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

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

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

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^–, SO₄^2-, 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.