανοδικής προς την καθοδική επιφάνεια.

(α) ∆ιείσδυση των χλωριόντων µέχρι τους πρώτους οπλισµούς

(β) ∆ηµιουργία γαλβανικού µακροστοιχείου

(γ) Ηλεκτροχηµικές αντιδράσεις του

γαλβανικού µακροστοιχείου. (δ) Μεταφορά ιόντων

Σχήµα 3: Σχηµατισµός µακροστοιχείου σε σκυρόδεµα µε χλωριόντα

Γαλβανικά µακροστοιχεία επίσης εµφανίζονται όταν υπάρχουν: Περιοχές οπλισµένου σκυροδέµατος αεριζόµενες δίπλα σε µη αεριζόµενες.

Ενίσχυση κτιρίων με σύγχρονα υλικά, ΤΕΕ, Αθήνα, 6 Νοεμβρίου, 2007 4

Περιοχές οπλισµένου σκυροδέµατος υγρές δίπλα σε στεγνές. Περιοχές οπλισµένου σκυροδέµατος µε χαµηλό pH (λόγω ενανθράκωσης) δίπλα σε περιοχές µε υψηλό pH.

H ύπαρξη και λειτουργία γαλβανικών µακροστοιχείων οδηγεί σε διάβρωση µεγάλης

έκτασης και ταχύτητας που οδηγεί σε: Μείωση της διατοµής του οπλισµού, µε συνέπειες την µείωση της συνάφειας οπλισµού και σκυροδέµατος και τέλος στην µείωση της στατική ικανότητα της κατασκευής.

∆ηµιουργία ρωγµών λόγω του σχηµατισµού οξειδίων στην επιφάνεια του οπλισµού, τα οποία µε τον µεγαλύτερο του χάλυβα όγκο τους ασκούν εφελκυστικές τάσεις στο σκυρόδεµα. Όταν τα γαλβανικά µακροστοιχεία έχουν σχηµατιστεί θα πρέπει να ληφθούν µέτρα

για την εξαφάνιση τους. 4. Η ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ ∆ΙΑΒΡΩΣΗΣ ΤΟΥ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΤΟ ΣΚΥΡΟ∆ΕΜΑ.

Προκειµένου να αντιµετωπισθεί η διάβρωση του οπλισµού στο σκυρόδεµα η οποία οφείλεται είτε στην ενανθράκωση είτε στην είσοδο χλωριόντων στο σκυρόδεµα και ο σχετικός σχηµατισµός µακροστοιχείων η σηµερινή τεχνολογία προσφέρει διάφορες λύσεις. Οι λύσεις αυτές έχουν διαφορετικό κόστος εφαρµογής αλλά και διαφορετικούς χρόνους επέκτασης της διάρκειας ζωής της κατασκευής.

Πριν όµως από κάθε εφαρµογή λύσης προστασίας του οπλισµού θα πρέπει να αναφερθούν ορισµένα σχετικά, µετην ποιότητα του σκυροδέµατος η οποία ασκεί σηµαντικό ρόλο στην όλη αντίσταση κατά της διάβρωσης.

Η ποιότητα γενικώς του σκυροδέµατος ως γνωστόν εξαρτάται, πέραν των διαδικασιών παρασκευής του κυρίως από : - Την ποιότητα και την σωστή κοκκοµετρική διαβάθµιση των σκύρων - Την ποιότητα και το είδος του τσιµέντου - Την ποσότητα του νερού στην παρασκευή του σκυροδέµατος Παραπέµπουµε στα British Standards (ΒS) 6349 Code of Practice for Maritime Structures Part 1 για τα θέµατα αυτά.

Αντικειµενικός σκοπός ο περιορισµός των κενών του σκυροδέµατος. Τα χλωριόντα εισέρχονται στην µάζα του σκυροδέµατος δια των κενών.

Για τα σκύρα επιδιώκεται να µην υπάρχουν κενά στην µάζα τους δηλαδή να µην είναι πορώδη και προσεγµένης κοκκοµετρικής διαβάθµισης.

Για το τσιµέντο, δεν συνιστάται ο τύπος τσιµέντου ανθεκτικού σε θεϊκά (sulphate resisting). Για την περίπτωση αυτή υπάρχει συζήτηση µάλλον µεγάλη. Συνιστάται η χρήση τσιµέντου τύπου CEM IΙ ή IV κατά ΕΛΟΤ ΕΝ 197.

Για την αναλογία νερού προς τσιµέντο επιβάλλεται το πολύ 0.50 που είναι πολύ δύσκολο στην επεξεργασία του σκυροδέµατος

Πέραν των παραπάνω επιβάλλεται για τις κατασκευές η επικάλυψη του σιδηρού οπλισµού να είναι όχι µικρότερη από 6 εκ. και άνω.

Υπενθυµίζεται ότι οι έντονες διεργασίες πραγµατοποιούνται στην τριεπιφάνεια της όλης κατασκευής, δηλαδή εκεί που συναντάται, ο αέρας, η θάλασσα και το οπλισµένο

Ενίσχυση κτιρίων με σύγχρονα υλικά, ΤΕΕ, Αθήνα, 6 Νοεμβρίου, 2007 5

σκυρόδεµα. Επειδή δε η στάθµη της θάλασσας είναι µεταβλητή, η ευαίσθητη περοχή έχει διαστάσεις περίπου όση η µεταβολή της θάλασσας. Σε περιοχές όπου υπάρχει µεγάλο ύψος παλίρροιας η ευαίσθητη επιφάνεια φτάνει σε αρκετά µέτρα.

Τα παρακάτω είδη προστασίας, προσφέρει σήµερα η τεχνολογία για την αποτελεσµατική προστασία του σιδηρού οπλισµού.

• Καθοδική προστασία • Προσθήκη στο σκυρόδεµα αναστολέων διάβρωσης • Χρήση οργανικών επικαλύψεων (χρωµάτων) • H χρήση ανοξείδωτων χαλύβων

4.1. Η ΚΑΘΟ∆ΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ.

Η αντιµετώπιση του σχηµατισµού των γαλβανικών στοιχείων, όταν αυτά ήδη έχουν σχηµατισθεί και έχουν προξενήσει βλάβες είναι αρκετά δύσκολη. Εάν π.χ. έχει σχηµατισθεί γαλβανικό µακροστοιχείο λόγω διάχυσης χλωριόντων από το περιβάλλον σε ένα οπλισµένο σκυρόδεµα και η διάβρωση έχει ήδη προχωρήσει, η κάλυψη του οπλισµένου σκυροδέµατος µε µανδύα δεν προσφέρει προστασία. Το παλαιό µακροστοιχείο εξακολουθεί να υπάρχει και να λειτουργεί. ΠΡΟΣΟΧΗ1 Ακόµη η ύπαρξη νέου οπλισµού στο νέο σκυρόδεµα που συγκολλάται µε τον παλαιό οπλισµό επιτείνει την διαβρωτική δράση του γαλβανικού µακροστοιχείου. Ο παλαιός οπλισµός εξακολουθεί να διαβρώνεται και να ασκεί εφελκυστικές τάσεις στο σκυρόδεµα και εποµένως η δηµιουργία και νέων ρωγµών αργά ή γρήγορα θα συµβεί.

Στις περιπτώσεις αυτές η µέθοδος της καθοδικής προστασίας µπορεί να δώσει αποτελεσµατική λύση. Η εφαρµογή της καθοδικής προστασίας βασίζεται στην ύπαρξη πηγής συνεχούς ρεύµατος και βοηθητικής ανόδου κοντά στην επιφάνεια του σκυροδέµατος, όπως φαίνεται στο σχήµα 4. Ο οπλισµός συνδέεται ηλεκτρικά αγώγιµα µε τον αρνητικό πόλο της πηγής του συνεχούς ρεύµατος. Η βοηθητική άνοδος συνδέεται µε τον θετικό πόλο της πηγής συνεχούς ρεύµατος.

Το εξωτερικά εφαρµοζόµενο δυναµικό (από την πηγή συνεχούς ρεύµατος) εξαλείφει την επίδραση των µακροστοιχείων. Ο οπλισµός τώρα σε όλη του την έκταση συµπεριφέρεται σαν κάθοδος όπου πραγµατοποιείται µόνο η µετατροπή του οξυγόνου προς υδροξύλιο. Η δράση των χλωριόντων ή των άλλων διαβρωτικών ανιόντων µεταφέρεται στην βοηθητική άνοδο. Η µέθοδος της καθοδικής προστασίας εφαρµοζόµενη σωστά µπορεί πρακτικά να µηδενίσει την διάβρωση του οπλισµού. Η εφαρµογή της είναι δυνατή τόσο σε κατασκευαζόµενες όσο και σε ήδη υπάρχουσες κατασκευές. Η εξειδίκευση και σχεδόν η συνεχής παρακολούθηση και εγκατάσταση µπορεί να είναι αποτρεπτική για την επιλογή.

Η προστατευτική επίδραση της καθοδικής προστασίας είναι φανερό ότι διαρκεί όσο υπάρχουν άνοδοι. Η αντικατάσταση των ανόδων είναι ένα τεχνικά πολύ δύσκολο πρόβληµα. Για να επιτευχθεί µεγάλη διάρκεια ζωής των ανόδων, οι άνοδοι κατασκευάζονται από τιτάνιο. Είναι γνωστό ότι η αντοχή του τιτανίου στην διάβρωση ιδιαίτερα σε συνθήκες ανοδικής φόρτισης, είναι µεγάλη διότι σχηµατίζεται οξείδιο τιτανίου (TiO2) το οποίο σχηµατίζει ένα ιδιαίτερα παθητικό στρώµα που προστατεύει το τιτάνιο από την διάβρωση. Ακόµη αξίζει να σηµειωθεί ότι ο µοριακός όγκος του τιτανίου δεν διαφέρει σηµαντικά από τον µοριακό όγκο του οξειδίου.

Ενίσχυση κτιρίων με σύγχρονα υλικά, ΤΕΕ, Αθήνα, 6 Νοεμβρίου, 2007 6

Το ίδιο αποτέλεσµα µπορεί να προκύψει µε την χρήση θυσιαζοµένων ανόδων αντί της παροχής συνεχούς ηλεκτρικού ρεύµατος από εξωτερική πηγή (µετασχηµατιστής-ανορθωτής). Η θυσιαζόµενη άνοδος θα πρέπει να είναι κατασκευασµένη από υλικό που ευρίσκεται υψηλότερα από τον χάλυβα στην ηλεκτροδιακή σειρά π.χ. από ψευδάργυρο. Στην περίπτωση αυτή το πλέγµα ψευδαργύρου συνδέεται αγώγιµα µε τον οπλισµό.

Ας σηµειωθεί ότι οι θυσιαζόµενες άνοδοι όταν εξαντληθούν αντικαθίστανται.. Στην περίπτωση κατασκευής έργων µε κυψελωτά κιβώτια απο οπλισµένο σκυρόδεµα

τοποθετήθηκε ως οπλισµός διανοµής στην περιοχή της τριεπιφάνειας αντί ράβδων χάλυβος, ράβδοι ίδιας περίπου διατοµής, από ψευδάργυρο.

Σχήµα 4:

Η αρχή της καθοδικής προστασίας του σιδηροπλισµού στο σκυρόδεµα. Ο οπλισµός συνδέεται µε τον αρνητικό πόλο πηγής συνεχούς ρεύµατος. Ο θετικός πόλος συνδέεται µε την άνοδο. Η άνοδος τοποθετείται στην επιφάνεια του σκυροδέµατος ας πούµε 2-3 εκ. πιο κάτω αποτελείεται δε,.από Τιτάνιο ή Ψευδάργυρο. Το εξωτερικά εφαρµοζόµενο δυναµικό εξαλείφει την επίδραση των µακροστοιχείων. Στον χάλυβα πραγµατοποιείται µόνο η µετατροπή του οξυγόνου προς υδροξύλιο. Τα χλωριόντα πηγαίνουν στην άνοδο και η διάβρωση µεταφέρεται από τον χάλυβα στην άνοδο. 4.2. ΑΝΑΣΤΟΛΕΙΣ ∆ΙΑΒΡΩΣΗΣ

Ενίσχυση κτιρίων με σύγχρονα υλικά, ΤΕΕ, Αθήνα, 6 Νοεμβρίου, 2007 7

Η βασική αρχή των Αναστολέων ∆ιάβρωσης στηρίζεται στην δηµιουργία ενός λεπτού χηµικού µονοµοριακού ή διµοριακού στρώµατος στην επιφάνεια του υπό προστασία χάλυβα. Το στρώµα αυτό λειτουργεί ως ένα φυσικό εµπόδιο έναντι των διαβρωτικών στοιχείων του περιβάλλοντος.

Οι αναστολείς διάβρωσης κατατάσσονται σε ανοδικούς καθοδικούς και µικτούς. Οι ανοδικοί αναστολείς διάβρωσης επιδρούν στα ήδη υπάρχοντα προϊόντα της διάβρωσης και σχηµατίζουν ένα µη διαλυτό και πολύ συνεκτικό λεπτό φιλµ στην επιφάνεια του µετάλλου σταµατώντας έτσι την αντίδραση διάβρωσης στην ανοδική περιοχή. Η απόδοση τους εξαρτάται από το λόγο συγκέντρωσης τους ως την συγκέντρωση των χλωριόντων. Οι καθοδικοί αναστολείς διάβρωσης επιδρούν στην καθοδική περιοχή µειώνοντας την ταχύτητα της καθοδικής δράσης, ενώ οι µικτοί αναστέλλουν την διάβρωση επιδρώντας και στην ανοδική και στην καθοδική περιοχή.

Γενικά κάθε κατηγορία από τους παραπάνω αναστολείς διάβρωσης περιέχει συστατικά τα οποία λειτουργούν µε έναν από τους ακόλουθους µηχανισµούς - ∆ηµιουργία ενός προστατευτικού φιλµ οξειδίων το οποίο παθητικοποιεί την επιφάνεια του χάλυβα. - Επίδραση στο διαβρωτικό περιβάλλον το οποίο έρχεται σε επαφή µε το µέταλλο.

Οι αναστολείς διάβρωσης είναι αποτελεσµατικοί όταν η χηµική τους σύσταση πλήρη τα παρακάτω κριτήρια:

• Το µονοµοριακό στρώµα το οποίο δηµιουργούν στην επιφάνεια του υπό προστασία οπλισµού να είναι ισχυρός δέκτης ηλεκτρονίων ή δότης ή και τα δύο.

• Να είναι λειτουργικοί στο pH και στην θερµοκρασία του περιβάλλοντος σκυροδέµατος στο οποίο χρησιµοποιούνται.

• Να είναι συµβατοί µε το όλο σύστηµα έτσι ώστε να µην προκαλούν αρνητικές δράσεις τόσο στις µηχανικές όσο και στις φυσικοχηµικές ιδιότητες του σκυροδέµατος.

Θα πρέπει επίσης να σηµειωθεί ότι οι αναστολείς διάβρωσης λόγο ότι καταναλώνονται µε την πάροδο του χρόνου λειτουργούν για συγκεκριµένα κάθε φορά όρια συγκέντρωσης χλωριόντων εάν η δοσολογία τους είναι µικρότερη από την κατανάλωση τους µέσα στο σκυρόδεµα τότε δηµιουργείται το πρόβληµα της εντοπισµένης διάβρωσης.

Στο εµπόριο κυκλοφορούν σε υγρά κατάσταση προϊόντα, τα οποία χρησιµοοιούνται σαν πρόσθετα υγρά κατά της παρασκευής σκυροδέµατος.

Η εφαρµογή της µεθόδου είναι πιο φτηνή από την καθοδική προστασία. 4.3 ΟΙ ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ.

Η χρήση διαφόρων οργανικών προστατευτικών επικαλύψεων επί του σκυροδέµατος (χρώµατα, βερνίκια) για την προστασία του οπλισµένου σκυροδέµατος είναι πολύ συνηθισµένη µέθοδος προστασίας, κυρίως σε κατασκευές µεγάλης κλίµακας, όπου η µακροχρόνια ανθεκτικότητα της κατασκευής και η καλή λειτουργία της είναι ιδιαίτερα σηµαντικοί παράγοντες. Οι επικαλύψεις αυτές προβάλλουν ένα φράγµα µεταξύ του σκυροδέµατος και του εξωτερικού περιβάλλοντος, το οποίο περιέχει βλαβερά για το σκυρόδεµα στοιχεία, όπως άλατα χλωρίου, διοξείδιο του θείου και διοξείδιο του άνθρακα.

Προκειµένου οι οργανικές επικαλύψεις να µπορούν να προστατεύσουν επιτυχώς το σκυρόδεµα, πρέπει να εκπληρούν τις ακόλουθες προϋποθέσεις:

Ενίσχυση κτιρίων με σύγχρονα υλικά, ΤΕΕ, Αθήνα, 6 Νοεμβρίου, 2007 8

• Να έχουν καλή συνάφεια µε το σκυρόδεµα ακόµη και όταν το σκυρόδεµα είναι υγρό.

• Να είναι ανθεκτικά στην υψηλή αλκαλικότητα του σκυροδέµατος. • Να µπορούν να διεισδύουν στους πόρους και τις ρωγµές (µικρότερες από 0,3

mm)του σκυροδέµατος. • Να έχουν καλή αντοχή στην υπεριώδη (UV) ακτινοβολία. • Να έχουν καλή µηχανική αντοχή. • Να παρεµποδίζουν την είσοδο νερού. • Να επιτρέπουν την διέλευση υδρατµών. • Να παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση στην διέλευση διοξειδίου του θείου και

διοξειδίου του άνθρακα. Προκειµένου να έχουν αυτές τις ιδιότητες-προδιαγραφές στην πράξη εφαρµόζονται µε

ένα χέρι υποστρώµατος (ασταριού) προκειµένου να υπάρχει καλή πρόσφυση και στη συνέχεια δύο χέρια οργανικής επικάλυψης (χρώµατος).

Κατηγορίες χρωµάτων όπως τα χρώµατα σιλοξάνης, σιλικόνης, ακρυλικές διασπορές, πολυµεριζόµενα χρώµατα, χρώµατα πολυπροσθήκης και χλωριοµένου καουτσούκ εκπληρούν τις απαιτήσεις αυτές. Στην πράξη οι ακρυλικές διασπορές και το χλωριοµένο καουτσούκ εφαρµόζονται για την προστασία από την ενανθράκωση και τα χρώµατα εποξεικών ρητινών, πολυουρεθάνης και χλωριοµένου καουτσούκ εφαρµόζονται για την προστασία από την διείσδυση χλωριόντων.

4.4 ΑΝΟΞΕΙ∆ΩΤΟΙ ΧΑΛΥΒΕΣ Για την αποφυγή προβληµάτων διάβρωσης η χρήση ανοξείδωτων χαλύβων οπλισµού,

σε κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος σε όλο τον κόσµο, αλλά και στην Ελλάδα, θεωρείται πως αποτελεί µια αξιόπιστη λύση (Broomfield, 1997).

Η βασική τους ιδιότητα είναι η µεγαλύτερη αντίσταση στη διάβρωση, ακόµη και όταν βρίσκονται και στο πιο δραστικό περιβάλλον, που θα κατέστρεφε ταχύτητα τους κοινούς χάλυβες (Bertolini et al., 2000). Συνήθως, γίνεται µόνο µερική αντικατάσταση των ανθρακούχων χαλύβων, σε τµήµατα της κατασκευής που υποφέρουν περισσότερο και σπανιότερα πλήρης αντικατάσταση αυτών, σε κατασκευές, όπου υπάρχει έντονο διαβρωτικό περιβάλλον και ειδικότερα σηµαντική παρουσία χλωριόντων, ενώ παράλληλα είναι ζητούµενο η µεγαλύτερη διάρκεια ζωής της κατασκευής. Με τη χρήση των ανοξείδωτων χαλύβων, σχηµατίζεται στην επιφάνειά τους ένα πολύ λεπτό στρώµα οξειδίου του χρωµίου, µε εξαιρετική πρόσφυση σε αυτήν, το οποίο αποµονώνει πλέον το υλικό και το προστατεύει σαν ασπίδα από τη διαβρωτική δράση (Gardner L., 2005). Πρόκειται για µια προστασία θερµοδυναµικού τύπου, καθώς αυτό το προστατευτικό παθητικό στρώµα είναι σε θέση να αυτο-ξαναδηµιουργηθεί σε περίπτωση τοπικών αφαιρέσεων του υλικού, π.χ. εκδορών κ.λπ. Υπάρχουν πάνω από 60 κατηγορίες ποιότητας ανοξείδωτων χαλύβων. Η επιλογή είναι θέµα σχεδιασµού και συναρτάται µε την επιζητούµενη κατά περίπτωση αντίσταση στη διάβρωση, τις αναγκαίες µηχανικές αντοχές και φυσικά το κόστος.

Κατατάσσονται σε τέσσερις βασικούς τύπους, ανάλογα µε τη µικρογραφική τους δοµή και σε κάθε περίπτωση περιέχουν ελάχιστο άνθρακα: • Μαρτενσιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες

Ενίσχυση κτιρίων με σύγχρονα υλικά, ΤΕΕ, Αθήνα, 6 Νοεμβρίου, 2007 9

• Φερριτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες • Ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες • Φερριτο-ωστενιτικοί (duplex) ανοξείδωτοι χάλυβες

Στις κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος, χρησιµοποιούνται βασικά οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες. Έχουν αυξηµένα ποσοστά Νικελίου (από 8 έως και 25%) και χρωµίου (από 17 έως και 25%). Η προσθήκη Μολυβδαινίου (σε ποσοστά έως και 7%), αυξάνει την αντίσταση σε διάβρωση. ∆εν σκληρύνονται µε θερµική κατεργασία, ενώ αντίθετα µπορούν να διαµορφωθούν εν ψυχρώ για βελτίωση των αντοχών τους. Έχουν καλή συµπεριφορά σε χαµηλές και ψηλές θερµοκρασίες και µπορούν να συγκολληθούν µεταξύ τους Πιο γνωστές κατηγορίες είναι AISI 304 και AISI 316 (Blanco G. Et al, 2006). Αυτή την στιγµή στην Ελλάδα, δεν υπάρχει Πρότυπο που να προδιαγράφει τις ιδιότητες των ανοξείδωτων χαλύβων οπλισµού και χρησιµοποιούνται ως βάση αναφοράς Εθνικά Πρότυπα άλλων χωρών. ∆εν υπάρχει επίσης συστηµατική διερεύνηση των µηχανικών χαρακτηριστικών, όπως επίσης και του βαθµού προστασίας από την διάβρωση, µε τρόπο που αυτό να λαµβάνεται υπόψη στο σχεδιασµό των έργων (π.χ πιθανή µείωση επικάλυψης σκυροδέµατος). Όπως ήδη αναφέρθηκε λόγω της υψηλής τιµής των ανοξείδωτων χαλύβων γίνεται µερική αντικατάσταση του οπλισµού. Για τον λόγο αυτό δηµιουργείται γαλβανικό στοιχείο µεταξύ ανοξείδωτων και συµβατικών χαλύβων. Εάν θεωρήσουµε ότι ο συµβατικός χάλυβας ευρίσκεται σε υγιές σκυρόδεµα και ο ανοξείδωτος σε σκυρόδεµα µε χλωριόντα (ή ενανθρακωµένο) τότε η άνοδος του γαλβανικού στοιχείου ευρίσκεται στον ανοξείδωτο χάλυβα. Εποµένως η διάβρωση του ανοξείδωτου χάλυβα επιταχύνεται ενώ ο συµβατικός προστατεύεται. Η ταχύτητα διάβρωσης του ανοξείδωτου χάλυβα, παρά την ύπαρξη του γαλβανικού στοιχείου, παραµένει πολύ µικρότερη από την διάβρωση του χάλυβα οπλισµού σκυροδέµατος. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ.

Οι µέθοδοι προστασίας του οπλισµού από την διάβρωση που προαναφέρθηκαν προσφέρουν διαφορετικούς χρόνους ζωής, έχουν διαφορετικό κόστος εφαρµογής αλλά και βασικές προϋποθέσεις για την επιτυχή εφαρµογή τους:

• Απαραίτητη προϋπόθεση για την περαιτέρω προστασία του σιδηροπλισµού είναι η σωστή παρασκευή του σκυροδέµατος σύµφωνα µε τους κανόνες διεθνούς ισχύος που επιβάλλονται από τους κανονισµούς Η ανάµειξη θηραϊκής γης µε σιµέντο Portland σε αναλογία 10%-20% δίνει σε συνδυασµό µε τις στην συνέχεια κατά το µάλλον ή ήττον, βέβαιες λύσεις προστασίας ένα πολύ καλό αποτέλεσµα.

• Η µέθοδος της καθοδικής προστασίας παρέχει την µεγαλύτερη διάρκεια ζωής της κατασκευής, η οποία µπορεί να φθάσει µέχρι και 500!!! όµως χρόνια. Είναι σχετικά ακριβή λύση. Για την σωστή εφαρµογή της απαιτείται σωστή αναλογία µεταξύ της επιφάνειας των ανόδων και της επιφάνειας του οπλισµού. Στην περίπτωση που παρέχεται εξωτερικά, (µέσω µετασχηµατιστή-ανορθωτή) συνεχές ρεύµα, απαιτείται και παρακολούθηση της λειτουργίας της καθοδικής προστασίας.

Ενίσχυση κτιρίων με σύγχρονα υλικά, ΤΕΕ, Αθήνα, 6 Νοεμβρίου, 2007 10

• Η µέθοδος των αναστολέων διάβρωσης είναι η πιο απλή µια και δεν απαιτείται παρά µόνο η αρχική ανάµιξη του αναστολέα διάβρωσης στο σκυρόδεµα. Είναι σηµαντικά φθηνότερη λύση από την καθοδική προστασία. Προσφέρει τον διπλασιασµό του χρόνου ζωής µιας κατασκευής. Προϋπόθεση της επιτυχούς εφαρµογής της είναι η προσθήκη σωστής ποσότητας αναστολέα διάβρωσης στο σκυρόδεµα. Η ποσότητα αυτή προσδιορίζεται από την αναµενόµενη ποσότητα χλωριόντων κατά την διάρκεια ζωής της κατασκευής.

• Η µέθοδος των οργανικών επικαλύψεων (χρωµάτων) είναι µια απλή και φθηνή λύση. Απαραίτητη προϋπόθεση για την σωστή εφαρµογή της είναι η χρήση του κατάλληλου υποστρώµατος (αστάρι) πριν την εφαρµογή της επικάλυψης. Η παράλειψη της χρήσης υποστρώµατος (αστάρι) θα οδηγήσει στην αποκόλληση του χρώµατος από την επιφάνεια του σκυροδέµατος και αστοχία της επικάλυψης. Επίσης πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι όλες οι οργανικές επικαλύψεις προσβάλλονται από την υπεριώδη ακτινοβολία που περιέχεται στο ηλιακό φως. Εποµένως η επαναβαφή τµηµάτων της κατασκευής τα οποία «βλέπει» ο ήλιος είναι πιθανή για την σωστή προστασία της κατασκευής από οπλισµένο σκυρόδεµα.

• Η χρήση των ανοξείδωτων χαλύβων είναι µία καλή αλλά σχετικά ακριβή λύση στα προβλήµατα διάβρωσης του οπλισµού. Για τον λόγο αυτό προτιµάται η µερική αντικατάσταση του οπλισµού στις πιο επικίνδυνες περιοχές από άποψη διάβρωσης του κτιρίου.

6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ. Atis C. D., 2003, “Accelerated carbonation and testing of concrete made with fly ash”, Construction and Building Materials, 17, pp 147-152. Al-Khaiat H., Fattuhi N., 2002, “Carbonation of concrete exposed to hot and arid climate”, Journal of materials in civil engineering, April, pp 97-107. Batis G., Rakanta E., Theodoridis B., Sideris K.K., Psomas K., Barbari X., 2003,“Influence on N,N’-Dimethylaminoethanol corrosion inhibitor on carbonation and chloride-induced corrosion of steel”, Seventh CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and other Chemical Admixtures in Concrete, Berlin, Germany, pp 469-475. Batis G, Drettas Gr, 1995, Proposal for repair and installation of a system of cathodic protection for Port of East Africa damaged by chlorids Broomfield J., 1997, “Corrosion of steel in concrete understanding, investigation and repair”, E & FN SPON, UK. Drettas G, Wardley D., 1995, Investigation and proposal for repair of corrosion in a Port of East Africa Malami Ch., Kaloidas V., Batis G., Kouloumbi N., 1994 ‚“Carbonation and porosity of mortar specimens with pozzolanic and hydraylic cement admixtures“, Cement and Concrete Research, Vol. 24, No 8, pp1444-1454. Goni S., Guerrero A., 2003, “Accelerated carbonation of Friedel’s salt in calcium aluminate cement paste”, Cement and Concrete Research, 33, pp 21-26. Μπατής Γ., Πανταζοπούλου Π., 1997, «Συγκριτική εξέταση της ανθεκτικότητας οπλισµένου σκυροδέµατος µε ανόργανες και οργανικές επικαλύψεις», 6ο Συµπόσιο Χρωµάτων, 8-9 Μαΐου 1997, Αθήνα, σελ. 101-112.

Ενίσχυση κτιρίων με σύγχρονα υλικά, ΤΕΕ, Αθήνα, 6 Νοεμβρίου, 2007 11

Μπατής Γ., Πανταζοπούλου Π., 1999, «Συγκριτική εξέταση της ανθεκτικότητας οπλισµένου σκυροδέµατος µε επικαλύψεις και αναστολείς διάβρωσης» , 7ο Συµπόσιο Χρωµάτων, 13-14 Μαΐου 1999, Αθήνα, σελ. 71-88. Μπατής Γ., Τεταγιώτη ∆.,2003 «Η ενανθράκωση του σκυροδέµατος», Σκυρόδεµα, Τεύχος 8, Οκτώβριος 2003, σελ. 4-12. Μπατής Γ., Τεταγιώτη ∆., 2004, «Η επίδραση των χλωριόντων στη διάβρωση του οπλισµού», Σκυρόδεµα, Τεύχος 7, Φεβρουάριος 2004, σελ. 10-18. Μπατής Γ., Ρακαντά Ε., Ντάφλου Ε., Χατόγλου Ε., Παπαγεωργίου Ε., Κ. Κ. Σίδερης, 2004, « Μελέτη της προστασίας του σκυροδέµατος από ενανθράκωση µε οργανικές επικαλύψεις»,9ο Συµπόσιο Χρωµάτων, Οκτώβριος 2004, σελ. 71-82 . Μπατής Γ., Ρακαντά Ε., Μελετίου Κ. Α., 2004, «Προβλήµατα διάβρωσης οπλισµού κτιρίων Ο. Σ. στην Ελλάδα», Σκυρόδεµα, Τεύχος 8, σελ. 70-81. Μπατής Γ., Ρακαντά Ε., Ντάφλου Ε., Χατόγλου Ε., Παπαγεωργίου Ε., Κ. Κ. Σίδερης, 2005, «Συµβολή στην µελέτη της προστασίας του σκυροδέµατος από ενανθράκωση µε οργανικές επικαλύψεις», Σκυρόδεµα, Τεύχος 1, σελ. 52-58. Nuemberger U., 1991, Korrosionsschutz im Massivbau, Expert Verlag, pp 20-23. Χρονόπουλος Μ., Σπανός Χ., 1991, «Κατασκευές Ω.Σ. και περιβαλλοντικές δράσεις», 10ο Ελληνικό Συνέδριο Σκυροδέµατος, Ρόδος, 1991, σελ. 114-123. Steffens A., Dinkler D., Ahrens H., 2002, “Modeling carbonation for corrosion risk prediction of concrete structures”, Cement and Concrete Research, 32, 2002, pp 935-941. Μαυροειδής Π., Ρακαντά Ε., Μπατής Γ., «Ανοξείδωτοι χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος, Μηχανικές ιδιότητες και συµπεριφορά απέναντι στη διάβρωση», 15ο Συνέδριο Σκυροδέµατος, Αλεξανδρούπολη, 2006, σελ. 598-608. Μπατής Γ., Ρακαντά Ε., «Η καθοδική προστασία του οπλισµού στο σκυρόδεµα», Σκυρόδεµα, Τεύχος 3, 2006, σελ. 72-83

Ενίσχυση κτιρίων με σύγχρονα υλικά, ΤΕΕ, Αθήνα, 6 Νοεμβρίου, 2007 12