Detaljna analiza primjene protupotresnih mrežica od staklenih vlakana obloženih stiren-butadienom u FRCM sustavima
Što su FRCM sustavi i od čega se mogu sastojati?
Fabric-Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) sustavi su tehnologija ojačanja betonskih i zidanih konstrukcija pomoću vlaknastih mreža unutar cementne ili anorganske matrice. Njihova svrha je povećati mehaničku otpornost konstrukcija, posebno u slučaju seizmičkih aktivnosti.
Kako bi osigurali dugotrajnu učinkovitost, FRCM sustavi se obično sastoje od vlakana koja su poznata po svojoj trajnosti i otpornosti na kemijske i mehaničke utjecaje:
- Polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO) – sintetička vlakna visoke čvrstoće i otpornosti.
- Karbon – lagan, otporan na vlagu i koroziju.
- AR (alkali-resistant) staklena vlakna – alkalnootporna staklena vlakna s minimalno 16% cirkonija, osiguravajući otpornost na alkalno okruženje.
- Aramid – poznat po visokoj otpornosti na udarce i toplinsku stabilnost.
- Bazalt – prirodni materijal s dobrom kemijskom otpornošću.
- Čelik – i dalje jedan od najpoznatijih i najpouzdanijih materijala za konstrukcijska ojačanja.
Međutim, u Hrvatskoj se za FRCM sustave ponekad koriste mrežice od običnih staklenih vlakana premazanih stiren-butadienom (SBR), što otvara ozbiljna pitanja o njihovoj dugoročnoj učinkovitosti.
Tehnički listovi i stvarnost
Ako se površno pogleda tehnička dokumentacija takovih rješenja, stvara se dojam da je sve u redu. Piše da su mrežice alkalno otporne, zahvaljujući stiren-butadienu koji ih štiti.
Ali ovdje dolazimo do suštine problema:
Za razliku od AR staklenih vlakana s minimalno 16% cirkonija, mrežice od običnih staklenih vlakana premazane stiren-butadienom nisu u skladu s europskim regulativama koje definiraju građevinske standarde za dugotrajnu izdržljivost materijala u FRCM sustavima.
Europske norme jasno propisuju da mrežice koje se koriste u FRCM sustavima moraju zadovoljavati određene tehničke zahtjeve, uključujući otpornost na alkalije. To je definirano u sljedećim EAD dokumentima:
- EAD 340275-00-0104 – Externally-bonded composite systems with inorganic matrix for strengthening of concrete and masonry structures.
- EAD 260002-00-0301 – Alkali resistant glass fibers containing zirconium dioxide for use in concrete.
Oba ova EAD dokumenta uvedena su u POPIS USKLAĐENIH NORMI ZA GRAĐEVNE PROIZVODE u sklopu NN 150/2022 od 21.12.2022. To znači da se njihova primjena ne može ignorirati pri izboru materijala za ojačanje konstrukcija, jer predstavljaju dio službene legislative.
Ipak, unatoč jasnim propisima, u praksi se i dalje koriste mrežice koje ne udovoljavaju ovim standardima, što postavlja ključno pitanje: na temelju kojih kriterija su donesene odluke o njihovoj upotrebi?
Je li razlog tome cijena, budući da je AR mrežica s minimalno 16% cirkonija gotovo tri puta skuplja od obične mrežice sa staklenim vlaknima premazane stiren-butadienom? Je li financijska ušteda stavljena ispred dugotrajne sigurnosti i otpornosti konstrukcija?
Nažalost, ne možemo sa sigurnošću znati je li ekonomski faktor u ovom slučaju presudan u odabiru materijala, ali ono što znamo jest da izbor materijala mora biti vođen dugotrajnom pouzdanošću i sigurnošću, a ne samo početnim troškovima.
Postoje li dugoročne studije koje potvrđuju izdržljivost ovih mrežica?
U analizi dostupnih znanstvenih istraživanja nije pronađena nijedna dugoročna studija koja bi dokazala da mrežice od staklenih vlakana premazane stiren-butadienom zadržavaju svoju čvrstoću i funkcionalnost kroz desetljeća, koliko bi trebale trajati unutar građevinske konstrukcije.
Ako se koriste u svrhu protupotresne zaštite, očekivalo bi se da su detaljno testirane na otpornost na vlagu, kemijske utjecaje i mehanička naprezanja kroz dugi vremenski period. No, takvih podataka do danas nema!
Mrežice od staklenih vlakana – gdje se inače koriste?
Mrežice od staklenih vlakana nisu izvorno razvijene za konstrukcijsko ojačanje građevina, već za ojačanje asfalta, kako bi se povećala otpornost na pukotine i produljio vijek trajanja kolnika. Ove mrežice djeluju kao armatura, smanjujući reflektirajuće pukotine i poboljšavajući cjelokupnu stabilnost asfaltnog sloja.
Jedan od primjera takvih proizvoda je GlasGrid sustav, koji se koristi za kontrolu reflektirajućih pukotina u asfaltu. Ovaj sustav sastoji se od staklenih vlakana visoke čvrstoće obloženih polimerom, što omogućuje učinkovitu kontrolu pukotina i produljenje vijeka trajanja kolnika.
Asfalt i protupotresna zaštita – kakve veze imaju?
Ovo nas dovodi do ključnog pitanja: ako su ove mrežice razvijene za ojačanje asfalta, kako su završile kao “rješenje” za konstrukcijsko ojačanje zgrada u svrhu protupotresne zaštite?
Asfalt i građevinske konstrukcije nemaju iste kemijske i fizičke uvjete. Asfalt ne sadrži alkalnu sredinu kao beton, niti je izložen istim vrstama soli i vlazi kao zidovi građevina. Što se dakle događa kada se takve mrežice ugrađuju u zidove?
Utjecaj kapilarne vlage i soli na mrežice u zidovima
Veliki broj zgrada koje su sanirane nakon potresa u Zagrebu i Petrinji 2020. godine ima zidove od opeke, koji su izuzetno skloni problemu kapilarne vlage, ali ni zidovi od drugih materijala, poput kamena ili mješovitih zidova, nisu imuni na ovaj problem. Kapilarna vlaga može utjecati na strukturu zidova neovisno o materijalu, a njezina prisutnost dodatno doprinosi razgradnji građevinskih materijala i negativnom djelovanju soli koje se nakupljaju unutar zidova.
Kada vlaga prodire kroz zidove, sa sobom nosi različite soli koje mogu uzrokovati kemijsku degradaciju materijala. O tome smo detaljno pisali u našem prethodnom blogu Utjecaj agresivnih soli na hidroizolaciju i važnost pravilnog odvlaživanja zidova od opeke.
Među solima koje se pojavljuju u zidovima pod utjecajem vlage su:
- CaSO4 – Kalcijev sulfat
- MgSO4 – Magnezijev sulfat
- Na2SO4 – Natrijev sulfat
- NaCl – Natrijev klorid (kuhinjska sol)
- CaCl2 – Kalcijev klorid
- MgCl2 – Magnezijev klorid
- NaNO3 – Natrijev nitrat
- KNO3 – Kalijev nitrat
- Ca(NO3)2 – Kalcijev nitrat
Ove soli mogu dovesti do kemijske degradacije stiren-butadiena i gubitka njegovih zaštitnih svojstava. Stiren-butadien (SBR) je kopolimer stirena (C₈H₈) i butadiena (C₄H₆). Iako je relativno otporan na vlagu i većinu soli, dugotrajna izloženost određenim solima u prisutnosti vode može dovesti do kemijske degradacije. Proces razgradnje može uključivati hidrolizu, oksidaciju ili solvolizu.
Primjeri kemijske razgradnje stiren-butadiena solima prisutnima u vlažnim zidovima
Sulfati (SO₄²⁻)
Reakcija s vodom i sumpornom kiselinom (iz sulfata)
Magnezijev sulfat i natrijev sulfat u vlažnom okruženju mogu uzrokovati zakiseljavanje medija, što napada dvostruke veze u butadijenskom dijelu polimera:
(CH)n + H2SO4 → fragmentacija SBR-a + oksidirani spojevi
Sumporna kiselina nastaje kada natrijev sulfat (Na₂SO₄) ili magnezijev sulfat (MgSO₄) reagiraju s vlagom i CO₂ iz zraka:
Na2SO4 + H2O + CO2 → H2SO4 + NaHCO3
Zakiseljeno okruženje potiče oksidaciju SBR-a.
Kloridi (Cl⁻)
Reakcija s vodom i UV zračenjem – kloriranje polimera
Kloridi poput NaCl, CaCl₂ i MgCl₂ mogu ubrzati oksidaciju i degradaciju SBR-a kada su prisutni u vodi i pod utjecajem svjetlosti ili topline:
(C8H8)x (C4H6)y + Cl2 + H2O → klorirani spojevi + pucanje lanca
Kloriranje dvostrukih veza u butadijenskom dijelu polimera dovodi do gubitka elastičnosti i pucanja SBR strukture.
Nitrati (NO₃⁻)
Oksidacija dvostrukih veza u SBR-u
Nitrati poput Ca(NO₃)₂ i NaNO₃ mogu djelovati kao oksidansi i napadati dvostruke veze u butadijenskoj strukturi, što rezultira depolimerizacijom:
(C4H6)n + NO3– + H2O → ketoni, alkoholi, fragmentacija lanca
Ovaj proces vodi do gubitka mehaničkih svojstava i lomljivosti materijala.
Zaključak
- Sulfati stvaraju kiselo okruženje i oksidiraju polimer.
- Kloridi uzrokuju kloriranje i degradaciju polimera.
- Nitrati oksidiraju dvostruke veze u butadijenu i dovode do pucanja lanca.
U dugotrajnoj izloženosti solima i vlazi, stiren-butadien (SBR) gubi dakle svoja zaštitna svojstva, postaje krhak, smanjuje elastičnost i s vremenom se strukturalno raspada.
Premaz od stiren-butadiena, koji bi trebao osigurati dugotrajnu zaštitu mrežica od staklenih vlakana od agresivnog djelovanja alkalija, u stvarnosti u uvjetima pod stalnim utjecajem soli, kapilarne vlage i visokog pH pruža samo privremenu barijeru unutar visoko alkalne sredine betona ili morta. SBR u tim uvjetima postupno degradira, sve dok neizbježno ne izgubi svoju funkcionalnost, ostavljajući vlakna nezaštićena i podložna ubrzanom kemijskom raspadu.
Čim premaz oslabi ili se potpuno razgradi, staklena vlakna ostaju nezaštićena i izložena izravnom kemijskom napadu alkalija. Budući da nisu AR (alkali-resistant) vlakna s cirkonijem, vrlo brzo dolazi do njihove degradacije.
Dakle u tom trenutku, ono što ostaje nije dugotrajan sustav ojačanja, već ubrzano raspadajuća mrežica koja gubi svoju mehaničku ulogu – točno ondje gdje je najpotrebnija.
Što se događa kad alkalno osjetljiva staklena vlakna ostanu nezaštićena?
Staklena vlakna koja nisu AR (alkali-resistant), vrlo su osjetljiva na alkalnu okolinu. Kad dođu u doticaj s visokom pH vrijednošću betona (pH 12 – 13.5), počnu se ubrzano razgrađivati.
Kemijska reakcija razgradnje staklenih vlakana u alkalnoj okolini betona ili morta:
SiO2 + 2OH– → SiO32- + H2O
Silicijev dioksid (SiO₂) – glavna komponenta staklenih vlakana – reagira s hidroksidnim ionima (OH⁻) prisutnim u cementnoj matrici, što uzrokuje postupno otapanje i dezintegraciju vlakana.
Brzina raspada ovisi o nekoliko faktora, ali prema laboratorijskim testovima:
- Obična staklena vlakna mogu izgubiti do 50% svoje čvrstoće u roku od samo 30 dana pri pH 12.
- Ako pH prijeđe 13 (što je u betonu vrlo moguće), razgradnja se događa još brže – do 90% čvrstoće nestaje u nekoliko mjeseci.
Što to znači u praksi?
To znači da onog trenutka kada stiren-butadien premaz počne nestajati – što može biti ubrzano prisutnošću soli u zidovima – dolazi do nezaustavljivog procesa raspadanja mrežice u alkalnom betonu.
- Prvo nestaje zaštitni sloj stiren-butadiena.
- Potom alkalna sredina betona direktno napada staklena vlakna.
- Nakon određenog vremena (možda samo nekoliko godina), mrežica gubi mehaničku otpornost i prestaje funkcionirati.
Ako je mrežica bila ključni element konstrukcijskog ojačanja, tada ni sama konstrukcija više nije sigurna.
Ključno pitanje: Jesu li ovakva ojačanja odgovorna ili samo eksperiment?
Ako se mrežica, izvorno razvijena za ojačanje asfalta, počinje koristiti u FRCM sustavima, postavlja se opravdano pitanje “na temelju čega možemo biti sigurni da će uopće izdržati desetljećima unutar nosivih zidova zgrada?”
Hoće li za 10 ili 20 godina još uvijek postojati u tom zidu, ili će se jednostavno raspasti pod utjecajem kemijskih reakcija koje nitko nije dovoljno istražio?
Nije li korištenje SBR premaza za osiguravanje alkalootpornosti mrežica od staklenih vlakana u FRCM sustavima u konačnici isto kao i prekrivanje papira tankim slojem voska, uz očekivanje da će dugoročno izdržati uranjanje u vodu? Jer da, vosak je vodootporan …
Prosudite sami.
Ojačanje konstrukcija nije nešto što smije biti prepušteno nagađanju ili improvizaciji. Ako su europske norme jasno propisale koji se materijali smiju koristiti unutar FRCM sustava, zašto se uopće koristi alternativno rješenje koje nije predviđeno za takvu primjenu?
I konačno – treba li itko biti pokusni kunić za neispitane metode ojačanja konstrukcija, koje bi trebale osigurati sigurnost ljudi u slučaju potresa?
Prilikom odabira materijala za protupotresnu sanaciju, želimo li se osloniti na provjerena, testirana rješenja – ili svjesno preuzeti rizik nepoznatih posljedica?
Korištenje staklenih mrežica obloženih stiren-butadienom (SBR) u FRCM sustavima za protupotresnu zaštitu otvara niz pitanja o njihovoj dugoročnoj učinkovitosti. Kako smo detaljno prikazali, ovi materijali nisu u skladu s europskim standardima te se mogu vrlo brzo degradirati u alkalnom okruženju, osobito pod utjecajem vlage i agresivnih soli prisutnih u građevinskim konstrukcijama.
Za dugoročnu sigurnost i pouzdanost, nužno je koristiti rješenja koja zadovoljavaju propisane tehničke norme i dokazano osiguravaju trajnu otpornost materijala. Upravo zbog toga smo se u RENODRY-ju odlučili za integrirani pristup koji kombinira alkalno-otporne mrežice ili druge materijale predviđene normama s učinkovitim sustavom hidroizolacije.
Trenutačno smo jedini na našem tržištu koji pružaju takav integralni pristup, osiguravajući da se dugoročna pouzdanost konstrukcija ne dovodi u pitanje.
Odluka o izboru materijala na kraju je u rukama projektanata, investitora i izvođača radova, no naše je uvjerenje da odgovornost prema sigurnosti i pouzdanosti konstrukcija mora biti ispred kratkoročnih financijskih ušteda. Kao stručnjaci koji svakodnevno analiziraju ove probleme, uvijek ćemo zagovarati rješenja koja su u skladu s europskim normama i dugoročno dokazano sigurna za ljude i građevine.
