Ochrona materiałowo-strukturalna betonów cementowych przed mrozem oraz agresją środków odladzających

2011-02-08

Wszystkie obiekty budowlane w miarę upływu czasu ulegają degradacji na skutek oddziaływania otaczającego je środowiska. Podstawową właściwością betonu staje się jego trwałość. Ten sam beton może być w zależności od otaczającego środowiska trwały lub nietrwały.


Przywracanie utraconych lub pogorszonych właściwości użytkowych powoduje znaczne koszty i utrudnienia w trakcie eksploatacji budynku czy budowli. Szczególnie trudna i kosztowna może okazać się naprawa konstrukcji betonowych. Dlatego też najważniejszą właściwością betonu staje się jego trwałość definiowana jako zapewnienie stanu użytkowalności konstrukcji w określonych warunkach i przewidywanym czasie eksploatacji. Uzyskanie długowieczności elementów betonowych jest możliwe przez odpowiednie dostosowanie składu i struktury betonu do warunków użytkowania.

 

Agresywne oddziaływania środowiskowe na beton

Norma PN-EN 206-1:2003 Beton – Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność oraz jej krajowe uzupełnienie PN-B-06265:2004 kładą szczególny nacisk na trwałość betonu w rzeczywistych warunkach eksploatacji. W celu określenia oddziaływań środowiskowych wprowadzono siedem klas ekspozycji betonu odpowiadających różnym warunkom użytkowania poszczególnych elementów konstrukcji i wynikającym z nich zagrożeniom agresją środowiskową. W klasach ekspozycji dokładnie są opisane przewidywane oddziaływania z otoczenia na element konstrukcji, przy czym korozja zbrojenia i betonu rozpatrywana jest osobno. Szczegółowy podział klas ekspozycji przedstawiony jest w tabl. 1. Każda klasa ekspozycji podzielona jest na trzy lub cztery podklasy, w zależności od nasilenia agresywności, oznaczone kolejnymi numerami. Im wyższa cyfra, tym bardziej intensywne oddziaływanie. Występowanie różnych klas ekspozycji przedstawiono na przykładzie budownictwa przemysłowego (rys.).

Rys. Poglądowe przedstawienie oddziaływań środowiskowych w budownictwie przemysłowym [7]

 

 

Tabl.1. Klasy ekspozycji wg PN-EN 206-1:2003 wraz z krajowym uzupełnieniem PN-B-06265:2004

Symbol klasy

 

Opis zagrożenia

 

Klasa ekspozycji

 

X0

 

Brak zagrożenia co do wystąpienia agresji zewnętrznej

 

X0

 

 

Oddziaływania środowiskowe na zbrojenie

 

 

XC

 

Korozja spowodowana karbonatyzacją

 

XC1, XC2, XC3, XC4

 

XD

 

Korozja spowodowana chlorkami niepochodzącymi  z wody morskiej (strefa śródlądowa)

 

XD1, XD2, XD3

 

XS

 

Korozja spowodowana chlorkami pochodzącymi z wody morskiej (strefa morska)

 

XS1, XS2, XS3

 

 

Oddziaływania środowiskowe na beton

 

 

XF

 

Agresywne oddziaływanie zamrażania/rozmrażania bez środków odladzających albo ze środkami odladzającymi

 

XF1, XF2, XF3, XF4

 

XA

 

Agresja chemiczna

 

XA1, XA2, XA3

 

XM

 

Agresja wywołana ścieraniem

 

XM1, XM2, XM3

 

 

Normowe sposoby zapewnienia trwałości betonu w środowisku agresywnym

Zgodnie z Eurokodem 2 [3]  projektowane konstrukcje żelbetowe powinny spełniać założone wymagania przez cały przewidywany okres użytkowania bez istotnego obniżenia przydatności lub ponoszenia nadmiernych i nieprzewidzianych kosztów utrzymania. Trwałość konstrukcji żelbetowej przede wszystkim powinien zapewnić beton, odporny na wpływy środowiska, w którym obiekt będzie użytkowany [8]. Trwałość betonu przejawia się w relacji odporność materiału – agresja środowiska. Ten sam beton może być w zależności od otaczającego środowiska trwały lub nietrwały. Norma [1] dzieli betonowe elementy budowlane według oddziaływań środowiskowych, w jakich będą eksploatowane. W zależności od przyjętych klas ekspozycji zdefiniowane są parametry, jakie musi spełniać beton w celu zapewnienia minimalnego okresu trwałości, czyli według normy PN-EN 206-1:2003 [1] co najmniej 50 lat. Zalecane wartości graniczne składu oraz właściwości betonu, gwarantujące wymaganą trwałość betonu w poszczególnych klasach ekspozycji, podane są w tabl. 2.

 

Tabl.2. Zalecane wartości graniczne dotyczące składu oraz właściwości betonu wg PN-EN 206-1:2003 wraz z jej krajowym uzupełnieniem PN-B-06265:2004

Oznaczenie klasy

 

Opis środowiska

 

Przykłady występowania klasy ekspozycji

 

Min. klasa
wytrzymałości

 

Maks. w/c

 

Min. zaw.

cementu (kg/m3)

Inne wymagania

 

X0

 

Dotyczy betonów niezbrojonych: wszystkie środowiska oprócz XF, XM, XA

Dotyczy betonów zbrojonych: bardzo suche

Beton wewnątrz budynków o bardzo niskiej wilgotności powietrza

 

C8/10

 

 

 

 

XC1

 

Suche lub stale mokre

 

Beton wewnątrz budynków o niskiej wilgotności powietrza

Beton stale zanurzony w wodzie

C16/20

 

0.65

 

260

 

 

XC2

 

Mokre, sporadycznie suche

 

Powierzchnie betonu narażone na długotrwały kontakt z wodą – najczęściej fundamenty

 

C16/20

 

0,60

 

280

 

 

XC3

 

Umiarkowanie wilgotne

 

Beton wewnątrz budynków o umiarkowanej
lub wysokiej wilgotności powietrza

Beton na zewnątrz osłonięty przed deszczem

C20/25

 

0,60

 

280

 

 

XC4

 

Cyklicznie mokre i suche

 

Powierzchnie betonu narażone na kontakt z wodą, ale nie jak w klasie XC2

 

C25/30

 

0,50

 

300

 

 

XS1

 

Narażenie na działanie soli zawartych
w powietrzu

 

Konstrukcje zlokalizowane na wybrzeżu
lub w jego pobliżu

 

C30/37

 

0,50

 

300

 

 

XS2

 

Stałe zanurzenie

 

Elementy budowli morskich

 

C35/45

 

0,45

 

320

 

 

XS3

 

Strefy pływów, rozbryzgów i aerozoli

 

Elementy budowli morskich

 

C35/45

 

0,45

 

340

 

 

XD1

 

Umiarkowanie wilgotne

 

Powierzchnia betonu narażona na działanie
chlorków z powietrza

 

C30/37

 

0,55

 

300

 

 

XD2

 

Mokre, sporadycznie suche

 

Baseny.  Beton narażony na działanie wody
przemysłowej zawierającej chlorki

 

C30/37

 

0,55

 

300

 

 

XD3

 

Cyklicznie mokre i suche

 

Elementy mostów narażone na działanie
rozpylonych cieczy zawierających chlorki

Nawierzchnie dróg

Płyty parkingowe

C35/45

 

0,45

 

320

 

 

XF1

 

Umiarkowanie nasycone wodą
bez środków odladzających

 

Pionowe nawierzchnie betonowe narażone
na deszcz i zamarzanie

 

C30/37

 

0,55

 

300

 

Kruszywo zgodne
z PN-EN 12620
o odpowiedniej odporności
na zamarzanie/
rozmrażanie.
Minimalna zawartość powietrza 4%
(XF2, XF3, XF4)

 

XF2

 

Umiarkowanie nasycone wodą
ze środkami odladzającymi

 

Pionowe powierzchnie betonowe konstrukcji drogowych narażone na zamarzanie i działanie środków odladzających z powietrza

 

C25/30

 

0,55

 

300

 

XF3

 

Silnie nasycone wodą bez środków odladzających

 

Poziome powierzchnie betonowe narażone
na deszcz i zamarzanie

 

C30/37

 

0,50

 

320

 

XF4

 

Silnie nasycone wodą ze środkami odladzającymi lub wodą morską

 

Jezdnie dróg i mostów narażone na działanie środków odladzających

Powierzchnie betonowe narażone bezpośrednio
na działanie aerozoli zawierających środki
odladzające i zamarzanie

Strefy rozbryzgu w budowlach morskich
narażone na zamarzanie

C30/37

 

0,45

 

340

 

XA1

 

Środowisko chemicznie mało agresywne

 

 

C30/37

 

0,55

 

300

 

 

XA2

 

Środowisko chemicznie  średnio agresywne

 

 

C30/37

 

0,50

 

320

 

Cement odporny
na  ścieranie

 

XA3

 

Środowisko chemicznie silnie agresywne

 

 

C35/45

 

0,45

 

360

 

XM1

 

Umiarkowane zagrożenie ścieraniem

 

Powierzchnie i nawierzchnie eksploatowane przez pojazdy o ogumieniu pneumatycznym

 

C30/37

 

0,55

 

300

 

 

XM2

 

Silne zagrożenie ścieraniem

 

Powierzchnie i nawierzchnie eksploatowane przez pojazdy o ogumieniu pełnym oraz wózki podnośnikowe z ogumieniem elastomerowym lub na rolkach stalowych

 

C30/37

 

0,55

 

300

 

Pielęgnacja
powierzchni betonu

 

XM3

 

Ekstremalnie silne zagrożenie ścieraniem

 

Posadzki i nawierzchnie często najeżdżane przez pojazdy gąsienicowe

Filary mostów

Powierzchnie przelewów

Ściany spustów i sztolni hydrotechnicznych

Niecki wypadowe

C35/45

 

0,45

 

320

 

Kruszywo o dużej
odporności
na ścieranie

 

 

Odpowiedniego doboru składników w ramach zbioru określonego normą [1] dokonuje się stosownie do zagrożenia. W przypadku zagrożenia korozją mrozową (klasy XF) wymagane jest stosowanie kruszywa o odpowiedniej mrozoodporności zgodnie z normą PN-EN 12620:2004, a także napowietrzenia mieszanki betonowej minimum 4%, a w przypadku korozji chemicznej (klasy XA2, XA3) zastosowanie cementów siarczanoodpornych, HRS. Ponadto w przypadku zagrożenia korozją mrozową ze środkami odladzającymi, np. jezdnie dróg i mostów (klasa ekspozycji XF4), zgodnie z normą [1], wymagana jest minimalna klasa betonu C30/37, maksymalny współczynnik w/c = 0,45 oraz minimalna zawartość cementu 340 kg/m3. Norma betonowa [1] ogranicza również całkowitą zawartość jonów chlorkowych w betonie w odniesieniu do masy cementu. Elementy budowlane z betonu mogą być eksploatowane w warunkach oddziaływania kilku środowisk jednocześnie, w związku z tym dla jednego elementu może być przyporządkowanych kilka klas ekspozycji. W takiej sytuacji norma [1] nie podaje dodatkowych wymogów. Jednak z uwagi na możliwość współdziałania różnych oddziaływań bezpieczne jest przyjęcie rozwiązania materiałowego jak dla klasy o stopień wyższej od najostrzejszej spośród wymaganych [2]. Dla właściwie dobranych jakościowo składników betonu dostosowanych do danej klasy ekspozycji wyróżnia się trzy sposoby sterowania trwałością na etapie receptury, tj.: przez zmianę współczynnika w/c, przez zmianę minimalnej zawartości cementu, Cmin, i przez właściwy dobór klasy wytrzymałości. Zmniejszenie w/c powoduje poprawę szczelności, a w konsekwencji podnosi mrozoodporność (XF). Zwiększenie minimalnej zawartości cementu Cmin wpływa na poprawę odporności chemicznej szczególnie istotną przy zagrożeniu karbonatyzacją (XC), chlorkami (XD, XS), a także związkami chemicznymi zawartymi w gruncie i wodzie gruntowej (XA).  Zgodnie z Eurokodem 2 [3] oprócz czynników związanych z technologią betonu na trwałość konstrukcji żelbetowej ma wpływ grubość otulenia prętów zbrojeniowych. Stąd też norma [3] podaje minimalne grubości otulenia w zależności od klas ekspozycji (X) oraz sześciu klas konstrukcji S1–S6, przy czym projektowany 50-letni okres użytkowania odpowiada klasie konstrukcji S4. W przypadku projektowania dłuższego czasu eksploatacji według Eurokodu 2 [3] należy zwiększyć klasę konstrukcji i przyjąć odpowiednio większe minimalne grubości otulenia, bez konieczności zmiany minimalnej klasy betonu.

 

Kształtowanie mrozoodpornej mikrostruktury betonu

Najczęstszym mechanizmem destrukcji betonu w krajowych warunkach klimatycznych jest korozja mrozowa spowodowana cyklicznym zamrażaniem i rozmrażaniem wody w porach betonu w połączeniu z oddziaływaniem środków odladzających. Efektem korozji mrozowej są spękania betonu powstałe w wyniku zwiększenia objętości wody o 9% podczas jej zamarzania, a w rezultacie ubytek masy i spadek wytrzymałości. Wyraźną poprawę mrozoodporności betonu uzyskuje się w wyniku zmniejszenia stosunku w/c (woda/cement) i odpowiedniego napowietrzenia betonu przez zastosowanie domieszek napowietrzających. W czasie mieszania składników betonu wprowadzona domieszka tworzy zamknięte i równomiernie rozłożone pęcherzyki powietrzne o wielkości od 0,01 mm do 0,3 mm [2]. W klasach ekspozycji XF2, XF3, XF4 zalecana normowo [1] minimalna ilość powietrza w betonie 4% wynika z faktu, że pęcherzyki powinny być oddalone od siebie nie więcej niż 0,2 mm. Pęcherzyki te w stwardniałym betonie przerywają ciągłość kapilar, przez co utrudniają podciąganie wody i zwiększają odporność materiału na działanie mrozu. Woda w kapilarach, zwiększając swoją objętość podczas zamarzania, może wciskać się do pustych pęcherzyków, co zapobiega rozsadzaniu betonu. Właściwe napowietrzenie betonu powoduje poprawę mrozoodporności, ale odbywa się to kosztem zmniejszenia szczelności i znacznym spadkiem wytrzymałości (20–30%).

Realną alternatywą dla domieszek napowietrzających może stać się w przyszłości roztwór asfaltowy w formie pasty lub emulsji. Przeprowadzone dotychczas badania wykazały, że wprowadzając do mieszanki betonowej pastę bitumiczną, dochodzi do blokady połączeń między kapilarami w betonie oraz pokrycia ich powierzchni hydrofobowym materiałem organicznym, co znacznie utrudnia wnikanie w strukturę porów agresywnych jonów, takich jak NH4+, Mg2+, Cl-, SO42-, oraz innych substancji destrukcyjnych w stosunku do stwardniałego zaczynu cementowego. Opisane w pozycji [9] badania realizowane były na próbkach betonowych ze stałą 7-procentową zawartością pasty bitumicznej w stosunku do masy cementu. Receptury mieszanek charakteryzowały się zmiennym współczynnikiem w/c, od 0,22 do 0,40. Zagęszczanie badanych mieszanek betonowych realizowano przez wibrowanie i wibroprasowanie. Wyniki badań nasiąkliwości i podciągania kapilarnego wskazały na korzystny wpływ zarówno domieszki pasty, jak i wibroprasowania. Betony modyfikowane pastą i formowane z wykorzystaniem wibroprasowania charakteryzowała  bardzo niska nasiąkliwość wodą, poniżej 2%, oraz najniższa wartość podciągania kapilarnego, około 8 mm. Badania mrozoodporności oraz badania porozymetryczne wykazały, że skuteczny sposób formowania (zagęszczania) betonów cementowych z domieszką asfaltu umożliwia ukształtowanie korzystnej struktury porowatości i podwyższonej odporności na działanie czynników atmosferycznych [9]. Pasta bitumiczna powoduje znaczącą poprawę mrozoodporności betonu w połączeniu z odpornością na oddziaływanie soli odladzających. Wyraźna poprawa mrozoodporności podobnie jak w przypadku domieszek napowietrzających okupiona jest zmniejszeniem wytrzymałości na ściskanie. Z kolei nasiąkliwość badanych betonów modyfikowanych asfaltem zarówno w postaci pasty, jak i emulsji była dwa razy mniejsza w stosunku do porównawczych próbek z domieszką  napowietrzającą.

Obecnie kontynuowane są badania betonów cementowych modyfikowanych pastą bitumiczną i formowanych z wykorzystaniem szczególnie skutecznej w warunkach przemysłowych techniki wibro-wibroprasowania. Celem badań prowadzonych pod kierownictwem profesora Michała Bołtryka, w których bierze udział również autor niniejszego artykułu, jest wykazanie, że dzięki zastosowaniu skutecznej metody formowania można będzie uzyskać betony o korzystnej strukturze porowatości i podwyższonej odporności korozyjnej przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości pasty bitumicznej w stosunku do masy cementu. Takie podejście w rozwiązaniu postawionego celu wymagało budowy stanowiska badawczego oraz stosowania najnowszych osiągnięć z dziedziny planowania doświadczeń eksperymentalnych, w wyniku których można optymalizować zarówno ilość pasty, jak i parametry w procesie zagęszczania mieszanek betonowych.

 

Podsumowanie

Jedną z metod ograniczających podatność elementów betonowych na agresję środowiskową jest ochrona materiałowo-strukturalna. Polega na zapewnieniu trwałości betonu poprzez dokonanie właściwego pod względem jakościowym i ilościowym doboru składników przy zachowaniu optymalnych proporcji oraz ukształtowaniu odpowiedniej mikrostruktury betonu. Formowanie mikrostruktury następuje w wyniku reakcji chemicznych i procesów fizykochemicznych zachodzących pomiędzy składnikami w procesie wytwarzania zwanym technologią, na którą składa się: receptura, dozowanie, wymieszanie, transport, układanie, zagęszczanie, pielęgnacja i utrzymanie (konserwacja). Nawet najlepsza receptura mieszanki betonowej na niewiele może się zdać, jeżeli zabraknie wymaganej staranności w dalszych czynnościach składających się na technologię betonu. Gwarancją trwałości konstrukcji betonowej jest rygorystyczne przestrzeganie wymogów w poszczególnych etapach procesu wytwarzania. Wszelkie obostrzenia mają wpływ nie tylko na trwałość betonu, ale też i na jego cenę. Jednak na betonie nie warto oszczędzać. Analizując koszty  na etapie przygotowania inwestycji, nie należy pomijać kosztów zabezpieczeń, konserwacji, napraw i remontów w okresie eksploatacji wybudowanego obiektu. Wtedy to solidne, ale droższe rozwiązanie może okazać się najtrwalszym i w rezultacie najtańszym wariantem.

 

mgr inż. Krzysztof Falkowski

doktorant Politechniki Białostockiej

 

Piśmiennictwo

1. PN-EN 206-1:2003/Ap1:2004 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.

2. Praca zbiorowa pod kierunkiem L. Czarneckiego, Beton według normy PN-EN 206-1 – komentarz, Polski Cement i PKN, 2004.

3. PN-EN 1992-1-1:2008 Eurokod 2 Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1 Reguły ogólne i reguły dla budynków.

4. Z. Jamrozy, Beton i jego właściwości, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009.

5. Z. Ściślewski, Ochrona konstrukcji żelbetowych, Arkady, Warszawa 1999.

6. G. Fagerlund, Trwałość konstrukcji betonowych, Arkady, Warszawa 1997.

7. Materiały informacyjne firmy CEMEX.

8. A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniok, O trwałości, diagnostyce i obserwacji konstrukcji żelbetowych, „Inżynieria i Budownictwo” nr 10/2010.

9. M. Bołtryk, G. Wieczorek, J. Wiszniewski, W. Rutkowska, Kształtowanie właściwości betonu modyfikowanego asfaltem na agresję chemiczną, „Przegląd Budowlany” nr 6/2010.