Korozja stwardniałego betonu

Rys. M. Szyprowska

Beton jest bardzo wrażliwym materiałem na korozję. Obecność wody miękkiej wraz z tlenkami zawartymi w otoczeniu, w którym pracują obiekty to istotny czynnik wpływający na postęp procesu korozyjnego betonu. Powstałe nowe związki chemiczne w wyniku reakcji chemicznych zachodzących podczas korozji betonu zwiększają swoją objętość. Tworzący się węglan wapnia zwiększa swoją objętość 130 krotnie, a tworzeniu się soli Candlota towarzyszy 300-krotny wzrost objętości. Wzrost objętości powstałych produktów korozji powoduje rozsadzanie tworzywa betonowego, powstawanie szczelin i utratę alkalicznych właściwości betonu. Beton traci swoje ochronne właściwości dla stali zbrojeniowej.  


Rys. 2 . Pokłady węglanu wapnia w szczelinie stwardniałego betonu konstrukcji żelbetowej
Rys. M. Szyprowska

Cement składa się z najważniejszych związków: alitu, belitu, glinianu trójwapniowego i celitu. W pierwszym etapie wiązania dominują reakcje tworzenia się soli Candlota (poprzez dodany w małych ilościach gips do cementu), hydrolizy glinianu trójwapniowego i hydrolizy celitu. Reakcje chemiczne hydrolizy alitu, belitu i reakcja wodorotlenku wapnia z dwutlenkiem węgla następuje w późniejszym etapie i to one decydują o wytrzymałości betonu. Najdłużej przebiega reakcja hydrolizy belitu, ale pochodne tej hydrolizy decydują o szczelności betonu. Dlatego na przykład do budowy obiektów hydrotechnicznych wskazane jest stosowanie cementu, który w swoim składzie posiada większą ilością belitu. Pozwala to uzyskać większą szczelność konstrukcji żelbetowej. Niestety większa ilość belitu wydłuża okres dojrzewania betonu, czyli uzyskanie po dłuższym czasie pełnej wytrzymałości.



Rys. 3. Wypływ kwaśnego węglanu wapnia ze szczelin betonowych. Korozja stali w wyniku utraty właściwości ochronnych dla stali przez otulinę prętów zbrojeniowych.
Rys. M. Szyprowska

Szczelność betonu oraz warunki fizykochemiczne środowiska w jakich pracują obiekty w konstrukcji żelbetowej mają decydujący wpływ na przebieg korozji w czasie. Dokładnie rozpoznane są trzy podstawowe korozje, występujące w konstrukcjach żelbetowych:

• korozja węglanowa betonu;
• korozja siarczanowa betonu;
• korozja chlorkowa stali zbrojeniowej.

Korozja węglanowa betonu 
W wyniku korozji węglanowej w zewnętrznych warstwach betonu lub szczelinach (wady wykonawcze na powierzchni konstrukcji żelbetowej) tworzy się węglan wapnia. W pierwszym etapie wypełnia on istniejące pory w betonie, uszczelniając warstwę zewnętrzną. Powstawaniu węglanu wapnia towarzyszy 130 krotny wzrost objętości. Dalszy dopływ wody miękkiej i dwutlenku węgla zawartego w powietrzu powodują, że z nierozpuszczalnego węglanu wapnia tworzy się rozpuszczalny kwaśny węglan wapnia. W ten sposób zostaje wypłukany węglan wapnia z betonu. Beton traci właściwości alkaliczne i nie stanowi już ochrony dla stali zbrojeniowej. Zaczyna się proces korozji stali zbrojeniowej. W długim okresie działania, przy ciągłej obecności wody miękkiej, w wyniku tak zachodzącego procesu korozyjnego betonu powstaje materiał przypominający glinę piaszczystą. Najbardziej wrażliwe na tworzenie się pokładów węglanu wapnia są miejsca spękań betonu i szczelin istniejących w betonie. Wycieki kwaśnego węglanu wapnia widoczne są na ścianie zewnętrznej obiektu jako „biały płacz”. To widoczny znak świadczący o istnieniu korozji węglanowej.


Rys. 4. Dyfraktrogram rentgenowski próbki betony pobranej z konkretnego obiektu
Rys. M. Szyprowska

Korozja siarczanowa betonu
Jako druga, bardziej groźna dla obiektu, jest korozja siarczanowa. Groźna dlatego, ponieważ jest trudniejsza do rozpoznania. Może występować w obiektach hydrotechnicznych, kominach, nawet na styku zaprawy cementowej użytej do klejenia płytek na ścianie gipsowej. Może być obecna tam, gdzie spoiwo cementowe styka się z jonami siarczanowymi. Jony siarczanowe w zetknięciu z betonem w dogodnych warunkach temperaturowych i sprzyjającej wilgotności otoczenia wchodzą w reakcję ze związkami chemicznymi znajdującymi się w betonie tworząc sól Candlota, ettryngit czy taumazyt. Powstanie tych związków chemicznych – kryształów soli, towarzyszy 300 krotny wzrost objętości materiału. Widok skorodowanego betonu solami siarczanowymi może kojarzyć się ze zjawiskiem przemarznięcia betonu. Skorodowany beton w procesie korozji siarczanowej odspaja się łuskowo. Odłupane łuski należy w pierwszym etapie obejrzeć pod lupą powiększającą 50 razy i szukać kryształów w kształcie igiełek. Dokładne rozpoznanie można wykonać dopiero przy pomocy dyfraktogramu rentgenowskiego i wykonanych zdjęć przy pomocy techniki elektronów wtórnych.

Powstałe związki w wyniku korozji siarczanowej nie są trwałymi związkami chemicznymi. W miarę postępu czasu, w sprzyjających warunkach (przy dostępie wody miękkiej) sól Candlota, w wyniku dalszych zachodzących reakcji chemicznych, przyjmuje postać gipsu, który posiada podobną postać krystalograficzną – kryształy igiełek. Zachodzące procesy postępu korozji siarczanowej i węglanowej zależą od temperatury otoczenia. Procesy tych korozji betonu szybciej przebiegają w niskich temperaturach.


Rys. 5. Zdjęcia igieł soli Candlota wykonane przy pomocy techniki elektronów wtórnych
Rys. M. Szyprowska

Korozja chlorkowa stali zbrojeniowej
Na rysunku pokazany został schemat przebiegu korozji chlorkowej stali. Przebieg tej korozji nie prowadzi do odspojenia betonu, tak jak podczas procesu korozji węglanowej czy siarczanowej, ale przy sprzyjających warunkach dla przebiegu tej korozji (kontaktu konstrukcji żelbetowej z jonami chlorkowymi w sposób ciągły w czasie) może doprowadzić do całkowitego zniszczenia stali zbrojeniowej w konstrukcji żelbetowej. W początkowej fazie na ścianie betonu można zaobserwować kropki przebarwionego na rdzawy kolor betonu, usytuowane w jednej linii na powierzchni otuliny pręta zbrojeniowego. W miarę upływu czasu, w sprzyjających warunkach dla przebiegu korozji chlorkowej stali, przebarwiony beton tworzy już linie ciągłe. W późniejszym etapie można zaobserwować rdzawe zacieki na betonie w postaci „płaczu”.  Jest to sygnał, że pręt zbrojeniowy koroduje już na całej długości i w znacznym stopniu zmniejszyła się jego średnica w wyniku postępu korozji chlorkowej. Najmniejsza ilość jonów chlorkowych w wilgotnym środowisku powoduje przebieg reakcji korozyjnej stali w sposób ciągły.
       
Uwolnione jony chlorkowe ponownie wchodzą w reakcję ze stalą i jest to już reakcja chemiczna występująca w sposób ciągły.

Projektując obiekty nowe (czy planując remonty) należy zwracać uwagę na środowisko, w jakim będą pracować (czy już pracują) te obiekty. Konieczne jest całkowite rozpoznanie czynników, które mogą mieć wpływ na zmniejszenie okresu trwałości konstrukcji żelbetowych w wyniku możliwości wystąpienia korozji betonu i stali.


Rys. 6. Widok wyciętej z konstrukcji żelbetowej próbki betonu z widoczną korozją chlorkową stali zbrojeniowej
Rys. M. Szyprowska

W obecnym stanie rozwoju technologii w budownictwie można zabezpieczać beton przed destrukcją korozyjną w trakcie eksploatacji. We Francji jest znane powiedzenie, że beton do pracy wymaga „koszulki” – odpowiedniej „koszulki”. Jej jakość nie jest bez znaczenia. Analiza zjawisk fizycznych i chemicznych środowiska pracy konstrukcji żelbetowych jest nieodzowna dla zabezpieczenia wieloletniej trwałości bez konieczności wykonywania kapitalnych remontów. Dzisiejsza chemia budowlana daje nam duże możliwości budowania czy remontowania obiektów z rozmysłem i z gwarancją zabezpieczenia przed korozją betonu i stali. Najważniejsze jest jednak rozpoznanie czynników kinetycznych, które w synergicznym działaniu mogą wpływać na wystąpienie i przyspieszenie postępu korozji konstrukcji żelbetowych w czasie.

dr inż. M. Szyprowska