Jak chronić powierzchnie żelbetowe w rolnictwie

Dobór rodzaju zabezpieczeń dla żelbetowych powierzchni rolniczych

Z przeprowadzonej analizy zagrożeń korozyjnych żelbetowych konstrukcji rolniczych wynika, że najbardziej narażone na zniszczenia są płyty obornikowe i wewnętrzne powierzchnie zbiorników na kiszonkę. W mniejszym stopniu narażone są wnętrza komór fermentacyjnych i zbiorników biogazu oraz zbiorników na płynne odchody zwierzęce. Przy prawidłowej eksploatacji w silosach na zboża i paszę zagrożenie korozyjne nie występuje. Zewnętrzne powierzchnie konstrukcji, poza komorami fermentacyjnymi, narażone są na oddziaływanie środowisk o klasach ekspozycji XF, XC, XD i XA. Zastosowanie w tym przypadku zabiegów zwiększających trwałość betonu i zbrojenia jest podstawową metodą zabezpieczenia obiektu żelbetowego w danej klasie ekspozycji. Klasyfikujemy oddziaływania zewnętrznego środowiska jako jedną lub kilka klas ekspozycji. Dla otrzymanych klas ekspozycji dobiera się skład i właściwości betonu zgodnie z tab. 1 oraz grubość otuliny betonowej zbrojenia zgodnie z tab. 2 (patrz: Konstrukcje żelbetowe w obiektach rolniczych – trwałość i ochrona). Zabiegi zwiększające trwałość betonu i zbrojenia mogą być wystarczającą ochroną betonu w nieagresywnym chemicznie środowisku powietrznym lub w nieagresywnych, lub słabo agresywnych gruntach bądź wodach gruntowych. Dotyczy to zewnętrznych powierzchni zbiorników i silosów. W przypadku powierzchni betonowych stykających się z agresywnymi środowiskami gnojówki, gnojowicy, obornika, kiszonek, biomasy i biogazu zabiegi zwiększające trwałość betonu nie są wystarczające i konieczne jest dodatkowo zastosowanie ochrony powierzchniowej betonu.

Fot. stock.adobe / Halfpoint
 

Ochronę powierzchniową betonu przed niszczącymi procesami i agresją chemiczną uzyskuje się, stosując odpowiednio dobrane do mechanizmów jego niszczenia zasadę i metodę ochrony oraz wyroby ochronne o właściwościach użytkowych umożliwiających realizację zasady i metody.
 

Do ochrony powierzchniowej betonu odnosi się pięć zasad ochrony [9, 10] przedstawionych w tab. 3 (patrz: Konstrukcje żelbetowe w obiektach rolniczych – trwałość i ochrona). Wymienione zasady ochrony betonu można realizować, stosując następujące metody ochrony [8, 9, 10]:

• impregnację hydrofobizującą – brak powłoki, adsorpcja na powierzchni porów i kapilar w przypowierzchniowej warstewce betonu wyrobu hydrofobowego, nadającego powierzchni betonu właściwości odpychania cząsteczek wody;
• impregnację – powłoka na powierzchni betonu cienka, nieciągła, pory i kapilary częściowo lub całkowicie wypełnione wyrobem impregnującym;
• zabezpieczenia powłokowe – powłoka ochronna na powierzchni betonu, ciągła o określonej grubości, zazwyczaj od 0,1 do 5 mm, w szczególnych przypadkach o grubości powyżej 5 mm;
• izolacje chemoodporne – powłoka ochronna na powierzchni betonu ciągła, zwykle o grubości od 4 do 6-8 mm, zbrojona wkładkami z mat lub tkanin lub niezbrojona.

Do danej metody ochrony mogą być stosowane różne pod względem materiałowym rodzaje wyrobów (tab. 5 Konstrukcje żelbetowe w obiektach rolniczych – trwałość i ochrona). Zgodnie z opisanymi postanowieniami i wymaganiami norm europejskich i dokumentów ITB dotyczącymi ochrony powierzchniowej betonu przedstawiono przykładowo trzy z omawianych konstrukcji rolniczych pod kątem doboru ochrony powierzchniowej do warunków użytkowania i szkodliwych oddziaływań.

Powierzchnie żelbetowe płyt obornikowych

Na płyty obornikowe działa silnie agresywne środowisko ze względu na jednoczesne oddziaływania warunków atmosferycznych, wody i substancji chemicznych. Z tego względu konieczna jest ochrona powierzchniowa. Mechanizm niszczenia betonu będzie polegał na wnikaniu do betonu wody i substancji chemicznych. Wnikanie wody i chemikaliów może być intensyfikowane przez korozję mrozową dla płyt usytuowanych poza pomieszczeniami. Substancje chemiczne i woda, wnikając do betonu, będą wywoływały niszczące beton reakcje chemiczne. Korozja chemiczna betonu będzie intensyfikować korozję mrozową. Do doboru zabezpieczenia płyt obornikowych przydatne będą jednocześnie dwie zasady ochrony: zasada 1. Ochrona przed wnikaniem i zasada 6. Odporność na chemikalia. Zasady te mogą być realizowane czterema metodami ochrony spośród wymienionych wyżej, z których należy wybrać metodę najbardziej właściwą dla płyt obornikowych. Ponieważ pierwszym etapem niszczenia płyt jest wnikanie wody i substancji chemicznych w głąb betonu, ochrona powierzchniowa powinna szczelnie zabezpieczyć beton przed wnikaniem. Najbardziej skuteczna będzie metoda zabezpieczenia powłokowego. Dla wybranej metody należy przeanalizować wymagania właściwości użytkowych wyrobu powłokowego i powłoki zgodnie z normą PN-EN 1504-2 [8].

Wewnętrzne powierzchnie żelbetowe zbiorników na kiszonkę

Na powierzchnie betonu wywiera stałe działania silnie agresywne środowisko odczynie kwaśnym (reagent – kwas mlekowy i masa kiszonkowa). Dlatego konieczna jest ochrona powierzchniowa betonu. Mechanizm niszczenia będzie polegał na wnikaniu do betonu roztworów wodnych kwasów organicznych i postępującym rozpuszczaniu wierzchniej warstewki betonu. Podobnie jak dla płyt obornikowych przydatne będą jednocześnie dwie zasady ochrony: zasada 1. Ochrona przed wnikaniem i zasada 6. Odporność na chemikalia. Najbardziej skuteczna będzie w tym przypadku również metoda zabezpieczenia powłokowego. Z analizy wymagań właściwości użytkowych wyrobu powłokowego i powłoki zgodnie z [8] wybiera się te właściwości, które po spełnieniu wymagań normowych zapewnią, że wykonana powłoka będzie skutecznie chronić beton wewnętrznych powierzchni silosów na kiszonki. Z zestawienia w normie [8] wybrane zostały przez autorów odpowiednie wymagania. Szczególnie istotnym wymaganiem przy wyborze rodzaju wyrobu powłokowego jest wymaganie odporności powłoki na działanie silnie agresywnego środowiska kwaśnego. Do zabezpieczania wewnętrznych powierzchni mogą być przydatne kwasoodporne powłoki epoksydowe, poliestrowe lub poliuretanowe, które są szczelne wobec dwutlenku węgla CO₂ i ciekłego środowiska kiszonki oraz przyczepne do podłoża betonowego. Charakterystyki właściwości użytkowych wyrobów powłokowych podają oferowane przez producentów karty techniczne wyrobów, z powołaniem na stosowne dokumenty jakości.

Wewnętrzne powierzchnie żelbetowe komór fermentacyjnych

We wnętrzu komór powierzchnie betonowe narażone są na znaczne zawilgocenie osiągające 90-100%, działanie kwasów organicznych w trakcie fermentacji kwaśnej, działanie – będącej pod zwiększonym ciśnieniem – mieszaniny gazów: metanu,

dwutlenku węgla, siarkowodoru i amoniaku, oraz podwyższonej temperatury. Oddziaływania te stwarzają agresywne środowisko wobec betonu, o stopniu agresywności okresowo średnim lub silnym. Cennym produktem fermentacji jest biogaz i z tego względu, poza ochroną betonu przed korozją, niezbędne jest szczelne zabezpieczenie wewnętrznych powierzchni. Zabezpieczenie to chroni beton przed korozją i zapobiega ubytkom biogazu przez nieszczelności lub uszkodzenia korozyjne.
 

W tym przypadku przydatna będzie zasada 1. Ochrona przed wnikaniem realizowana metodą „Izolacji chemoodpornej”. Metoda ta umożliwi uzyskanie powłoki szczelnej wobec wilgoci, fazy ciekłej i mieszaniny gazów (biogazu) wywierających nadciśnienie, a jednocześnie powłoki o dobrych parametrach mechanicznych, elastycznej, zdolnej do pokrywania rys w podłożu betonowym, a przede wszystkim chemoodpornej w warunkach działających w komorze chemikaliów. Wymagania, które powinny być spełnione, aby zabezpieczenie wnętrza komory fermentacyjnej było skuteczne, znajdują się w tab. 8.
 

Tab. 8. Wymagania właściwości użytkowych izolacji chemoodpornych (niezbrojonych) w zastosowaniu do ochrony powierzchniowej betonu we wnętrzu komory fermentacyjnej biogazu [8, 11]

Z danych zawartych w tab. 5 wynika szeroka oferta materiałowa do wykonywania izolacji chemoodpornych. Są to żywice i kompozycje z żywic syntetycznych: epoksydowych, poliuretanowych, poliestrowych, poliwęglanowych, modyfikowane dodatkami mineralnymi, bitumicznymi itp. Decydującą właściwością przy doborze materiałowym jest odporność chemiczna powłoki na działanie środowiska występującego w komorze fermentacyjnej. Wymienione wyroby powinny być sprawdzone pod względem odporności chemicznej uzyskanych z nich powłok.

Tab. 5. Wyroby zalecane do stosowania w danej metodzie ochrony [9]

Tab. 6. Wymagania właściwości użytkowych powłok w zastosowaniu do ochrony powierzchniowej płyt obornikowych [8]

Tab. 7. Wymagania właściwości użytkowych powłok w zastosowaniu do ochrony powierzchniowej betonu we wnętrzu silosu na kiszonkę [8, 12]

Elementy konstrukcyjne budynku

Najbardziej narażone na oddziaływania korozyjne są budynki, w których przebywają zwierzęta hodowlane. Oprócz bezpośrednich oddziaływań moczu i kału na płyty posadzkowe uwzględniać należy oddziaływania na fundamenty oraz ściany i stropy (stropodachy).
 

Fundamenty. Klasy ekspozycji dotyczące agresji chemicznej gruntu i wody gruntowej na betonowe (żelbetowe) fundamenty należy określać zgodnie z PN-EN 206-1. Projektując beton lub dobierając metody do jego powierzchniowego zabezpieczenia, należy uwzględnić klasę agresywności, jaka będzie występowała w całym okresie eksploatacji. Badanie gruntu i wody gruntowej na etapie projektowania daje informacje o aktualnej agresywności środowiska, jednak w trakcie eksploatacji agresywność środowiska może ulec zmianie – np. wskutek przecieków przez płyty posadzkowe (obornikowe).

Zaleca się projektowanie fundamentów, uwzględniając przewidywane przecieki do gruntu bądź przyjmując klasę ekspozycji wyższą, niż wynika to z badań na etapie projektowania.
 

Ściany zewnętrze i działowe wykonuje się z różnych materiałów (beton, bloczki gazobetonowe, cegły zwykłe, silikatowe i betonowe). Należy uwzględnić, że w strefie przyposadzkowej oddziaływania agresywne będą analogiczne jak posadzek. Należy wziąć to pod uwagę przy projektowaniu zabezpieczeń.
 

Ściany i stropy żelbetowe. W strefie powyżej oddziaływań gnoju i odchodów elementy narażone są na oddziaływania gazowe. Skład gazu w obiektach jest uzależniony od gatunku zwierząt, temperatury, skuteczności wentylacji. Oprócz dwutlenku węgla mogą występować: amoniak, siarkowodór i pięciotlenek fosforu. Dodatkowym czynnikiem zwiększającym agresywność środowiskową jest często obserwowane wykraplanie pary wodnej na powierzchni stropów (również ścian i okien), będące skutkiem wysokiej wilgotności w pomieszczeniu oraz niedostatecznej izolacyjności termicznej przegród. Przy projektowaniu nowych obiektów należy zważyć na wymagania dotyczące fizyki cieplnej z uwzględnieniem ograniczenia występowania punktu rosy na powierzchni stropów żelbetowych. Dla budynków istniejących należy dokonać analizy możliwości docieplenia przegród. Zabezpieczenie elementów żelbetowych stropów i ścian (tynków) należy wykonać metodą impregnacji lub impregnacji hydrofobizującej zgodnie z tab. 5 niniejszej publikacji.
 

Posumowanie
 

Przeprowadzona analiza istniejących wymagań dotyczących trwałości i ochrony powierzchniowej żelbetu wg norm europejskich i instrukcji ITB w zastosowaniu do konstrukcji rolniczych wykazała ich przydatność do oceny zagrożenia czynnikami atmosferycznymi i agresją chemiczną środowisk oraz do analizy zasad i metod ich ochrony. W celu skutecznego zabezpieczania konstrukcji rolniczych konieczne są zarówno zabiegi zwiększające trwałość betonu, jak i zabiegi zwiększające odporność betonu, stanowiące tzw. ochronę powierzchniową. Zastosowanie zabiegów zwiększających trwałość betonu i zbrojenia jest podstawowym zabezpieczeniem obiektu żelbetowego w danej klasie ekspozycji. Zabiegi zwiększające trwałość betonu i zbrojenia mogą być wystarczającą ochroną betonu w nieagresywnym chemicznie środowisku powietrznym lub w nieagresywnych, lub słabo agresywnych gruntach lub wodach gruntowych. Dotyczy to zewnętrznych powierzchni zbiorników i silosów.
 

W przypadku powierzchni betonowych stykających się z agresywnymi środowiskami gnojówki, gnojowicy, obornika, kiszonek, biomasy i biogazu zabiegi zwiększające trwałość betonu nie są wystarczające i konieczne jest dodatkowe zastosowanie ochrony powierzchniowej betonu. Do ustalania klas ekspozycji i agresywności chemicznej środowisk wewnętrznych niezbędne są dane o parametrach powietrza, dane meteorologiczne, analizy chemiczne wód gruntowych i gruntów, analizy chemiczne wybranych substancji chemicznych obornika, gnojówki/gno- jowicy, biomasy. Obecnie dane te są trudno dostępne, co stwarza problemy przy ocenie agresji chemicznej i doborze ochrony powierzchniowej betonu narażonego na działanie środowisk występujących w obiektach rolniczych. Wskazana byłaby inicjatywa pojęcia takich analiz chemicznych na potrzeby budownictwa. Byłoby to korzystne dla prawidłowego doboru zasady i metody ochrony powierzchniowej betonu zgodnie z obecnymi normami europejskimi i instrukcjami ITB. Tworzenie zbiorów danych uzyskiwanych podczas diagnozowania stanu technicznego obiektów rolniczych, z uwzględnieniem zaleceń normy PN-EN 1504-9, może stanowić podstawę do prognozowania ich trwałości oraz rozwoju technik badawczych i diagnostycznych wykorzystujących w szerszym niż obecnie stopniu nieniszczące metody badawcze i analizy numeryczne.
 

Literatura
 

1. PN-EN 206-1:2003 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
2. Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Gospodarki Żywnościowej z dnia 7 października 1997 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle rolnicze i ich usytuowanie (Dz.U. z 1997 r. Nr 132, poz. 877, z poźn. zm.).
3. PN-EN 1990:2004 Eurokod. Podstawy projektowania konstrukcji.
4. PN-B-06265:2004 Krajowe uzupełnienie normy PN-EN 206-1:2003 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
5. PN-EN 1992-1-1:2008 Eurokod 2. Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków.
6. Poradnik ITB 479/2012, Naprawa i ochrona konstrukcji żelbetowych, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2012.
7. L. Czarnecki, P Woyciechowski, Concrete carbonation as a limited process and its relevance to concrete cover thickness, ACI „Materials Journal” nr 3/2012, Vol. 109.
8. PN-EN 1504-2:2006 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych. Definicje, wymagania, sterowanie jakością i ocena zgodności. Część 2: Systemy ochrony powierzchniowej betonu.
9. PN-EN 1504-9:2010 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych. Definicje, wymagania, sterowanie jakością i ocena zgodności. Część 9: Ogólne zasady dotyczące stosowania wyrobów i systemów.
10. L. Czarnecki, P Łukowski, Naprawy i ochrona betonu zgodnie z PN-EN 1504, „Materiały Budowlane” nr 2/2009.
11. Instrukcja ITB nr 453/2009, Ochrona powierzchniowa betonu w warunkach agresji chemicznej, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2009.
12. PN-EN 13529:2005 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych. Metody badań. Odporność na silną agresję chemiczną.
13. ZUAT-15/VI.05-1:2009 Wyroby do zabezpieczania powierzchni betonowych przed korozją. Cz. 1: Wyroby do wykonywania ciągłych izolacji chemoodpornych. Ciekłe żywice syntetyczne i kompozycje z żywic syntetycznych.
14. A. Żakowicz, Wymagania dla zbiorników na gnojówkę/gnojowicę, „Budownictwo i Inżynieria Środowiska” nr 1/2010, Politechnika Białostocka.
15. J. Kwaśny, Z. Kowalski, M. Banach, Właściwości nawozowe gnojowicy w kontekście zawartości wybranych makro- i mikroelementów, 2-Ch/2011 zeszyt 10, Politechnika Krakowska.
16. M. Marszałek, M. Banach, Z. Kowalski, Utylizacja gnojowicy na drodze fermentacji metanowej i tlenowej, 2-Ch/2011 zeszyt 10, Politechnika Krakowska.
17. K. i K.R. Imhoff, Kanalizacja miast i oczyszczanie ścieków. Poradnik, Oficyna Wydawnicza Projprzem-EKO, Bydgoszcz 1996.
18. Z. Heinrich, A. Witkowski, Urządzenia do oczyszczania ścieków. Projektowanie i przykłady obliczeń, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2005.

dr inż. Teresa Możaryn

dr inż. Michał Wójtowicz