קרבונציה

מאת: ד"ר סלובודן קליניץ', אינג' פאול אוסלמן ועמיתים מחברת KOSTER, Germany

 

האם ידעתם...

במהלך ההיסטוריה הגיאולוגית, הטבע יצר צוקי גיר, כמו אלו שנמצאים בדובר או בפורטלנד. 

צוקים אלו מורכבים בעיקר מגיר, שהתפתח ממשקעים של יצורים ימיים פרהיסטוריים כמו אלמוגים.
הביטוי הכימי לגיר הוא סידן קרבונט (CaCO₃).

הגיר נכרה, נטחן לגודל של ביצי יונים, ומחומם במשך שעות לטמפרטורות של עד 1100 מעלות צלזיוס, כדי ליצור את הבסיס למלט פורטלנד. תהליך זה נקרא "קלצינציה".

* chalk- גיר

* Lime - תחמוצת סידן (סיד)

 

למרבה הצער, כפי שניתן לראות מהנוסחה, פחמן דו-חמצני (CO₂) הוא תוצר של תהליך הקלצינציה.

פחמן דו-חמצני נחשב לגורם המרכזי בהתחממות הגלובלית. לכן, גם אם האנרגיה שתשמש בתהליך הקלצינציה תהיה 100% אנרגיה מתחדשת, שחרור ה-CO₂ לא יימנע.

סיד הוא המרכיב העיקרי של מלט. כאשר הוא מעורבב עם תחמוצות נוספות של אלומיניום, נתרן ואשלגן - תרכובות שגם הן חלק מהצוקים - נוצרות מה שמכונה "פאזות קלינקר" של המלט.

מלט, מים, חול ואבן (אגרגטים) הם המרכיבים החשובים ביותר של בטון, שהוא חומר הבנייה הנפוץ ביותר בעולם.

וזה לא מפתיע: בטון הוא חומר חסכוני, ניתן לייצרו בצורות שונות, הוא עמיד לאורך זמן, ויש לו חוזק לחיצה יוצא מן הכלל, כלומר הוא מסוגל לשאת עומסים גבוהים מאוד.

עם זאת, גם אוויר קיים בתוך הבטון. בבטון המיוצר ודחוס כראוי, האוויר עדיין מהווה כ: 1.5% מנפח החומר, עובדה זו מאפשרת ל-CO₂ שנמצא באוויר לחדור לעומק הבטון.

בטון טיפוסי מאופיין בחוזק לחיצה של עד 60 מגפ"ס. משמעות הדבר היא שגוש בטון עם שטח פנים של מטר רבוע אחד יכול לשאת משקל של 6,000 טון, תכונה זו מאפשרת להשתמש בבטון לבניית המבנים הגבוהים ביותר בעולם.

למרבה הצער, חוזק המתיחה של בטון, כלומר עמידותו בפני כוחות מתיחה, נמוך באופן יחסי. זו הסיבה שכמעט תמיד משלבים בטון עם פלדה, כך שחוזק המתיחה ישתווה לחוזק הלחיצה. בטון ופלדה הם שילוב מושלם, שכן יש להם מקדם התפשטות תרמי דומה.

בטון הוא חומר שביר, ולכן אם כוחות המתיחה גבוהים מדי, הוא יישבר או ייסדק באופן ספונטני. כאן נכנסת הפלדה לתמונה. פלדה היא חומר אלסטי, והיא נושאת את כוחות המתיחה, ובכך מונעת מהמבנה להיסדק.

עם זאת, לפלדת החיזוק יש חולשה משלה: בתנאים מסוימים, היא עלולה להתחמצן או להחליד. חלודה פוגעת בשלמות המבנה של הפלדה ועלולה להרוס אותה בסופו של דבר. אטומי הברזל שבפלדה מתחמצנים לברזל אוקסיד  (FeO(OH)) .

ברזל אוקסיד (חלודה) הוא חומר בעל מבנה רופף וחוזק נמוך מאוד. בנוסף, פלדה מחלידה מתרחבת פי שניים עד שבעה מנפחה המקורי. בבטון, התרחבות כזו גורמת להתפוררות (spall) הבטון שמסביב לפלדת הזיון.

 

בטון טרי הוא חומר בסיסי (אלקליני), ובשל כך הוא מגן על הפלדה מפני קורוזיה. פלדה אינה יכולה להתחמצן ולהפוך לחלודה אם היא מוקפת בבטון תקין ובסיסי, זו הסיבה שפלדת הזיון תמיד צריכה להיות מכוסה בעובי מסוים של בטון.

למרבה הצער, עם הזמן תהליך הקלצינציה יכול להתהפך: אם הטבע יוצר דבר מה בפרקי זמן ארוכים, זהו סימן לכך שזו הצורה היציבה ביותר של התרכובת, והכימיה שואפת לחזור בסופו של דבר למצב האנרגטי הנמוך ביותר.

ההידרוקסידים הבסיסיים שבבטון מגיבים עם CO₂ מהאוויר (שמהווה כ-0.04% מהרכב האוויר) ויוצרים שוב סידן קרבונט (CaCO₃). תהליך זה נקרא קרבונציה, והוא למעשה התגובה ההפוכה לקלצינציה.

 

קרבונציה ניתנת לזיהוי באמצעות תרסיס של תמיסת פנולפתלאין מימית (שהיא אינדיקטור של pH). האזור התקין (הבסיסי) יופיע בצבע סגול, בעוד שהאזור שעבר קרבונציה יישאר חסר צבע.

האזורים שעברו קרבונציה כבר אינם בסיסיים, והפלדה אינה מוגנת בהם. קורוזיה יכולה להתרחש.

הנוסחה לחישוב עומק הקרבונציה (t) ניתנת באמצעות משוואת שורש הזמן:

כאשר:

• kd(t)k_d(t) הוא קצב הקרבונציה בהתאם לזמן t ביחידות של מ"מ לשנה.
• γf\gamma_f  הוא מקדם שמתחשב בסיווגי החשיפה (exposition classes).
• k  מייצג את ההרכב הספציפי ואיכות הבטון.
• W מייצג את ההשפעה האקלימית המקומית (meso-climatic) על קצב הקרבונציה.
  המשתנים עשויים להיות קשים לקביעה מדויקת.

ככלל אצבע פשוט, מקובל לומר שמהירות הקרבונציה עבור בטון ממוצע מסוג ב- 20/25 היא כ-0.5 מ"מ לשנה.

מספר זה מכתיב את עובי כיסוי הבטון.

מבנים ממוצעים מתוכננים לאורך חיים של 50 שנה, ולכן כיסוי הבטון המינימלי צריך להיות 25 מ"מ. מבנים שתוכננו ל-100 שנה, כמו גשרים, דורשים כיסוי מינימלי של 50 מ"מ.

למרות שמהירות הקרבונציה פוחתת עם העומק, מכיוון שהאוויר מתקשה לחדור לעומק הנקבוביות ולהביא CO₂ טרי, וייתכן שהנקבוביות רוויות במים , מדובר בגורם בטיחות נוסף לחשב את עומק הקרבונציה לאורך זמן כקצב ליניארי. זאת גם משום שבטון שתוכנן היטב עשוי שלא לשמור על איכות אחידה לאורך כל המבנה.

כל זה מעיד על כך שקרבונציה ממלאת תפקיד חשוב בהידרדרות של בטון. קריסת גשרים או מבנים אחרים עשויה להיות התוצאה.