Konstrukcje żelbetowe w obiektach rolniczych – trwałość i ochrona

Konstrukcje żelbetowe podlegają w trakcie eksploatacji oddziaływaniom środowiskowym, które powodują mniej lub bardziej intensywną degradację betonu i stali zbrojeniowej.

Fot. stock.adobe / embeki

Niszczenie konstrukcji żelbetowych spowodowane jest przez następujące procesy:

• fizyczne – np. zawilgacanie, zamarzanie/rozmarzanie, odkształcenia i przemieszczenia, krystalizacja soli w kapilarach i rysach betonu, erozja, uderzenia, ścieranie, zarysowania, kawitacja;
• chemiczne – np. korozja kwasowa, siarczanowa, węglanowa, magnezowa, amonowa, zasadowa, korozja stali zbrojeniowej.

Środowiska, w których użytkowane są konstrukcje żelbetowe, dzielą się na dwie zasadnicze grupy: zewnętrzne i wewnętrzne.

Od zewnątrz konstrukcje z betonu narażone są na działanie czynników atmosferycznych i gruntów, wody morskiej i środków odladzających. Dotyczy to wszelkich obiektów żelbetowych [1]. Wewnątrz obiektów elementy konstrukcji z betonu narażone są na działanie agresywnych środowisk chemicznych jedynie w obiektach budownictwa przemysłowego, spożywczego lub pokrewnych, gdzie w trakcie eksploatacji używane i/lub wydzielane są substancje chemiczne.
Czytaj też: Jak chronić powierzchnie żelbetowe w rolnictwie
Szczególną rolę w procesach niszczenia odgrywa woda. Mechanizm niszczenia betonu i zbrojenia z udziałem wody ma charakter zarówno fizyczny, chemiczny, jak i elektrochemiczny. Szkodliwe działanie wody polega nie tylko na wchodzeniu przez nią w bezpośrednie reakcje z materiałami, ale przede wszystkim na aktywizowaniu obecnych w środowisku substancji chemicznych. Szkodliwe działanie substancji chemicznych występujących w zewnętrznym środowisku obiektu żelbetowego jest dodatkowo intensyfikowane przez oddziaływanie czynników atmosferycznych. W obiektach budownictwa rolniczego występujące substancje chemiczne stanowią zwykle środowiska agresywne wobec żelbetu. W celu zapobieżenia przedwczesnemu niszczeniu konstrukcji żelbetowych użytkowanych w środowiskach agresywnych stosuje się różne techniki ich zabezpieczania. Powszechne są zabiegi zwiększające trwałość betonu oraz zabiegi zwiększające odporność betonu, stanowiące tzw. ochronę materiałowo-strukturalną i powierzchniową.

Specyficzne warunki użytkowania obiektów rolniczych, w których występują substancje chemiczne, oraz stawiane tym obiektom wymagania [2] sprawiają, że już na etapie projektowania powinny być uwzględniane zasady i metody ochrony betonu i stali zbrojeniowej przed korozją i niszczącymi czynnikami atmosferycznymi. Artykuł dotyczy stosowania istniejących wymagań trwałości i ochrony powierzchniowej żelbetu według norm europejskich i instrukcji ITB do oceny zagrożenia obiektów rolniczych agresją środowisk oraz do analizy zasad i metod ich ochrony.

Wymagania dotyczące trwałości i ochrony betonu

Trwała konstrukcja powinna być tak zaprojektowana i wykonana, aby w projektowanym okresie użytkowania i przy uwzględnieniu przewidywanego poziomu utrzymania zmiany następujące w wyniku wpływów środowiska nie obniżyły właściwości użytkowych konstrukcji poniżej założonego poziomu [3]. Zwiększenie trwałości betonu polega na odpowiednim doborze jego składników, stosowaniu innych zabiegów przed stwardnieniem (np. zagęszczanie, specjalna ochrona zbrojenia). W normach oraz instrukcjach ITB [1,3, 4, 5, 6] zawarte są wymagania dotyczące trwałości. Te wymagania obejmują określenie właściwości mieszanki betonowej i stwardniałego betonu wobec oddziaływań środowiskowych sklasyfikowanych w klasach ekspozycji. Są one ściśle powiązane z klasyfikacją środowisk zewnętrznych działających na konstrukcję [1,4, 7]. Można wyróżnić zasadnicze właściwości, które – jeżeli spełniają stawiane im wymagania – pozwalają na zwiększenie trwałości betonu w danej klasie ekspozycji:

• współczynnik w/c,
• zawartość cementu,
• klasa wytrzymałości,
• grubość otuliny stali zbrojeniowej,
• szerokość rys.

Dla klas ekspozycji w warunkach zamrażania/rozmrażania wymagane są odpowiednie mrozoodporne kruszywa i określona zawartość powietrza w mieszance betonowej, a dla klas ekspozycji w warunkach agresji chemicznej – stosowanie odpowiedniego cementu, np. siarczanoodpornego (gdy występuje agresja siarczanowa).

W tab. 1 podano przykładowe zestawienie wymagań właściwości mieszanki betonowej i betonu w powiązaniu z klasami ekspozycji oddziaływania środowisk na beton, w których najczęściej użytkowane są obiekty rolnicze.

Tab. 1. Przykładowe zestawienie wymagań dla składu i właściwości betonu zalecanych przy zwiększaniu trwałości beton (opracowano na podstawie tab. F1 [1])

Wymagania dotyczące ochrony stali zbrojeniowej przed korozją obejmują: grubość otulenia betonem [5], zabezpieczenia powłokowe prętów zbrojeniowych i ochronę katodową [9].

Podstawowym wymaganiem, które powinno być zawsze uwzględniane, jest żądanie minimalnej grubości otuliny betonowej stali zbrojeniowej ze względu na ochronę stali przed korozją w powiązaniu z klasami ekspozycji środowisk. W tab. 2 zestawiono przykładowe wymagane minimalne grubości otuliny betonowej dla klas ekspozycji środowiskowych, w których najczęściej użytkowane są obiekty rolnicze.

Tab. 2. Minimalne grubości otuliny betonowej [mm] wymagane ze względu na trwałość stali zbrojeniowej (opracowano na podstawie tab. 4.4N [5])

Ochrona powierzchniowa polega na zwiększeniu odporności konstrukcji z betonu na działanie środowisk agresywnych przez ograniczenie lub odcięcie dostępu środowiska agresywnego do powierzchni betonu. Ochronę powierzchniową uzyskuje się w wyniku powlekania powierzchni stwardniałego betonu wyrobami tworzącymi w efekcie przebiegu reakcji fizykochemicznych w przypowierzchniowej warstewce lub na powierzchni betonu barierę zabezpieczającą.
Wymagania dotyczące ochrony powierzchniowej betonu ujmują obecnie dostępne normy i instrukcje ITB [8, 9,11, 13]. Wymagania te odnoszą się do właściwości użytkowych zabezpieczeń powierzchniowych betonu decydujących o ich skuteczności ochronnej. Ochronę powierzchniową dobiera się w zależności od mechanizmu niszczenia betonu i zbrojenia, stosując odpowiednią zasadę ochrony. Każdą zasadę ochrony można realizować kilkoma metodami [9, 10].

Do danej zasady i metody ochrony mogą być stosowane różne rodzaje wyrobów (tab. 3).

Tab. 3. Zestawienie wymagań do zasad i metod ochrony oraz podstawowych właściwości użytkowych wyrobów wymaganych dla danej zasady i metody (opracowano na podstawie tab. 5 [11])

Wyroby te muszą wykazywać odpowiednie właściwości użytkowe, umożliwiające realizację danej zasady i metody ochrony, oraz spełniać stawiane im wymagania z zakresie cech identyfikacyjnych i właściwości użytkowych. Spełnianie wymagań przez wyroby powinno być potwierdzone deklaracją zgodności z normą lub krajową oceną techniczną.

Żelbetowe konstrukcje rolnicze – charakterystyka oddziaływań środowiskowych i analiza zagrożeń korozyjnych

Spośród żelbetowych budowli rolniczych szczególnie narażone na oddziaływania środowiskowe są: zbiorniki na płynne odchody zwierzęce, płyty do składowania obornika, silosy na kiszonkę, silosy na paszę i zboże, komory fermentacyjne, zbiorniki biogazu [14, 15, 16, 17, 18].

Zobacz też: Odległość zbiorników na odchody zwierzęce od magazynów środków spożywczych

Płyty obornikowe i zbiorniki na płynne odchody zwierzęce są typowymi elementami wyposażenia gospodarstw rolniczych. Płyty obornikowe są sytuowane na gruncie, pozostają w kontakcie z atmosferą, mają stały kontakt z obornikiem, który podlega reakcjom chemicznym prowadzącym do wytworzenia się gnojówki i gnojowicy. Gnojówka i gnojowica odprowadzane są do zamkniętych zbiorników na gnojówkę i gnojowicę kanalizacją, w którą wyposażone są płyty obornikowe. Zbiorniki służą do przechowywania gnojówki i gnojowicy, czyli naturalnych nawozów.

Silosy na kiszonkę w większości stanowią konstrukcje wieżowe z żelbetu, o średnicy od 3 do 10 m i wysokości od 16 do 20 m. Stosowane też są silosy przejazdowe z betonu lub prefabrykowane, o szerokości do 5 m. W silosach na kiszonkę magazynowana jest pasza soczysta zawierająca: kukurydzę, słonecznik, liście buraczane, rzepę, brukiew, kapustę pastewną itp. rośliny. Pasza ta poddawana jest kiszeniu kwasem mlekowym, w wyniku czego otrzymuje się kiszonkę dla zwierząt domowych. W trakcie kiszenia paszy soczystej wydzielają się soki kiszonkowe. Soki kiszonkowe są odprowadzane z silosów do studzienek zbiorczych, w które są wyposażone. Silosy na zboże i pasze służą do magazynowania suchego pokarmu dla zwierząt w postaci ziaren zbóż i suchych pasz, np. siana. Silosy te wykonywane są głównie z płaskiej blachy ocynkowanej, a także z żelbetu. Warunki użytkowania wewnątrz silosów są specyficzne, tzn. wymagana jest niska, kontrolowana wilgotność.

Komory fermentacyjne na biogaz stanowią konstrukcję w kształcie walca. Komory są zhermetyzowane, izolowane cieplnie, wyposażone w system grzewczy i mieszadła pionowe lub poziome.

Do komór fermentacyjnych wprowadzana jest biomasa obejmująca: gnojowicę, gnojówkę, obornik, odpady zielone, np. kukurydzę, liście rzepaku. W wyniku fermentacji w komorze powstają gazy fermentacyjne nazywane biogazem lub agrogazem oraz zalegająca w dolnej części masa przefermentowana.

Zbiorniki biogazu przeznaczone są do przechowywania biogazu. Według rozporządzenia [2] powinny być konstrukcjami niskociśnieniowymi, metalowymi, żelbetowymi lub z tworzyw elastycznych. Zbiorniki metalowe i z tworzyw sztucznych montuje się do betonowych platform. Stosowane są również zbiorniki biogazu w postaci kopuł szczelnie zamontowanych do górnych krawędzi komór fermentacyjnych, w których gaz zbiera się bezpośrednio nad komorą fermentacyjną, w której powstaje. Kopuły te wykonywane są z laminatów z tkanin polimerowych pokrytych tworzywami PCV lub PU.

Polecamy: Silosy i zbiorniki na gnojowicę – budowa na zgłoszenie

Oddziaływania środowiskowe na wyżej opisane obiekty zestawiono w tab. 4.

Tab. 4. Oddziaływania środowiskowe na żelbetowe obiekty rolnicze

Przy ocenie zagrożenia korozyjnego rozpatruje się całość oddziaływań środowiskowych. Często konstrukcja podlega jednocześnie kilku oddziaływaniom i wówczas każde z nich powinno być sklasyfikowane. Do ustalania klas ekspozycji niezbędne są dane o parametrach powietrza, analizy chemiczne wód gruntowych i gruntów, analizy chemiczne wybranych substancji chemicznych obornika, gnojówki/gnojowicy, biomasy, dane meteorologiczne.

Omawiane w artykule żelbetowe konstrukcje rolnicze będą narażone na działanie środowiska zewnętrznego, obejmującego: czynniki atmosferyczne, gazy kwaśne zawarte w powietrzu oraz ewentualnie wody gruntowe. Wyjątek stanowią komory fermentacyjne, których zewnętrzne powierzchnie betonowe są izolowane od atmosfery i gruntu. Omawiane konstrukcje, z wyjątkiem silosów na zboża i pasze, są od wewnątrz narażone na działanie środowisk o różnej agresji chemicznej. W silosach na zboża i pasze, przy prawidłowym użytkowaniu, nie występuje agresywne środowisko chemiczne.

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 uzupełnienia 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 2012, Vol. 109, nr 3.
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, Wlaściwości nawozowe gnojowicy w kontekście zawartości wybranych makro i mikro elementów, 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