​​Dlaczego beton pęka? Część 1- główne powody

Beton jest najbardziej powszechnym materiałem budowlanym na świecie. Od czasu wynalezienia współczesnego cementu przez Louisa Vicata w 1817 prace badawczo-rozwojowe poprawiły jego właściwości: aplikacja została ulepszona, zwiększono wytrzymałość mechaniczną i odporność chemiczną oraz opracowano nowe materiały takie jak beton sprężony. Czy przez te lata beton stał się doskonały? Przyglądając się uważnie wielu betonowym konstrukcjom które nas otaczają, wliczając w to nawet najnowsze budynki widzimy że żadna z tych struktur nie jest całkowicie nienaruszona. Podkreśla to nieuniknioną słabość betonu: tendencję do pękania. Pękanie pogarsza czynnik, który sprawił że beton stał się tak popularny: jego kompatybilność ze stalą i zdolność betonu zbrojeniowego do spełniania wymagań dla zaawansowanego materiału budowlanego. Czy jednak wszystkie pęknięcia są takie same? Zdecydowanie nie! W rzeczywistości pęknięcia mogą być spowodowane kilkoma różnymi czynnikami takimi jak deformacja, skurcz hydrauliczny, skurcz termiczny lub pęcznienie. Główne różnice wyjaśnione zostały poniżej.

Pęknięcia spowodowane deformacją

Siły przyłożone do konstrukcji, siły rozciągające, ściskające lub ścinające do betonu. Siły te powodują odkształcenia, które mogą prowadzić do pękania. Lokalizacja i geometria pęknięcia na strukturze jest często charakterystyczna; przyczynę można następnie zidentyfikować obserwując pęknięcia.  

• Pęknięcia spowodowane ściskaniem są równoległe do przyłożonej siły
• Pęknięcia spowodowane rozciąganiem są prostopadłe do przyłożonej siły
• Pęknięcia ścinające są prostopadłe do naprężenia rozciągającego

​Wytrzymałość betonu na rozciąganie stanowi tylko około jednej dziesiątej jego wytrzymałości na ściskanie, dlatego beton prawie nigdy nie jest używany bez wzmocnienia. Najszerzej stosowanym rodzajem zbrojenia jest użycie stalowych prętów zbrojeniowych w obszarach narażonych na naprężenia rozciągające. Ten rodzaj betonu jest powszechnie określany jako „beton zbrojony". Inne rodzaje zbrojenia mogą obejmować włókna syntetyczne. Pęknięcia deformacyjne są spowodowane głównie osiadaniem gleby lub zbyt dużymi obciążeniami dla konstrukcji.

Pęknięcia spowodowane skurczem hydraulicznym

Kawałek betonu na otwartym powietrzu zwykle kurczy się podczas twardnienia. Skurcz ten wynika z odparowania części wody zawartej w betonie. Pęknięcia powstają gdy siły skurczu stają się większe niż wytrzymałość betonu. Można to postrzegać jako wyścig z czasem pomiędzy dwoma zjawiskami: parowaniem wody i wzrostem wytrzymałości betonu. Dotyczy to również części betonowych, które nie mogą się odkształcać. W przypadku skurczu nie może wystąpić deformacja. Warunki te powodują naprężenia wewnętrzne, które prowadzą do pękania, gdy naprężenie to przekracza wytrzymałość betonu. Należy też wspomnieć że każda betonowa konstrukcja która zanurzona jest lub umieszczona w atmosferze nasyconej wilgocią ma bardzo małą zmienność wymiarów. Pękanie może mieć miejsce zanim beton będzie gotowy. Nie jest to wyłącznie efekt skurczu hydraulicznego, ale raczej skurczu spowodowanego parowaniem części wody lub absorpcją podłoża. Zjawisko to dotyczy głównie nawierzchni wylanych w czasie gorącej i suchej pogody lub betonu układanego w chłodne dni w ogrzewanych pomieszczeniach lub na porowatym podłożu. Pęknięcia występują w określonych obszarach, takich jak betonowe połączenia i w pobliżu wzmocnień.

Pęknięcia spowodowane skurczem termicznym

Problem ten dotyczy głównie większych konstrukcji. Uwodnienie cementu jest reakcją egzotermiczną, wytwarzającą ciepło, które z czasem się rozprasza. Zmiana temperatury, która również nie jest równa we wszystkich częściach struktury, powoduje deformację różnicową, która może prowadzić do pękania.

Pęknięcia spowodowane pęcznieniem

Istnieje kilka czynników które mogą powodować pęcznienie betonu. Najbardziej znaczące z nich przedstawione są poniżej. Beton może pęcznieć z powodu soli takich jak siarczany, które mogą być zawarte w ziemi w bezpośrednim kontakcie z betonem. Prowadzi to do reakcji chemicznej z glinianem w samym cemencie tworząc ekspansywną substancję. Pęcznienie może również wystąpić w wyniku zamrożenia wolnej wody w betonie, który zwiększa swoją objętość, podczas zamieniania w lód. Wreszcie, pęcznienie może być spowodowane przez utlenianie wewnętrznego zbrojenia w betonie, zjawisko, które jest przyspieszane przez obecność pęknięć! Wszystkie te zjawiska, nawet o różnym charakterze, prowadzą do tego samego rezultatu: stworzenia wewnętrznych sił rozciągających, które doprowadzą do pojawienia się pęknięć, jeśli przekroczą wytrzymałość betonu.

Pęknięcia spowodowane korozją stalowego zbrojenia

Beton jest wysoce zasadowy i dlatego chroni zbrojenie stalowe, sprawiając, że zbrojony beton jest materiałem wyjątkowo trwałym. Niemniej jednak pręty zbrojeniowe mogą w pewnych warunkach korodować tworząc rdzę. Ponieważ objętość powstających produktów korozji (rdzy) jest większa niż objętość początkowego pręta zbrojeniowego, powoduje to naprężenie rozciągające betonu. W przypadku zaawansowanej korozji beton może pękać i rozwarstwiać się. Głównymi przyczynami korozji stali w betonie są:

• karbonatyzacja betonu; w obecności wilgoci może to rozpocząć proces korozji.
• obecność soli morskich lub soli odladzających w betonie i wokół prętów zbrojeniowych. Ponownie obecność wilgoci rozpoczyna reakcję korozyjną.