Ας εξηγήσουμε την ενανθράκωση του σκυροδέματος με απλά λόγια:

Φανταστείτε το σκυρόδεμα ως ένα είδος “σφουγγαριού” που περιέχει μια ουσία που το κάνει πολύ αλκαλικό (όπως το σαπούνι). Αυτή η αλκαλικότητα είναι σαν μια προστατευτική ασπίδα για τα σίδερα (οπλισμό) που βρίσκονται μέσα στο σκυρόδεμα, αποτρέποντας τη σκουριά τους.

Η ενανθράκωση είναι αυτό που συμβαίνει όταν το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) από τον αέρα (ό,τι εκπνέουμε, ή βγαίνει από αυτοκίνητα και εργοστάσια) συναντά αυτό το “σφουγγάρι” (το σκυρόδεμα).

Στην ουσία, το CO2 αντιδρά με την αλκαλική ουσία μέσα στο σκυρόδεμα και την κάνει λιγότερο αλκαλική. Είναι σαν να προσθέτεις κάτι ξινό σε κάτι σαπούνι – χάνει την “σαπουνάδα” του.

Τι συμβαίνει χημικά;

Η αλκαλική ουσία στο σκυρόδεμα είναι το υδροξείδιο του ασβεστίου (Ca(OH)2). Όταν συναντά το CO2, μετατρέπεται σε ανθρακικό ασβέστιο (CaCO3), το οποίο δεν είναι αλκαλικό. Επίσης, παράγεται και λίγο νερό (H2O).

Η αντίδραση είναι: Υδροξείδιο του Ασβεστίου + Διοξείδιο του Άνθρακα → Ανθρακικό Ασβέστιο + Νερό Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Είναι κακό για το σκυρόδεμα;

Από μόνο του, η ενανθράκωση δεν βλάπτει άμεσα το ίδιο το σκυρόδεμα. Δεν το κάνει να σπάει ή να θρυμματίζεται.

Ποιο είναι τότε το πρόβλημα;

Το πρόβλημα είναι ότι, καθώς το σκυρόδεμα γίνεται λιγότερο αλκαλικό, χάνει την προστατευτική του ασπίδα για τα σίδερα. Φανταστείτε ότι η “σαπουνάδα” που προστάτευε τα σίδερα έχει φύγει.

Χωρίς αυτή την προστασία, τα σίδερα μέσα στο σκυρόδεμα γίνονται ευάλωτα στη σκουριά (διάβρωση). Όταν τα σίδερα σκουριάζουν, φουσκώνουν, δημιουργούν ρωγμές στο σκυρόδεμα και τελικά το καταστρέφουν.

Τι επηρεάζει την ενανθράκωση;

• Ποιότητα σκυροδέματος: Ένα κακής ποιότητας σκυρόδεμα, με πολλούς πόρους (τρύπες), αφήνει το CO2 να εισχωρήσει πιο εύκολα.
• Υγρασία: Η παρουσία νερού (υγρασίας) μέσα και γύρω από το σκυρόδεμα επιταχύνει την αντίδραση.
• Ρωγμές: Αν υπάρχουν ρωγμές στο σκυρόδεμα, το CO2 μπορεί να μπει πιο γρήγορα και βαθιά.
• Ποσότητα CO2: Σε περιοχές με περισσότερη ατμοσφαιρική ρύπανση (περισσότερο CO2), η ενανθράκωση συμβαίνει πιο γρήγορα.

Συνοψίζοντας, η ενανθράκωση είναι μια αργή χημική αντίδραση που μειώνει την αλκαλικότητα του σκυροδέματος, και ενώ δεν το βλάπτει άμεσα, ανοίγει το δρόμο για τη σκουριά και την καταστροφή του σιδηροπλισμού μέσα σε αυτό, κάτι που τελικά επηρεάζει τη σταθερότητα και τη διάρκεια ζωής της κατασκευής.

Βαθιά Ενανθράκωση: Όταν το “Αόρατο” Πρόβλημα Γίνεται Ορατό

Όταν η ενανθράκωση εισχωρεί βαθιά στο σκυρόδεμα, μπορεί να προκαλέσει αρκετές αρνητικές επιπτώσεις στα κτίρια και τις κατασκευές τους. Η πιο σημαντική είναι η διάβρωση του οπλισμού.

Καθώς η ενανθράκωση μειώνει την αλκαλικότητα που προστατεύει τον οπλισμό, ο χάλυβας αρχίζει να διαβρώνεται και να φθείρεται. Αυτό συμβαίνει επειδή εκτίθεται πλέον περισσότερο στην υγρασία και το νερό, στις περιβαλλοντικές συνθήκες και στο οξυγόνο της ατμόσφαιρας, γεγονός που προκαλεί τη σκουριά του και τελικά την καταστροφή του.

Ως αποτέλεσμα, η κατασκευή αποκτά μειωμένη δομική ακεραιότητα. Επίσης, η διάβρωση του οπλισμού χάλυβα αποδυναμώνει τη σύνδεσή του με το περιβάλλον σκυρόδεμα, και κατ’ επέκταση, μειώνεται η μηχανική του αντοχή και η δομική του σταθερότητα.

Συχνά παρατηρούνται ρωγμές και αποκόλληση, θρυμματισμός ή αποκόλληση θραυσμάτων σκυροδέματος από την επιφάνεια της κατασκευής, οδηγώντας σε τελική μη λειτουργικότητα με την πάροδο του χρόνου, εάν δεν ληφθούν τα απαραίτητα προληπτικά μέτρα.

Οπλισμένο Σκυρόδεμα: Με Απλά Λόγια

Το οπλισμένο σκυρόδεμα είναι ουσιαστικά ένας “έξυπνος” συνδυασμός δύο υλικών: του σκυροδέματος και του χάλυβα (σε μορφή ράβδων, γνωστών ως σιδηρόβεργες ή “σιντεράκια”).

Γιατί τα συνδυάζουμε;

• Το Σκυρόδεμα: Είναι εξαιρετικά δυνατό όταν “πιέζεται” (σε θλίψη), αλλά πολύ αδύναμο όταν “τραβιέται” (σε εφελκυσμό). Φανταστείτε το σαν ένα δυνατό βράχο που σπάει εύκολα αν τον τραβήξετε.
• Ο Χάλυβας: Είναι ακριβώς το αντίθετο – πολύ δυνατός στο “τράβηγμα” (σε εφελκυσμό).

Επομένως, βάζοντας σιδερένιες ράβδους μέσα στο σκυρόδεμα, εκμεταλλευόμαστε τη δύναμη του χάλυβα στο τράβηγμα για να καλύψουμε την αδυναμία του σκυροδέματος.

Γιατί ο χάλυβας και όχι άλλο μέταλλο;

Ο χάλυβας είναι ιδανικός γιατί έχει μια πολύ σημαντική ιδιότητα: διαστέλλεται και συστέλλεται σχεδόν το ίδιο με το σκυρόδεμα όταν αλλάζει η θερμοκρασία. Αυτό είναι κρίσιμο! Αν διαστελλόταν διαφορετικά, θα δημιουργούνταν εσωτερικές πιέσεις και ρωγμές στο σκυρόδεμα.

Πώς προστατεύεται ο χάλυβας μέσα στο σκυρόδεμα;

Ο χάλυβας προστατεύεται φυσικά από τη σκουριά (διάβρωση) χάρη στην υψηλή αλκαλικότητα του σκυροδέματος. Το σκυρόδεμα, λόγω της παρουσίας υδροξειδίου του ασβεστίου (Ca(OH)2), έχει πολύ υψηλό pH (περίπου 13). Αυτή η αλκαλικότητα δημιουργεί ένα λεπτό, προστατευτικό στρώμα από οξείδιο του σιδήρου στην επιφάνεια του χάλυβα, σαν μια αόρατη ασπίδα.

Τι απειλεί αυτή την προστασία;

Δύο κύριοι “εχθροί” μπορούν να διαπεράσουν ή να διαλύσουν αυτή την προστατευτική ασπίδα:

1. Χλωριούχα Ιόντα (Χλώριο): Αυτά τα ιόντα (που βρίσκονται π.χ. σε θαλάσσιες περιοχές, σε αλάτια αποπάγωσης ή σε μολυσμένα αδρανή υλικά) μπορούν να διαπεράσουν το προστατευτικό στρώμα τοπικά, δημιουργώντας “τρύπες” (γνωστό ως διάβρωση οπών), ειδικά όταν η συγκέντρωσή τους ξεπεράσει ένα όριο (περίπου 0,5% του βάρους του τσιμέντου).
2. Μείωση της Αλκαλικότητας (Ενανθράκωση): Όπως είδαμε, το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) από την ατμόσφαιρα εισχωρεί σιγά-σιγά στους πόρους του σκυροδέματος. Αντιδρά με το υδροξείδιο του ασβεστίου (Ca(OH)2), σχηματίζοντας ανθρακικό ασβέστιο. Αυτή η αντίδραση ονομάζεται ενανθράκωση και έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του pH του σκυροδέματος κάτω από το 9. Όταν το pH πέσει τόσο χαμηλά, το προστατευτικό στρώμα γύρω από τον οπλισμό διαλύεται (αποπαθητικοποίηση του χάλυβα), αφήνοντας τον χάλυβα απροστάτευτο στη σκουριά.

Η Ενανθράκωση Επιταχύνει Δραματικά τη Δράση των Χλωριόντων

Η ενανθράκωση επιταχύνει σημαντικά την καταστροφική δράση των χλωριόντων. Ας δούμε γιατί:

Το υδροξείδιο του ασβεστίου (Ca(OH)2), ένα συστατικό της τσιμεντοκονίας, έχει την ιδιότητα να δεσμεύει τα χλωριόντα. Με αυτό τον τρόπο, περιορίζει την ποσότητα των χλωριόντων που μπορούν να φτάσουν στον οπλισμό σε επίπεδα κάτω από το περίπου 0,5% που απαιτείται για να καταστραφεί το προστατευτικό στρώμα οξειδίου του χάλυβα. Ωστόσο, όταν το Ca(OH)2 αντιδρά κατά την ενανθράκωση, απελευθερώνονται τα δεσμευμένα χλωριόντα, τα οποία στη συνέχεια επιτίθενται στον χάλυβα.

Πώς η Απώλεια της Προστασίας Οδηγεί σε Διάβρωση

Η απώλεια του προστατευτικού οξειδίου του οπλισμού (ενυδατωμένο οξείδιο του σιδήρου) οδηγεί σε οξείδωση, η οποία είναι μια ηλεκτροχημική αντίδραση με το νερό των πόρων του σκυροδέματος (που λειτουργεί ως ηλεκτρολύτης).

• Σχηματισμός Ανόδου: Εκεί που καταστρέφεται το προστατευτικό οξείδιο, δημιουργείται μια άνοδος. Από αυτό το σημείο, τα ιόντα σιδήρου διαλύονται στο νερό των πόρων, αφήνοντας πίσω ελεύθερα ηλεκτρόνια.
• Κίνηση Ηλεκτρονίων προς την Κάθοδο: Αυτά τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσω του οπλισμού προς την κάθοδο, η οποία μπορεί να σχηματιστεί σε οποιοδήποτε σημείο της ράβδου. Η κάθοδος μπορεί να είναι ακόμη και ολόκληρη η επιφάνεια της ράβδου.
• Αντίδραση στην Κάθοδο: Στην κάθοδο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συνδυάζονται με το νερό των πόρων του σκυροδέματος και με το διαλυμένο οξυγόνο (της αέριας φάσης των πόρων), παράγοντας υδροξύλια (OH)-.
• Σχηματισμός Σκουριάς στην Άνοδο: Τα ανιόντα υδροξυλίου κινούνται μέσω του νερού των πόρων προς την άνοδο, όπου αντιδρούν με τα διαλυμένα ιόντα σιδήρου, σχηματίζοντας έτσι οξείδια του σιδήρου (σκουριά) και ανασυνθέτοντας το νερό που είχε ηλεκτρολυθεί στην κάθοδο.

Είναι σημαντικό να τονιστεί εδώ ότι η παρουσία νερού είναι απαραίτητη για την αντίδραση, παρόλο που η συνολική αντίδραση είναι μόνο μεταξύ οξυγόνου και σιδήρου.

Συνέπειες της Διάβρωσης του Χάλυβα

Η διάβρωση του χάλυβα έχει σοβαρές συνέπειες:

• Μείωση Διατομής και Ευκαμψίας: Μειώνει τη διατομή των ράβδων οπλισμού (επομένως και την αποτελεσματικότητά τους) αλλά και την ευκαμψία τους.
• Εσωτερικές Τάσεις και Ρωγμές: Τα προϊόντα διάβρωσης του χάλυβα καταλαμβάνουν σημαντικά μεγαλύτερο όγκο (2-6 φορές) από τον χάλυβα που τα παρήγαγε. Αυτή η διόγκωση της σκουριάς προκαλεί εσωτερικές τάσεις στο περιβάλλον σκυρόδεμα, οδηγώντας σε ρωγμές κατά μήκος ακτινικών επιπέδων που διέρχονται από τον άξονα της ράβδου.
• Αποκόλληση Καλύμματος: Όταν η επικάλυψη των ράβδων με σκυρόδεμα είναι μικρού πάχους ή/και ο εγκάρσιος οπλισμός στην διαβρωμένη ράβδο είναι λίγος (ή ανύπαρκτος), αυτές οι ρωγμές φτάνουν στην επιφάνεια του σκυροδέματος, οδηγώντας σε ορατά σημάδια φθοράς και πιθανή αποκόλληση του καλύμματος.

Carbonation and Corrosion: The Role of Water

From the previous discussion, we can conclude that for the reinforcement to oxidize (rust), the concrete pores need to be partially, not completely, filled with water. This partial filling allows for a continuous supply of air, facilitating the diffusion of oxygen into the concrete mass. This is why concrete structural elements that are permanently immersed in water or constantly wet do not typically experience corrosion problems. In such cases, the pores are fully saturated, preventing oxygen diffusion.

Conversely, if the relative humidity of the environment is low (e.g., below 50%), even if the micropores are permanently filled with water, the capillary pores might not have a continuous layer of water on their walls to act as an electrolyte. This explains why, in some dry regions of Greece, there are frequent cases where the concrete surrounding the reinforcement has been completely carbonated without the reinforcement having corroded.

The presence of water in the pores is also essential during the preparatory stage of corrosion. It’s needed for the transport of any chlorides from the outside towards the rebar, and also for the reaction of CO2 with the dissolved Ca(OH)2 during carbonation. Chloride transport is faster when the pores are almost filled with water, such as when the ambient relative humidity is close to 100% or when the structural element is partially submerged, leading to capillary rise that keeps the pores nearly full.

In contrast, carbonation requires partially filled pores to allow CO2 to diffuse inward. As a result, the rate of carbonation is maximal for relative humidities around 50%.

Because concrete expels water (by evaporation) more slowly than it absorbs it, when relative humidity fluctuates or when concrete is periodically wetted, the average amount of water in its pores is greater than what corresponds to the average environmental relative humidity. This extra water slows down carbonation. This is why concrete exposed to the external environment often carbonates to a lesser depth than its counterpart in contact with internal spaces. However, this inside-outside difference works in the opposite direction for processes favored by a high degree of pore water saturation, such as chloride intrusion and the progression of corrosion after rebar passivation is lost.

Thus, when carbonation (in the absence of chlorides) is responsible for corrosion, the risk of corrosion is maximal for an ambient relative humidity of around 80%. This risk decreases to 1/2 when the relative humidity is 60% or 95%, and to 1/5 when it is 50% or almost 100%.

In the presence of chlorides, however, the risk of corrosion is maximal for a relative humidity of about 90%. It is reduced to 1/2 when the relative humidity is 60% or 95%, and to 1/3 when it is 50% or almost 100%. Therefore, a dry climate (like that of Greece) does not typically favor the corrosion of reinforcements; what usually causes it are wetting-drying alternations.

About Carbonation: Key Points

Chemical Actions:

• Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O
• A small amount of water is required for this reaction.
• Carbonation is limited if the diffusion of CO₂ and humidity is prevented.
• The maximum percentage of carbonation occurs in an atmosphere with a relative humidity of 50-70%. In concrete saturated with water, the diffusion of CO₂ into its pores is prevented, thus limiting carbonation.

Physical Activities:

• Involves the penetration of moisture and CO₂ through the concrete’s porosity.
• Carbonation is limited by improving the concrete’s porosity (making it less permeable).

Consequences:

• Lowering of the concrete’s pH.
• Increased risk of reinforcement corrosion.

Costs and Prevention of Carbonation

The cost of maintenance and repair for buildings and structures that have suffered prolonged carbonation can be substantial, requiring expensive interventions. To avoid further damage, it is crucial to address carbonation in its early stages, and even better, to implement preventive measures before any signs of damage appear.

Mitigation and protection of structures and buildings from concrete carbonation are vitally important to ensure the longevity and durability of the concrete and to prevent the corrosion of the reinforcing steel within. Some key actions that contribute to this protection include:

• During construction:
  • Selecting a high-quality concrete mix with a low water-cement ratio.
  • Ensuring sufficient concrete cover for the reinforcement.
  • Using corrosion inhibitors as admixtures in the concrete mix. These slow down the corrosion process by reducing the rate at which the steel reacts with the carbonated concrete.
• Post-construction:
  • Concrete sealing on both horizontal and vertical surfaces protects the concrete from water and exposure to atmospheric carbon dioxide.
  • Choosing a suitable and quality waterproofing system not only enhances concrete protection against moisture penetration but also helps, as excessive moisture can accelerate the carbonation process.
• Ongoing monitoring and maintenance:
  • Carbonation depth testing is used to assess the extent of carbonation.
  • Regular maintenance and immediate repair on structures and surfaces that show damage or any signs of carbonation can prevent further deterioration and dramatically reduce future repair costs.

The implementation of these prevention and repair measures can significantly enhance the protection of structures and buildings against concrete carbonation and extend their service life.