KOROZJA ELEMENTÓW ŻELBETOWYCH DEFINICJA KOROZJI

Transkrypt

1 KOROZJA ELEMENTÓW ŻELBETOWYCH DEFINICJA KOROZJI Korozja - samorzutne procesy destrukcyjne zachodzące w materiale, prowadzące do pogorszenia jego cech użytkowych, a w krańcowych przypadkach do całkowitego zniszczenia 1

2 KOROZJA FIZYCZNA KAWITACJA wyrywanie kruszywa i spoiwa z powierzchni betonu na skutek działania podciśnienia w strefie przystrumieniowej wody płynącej z dużą prędkością. v r =15 m/s koryta otwarte, v r =7 m/s koryta zamknięte 2

3 KOROZJA FIZYCZNA EROZJA -zużycie powierzchni betonu będące wynikiem mechanicznego oddziaływania na tę powierzchnię cząstek stałych transportowanych przez wodę lub powietrze z prędkością poniżej prędkości kawitacji KOROZJA FIZYCZNA KOROZJA MROZOWA Powierzchniowe ubytki i wykruszenia betonu. Woda zamarzając w porach i szczelinach powiększa swą objętość i rozsadza beton. 3

4 KOROZJA BIOLOGICZNA BAKTERIE W przypowierzchniowej warstwie betonu mogą istnieć bakterie nitryfikujące. W głębszych warstwach (1,5 do 2,3 cm od powierzchni), w betonie znajdują się bakterie: Vibrio denitrificans, Micrococcus radiatus, Bacterium croceum, ale tylko Bacterium croceum działa niszcząco na beton Najsilniej niszczą stwardniały zaczyn cementowy i beton bakterie denitryfikujące, które redukują azotany, a utleniają siarkę. W wyniku działania tych bakterii tworzy się kwas siarkowy wywołujący korozję kwasową lub siarczanową betonu Bakterie beztlenowe, wiążące azot, tworzą ze związków tłuszczowych (kolektory miejskie) kwas olejowy, który także niszczy beton. 4

5 PODZIAŁ KOROZJI ZE WZGLĘDU NA MECHANIZM I SKUTKI 5

6 RODZAJE KOROZJI BETONU WG PN-EN Norma PN-ENn-206-1, klasyfikuje środowiska ze względu na zagrożenie betonu: Brak zagrożenia korozją - XO Korozja spowodowana karbonatyzacją - XC Korozja spowodowana chlorkami nie pochodzącymi z wody morskiej - XD Korozja spowodowana chlorkami z wody morskiej - XS Korozja mrozowa (agresywne oddziaływanie mrozu) - XF Korozja chemiczna - XA Agresja wywołana ścieraniem - XM KOROZJA CHEMICZNA W zależności od składu środowiska agresywnego rozróżnia się następujące rodzaje korozji chemicznej: korozja ługująca, spowodowana działaniem wód miękkich, korozja kwasowa związana z aktywnością jonów wodorowych (ph) oraz zawartością agresywnego dwutlenku węgla, korozja siarczanowa, zależna od zawartości jonów siarczanowych, korozja magnezowa, zależna od zawartości jonów magnezowych, korozja chlorkowa, zależna od zawartości jonów chloru. 6

7 WARTOŚCI GRANICZNE KLAS EKSPOZYCJI DOTYCZACE AGRASJI CHEMICZNEJ SUBSTANCJE AGRESYWNE WOBEC BETONU CEMENTOWEGO Woda miękka, Kwasy: - nieorganiczne: bromowy, węglowy, chlorowodorowy, chromowy, siarkowy, azotowy, fosforowy, solny, siarkowodór - organiczne: octowy, mrówkowy, humusowy, mlekowy, masłowy, mocznikowy, Sole: - chlorki i siarczany (Ca, Na, NH 4, Mg, azotany i azotyny (Na, NH 4, K) siarczki (Fe), octany (Na), estry i mydła Alkohole Roztwory cukrów Oleje roślinne i zwierzęce Gazy spalinowe i dymy przemysłowe Bakterie i mikroorganizmy 7

8 KARBONATYZACJA BETONU Beton z racji swojej stosunkowo wysokiej liczby ph (12 13,5) stanowi dobrą osłonę, zabezpieczającą stal zbrojeniową przed korozją. Wysoka zasadowość betonu wynika ze związków wapnia i wodorotlenków alkali, występujących w strukturze betonu Jeśli ph spadnie poniżej 11, wtedy efekt aktywnej ochrony zaczyna zanikać. Przy spadku wartości współczynnika ph poniżej 9, ustaje pasywacja i stal zbrojeniowa praktycznie traci swoją ochronę antykorozyjną. Zasadniczym czynnikiem obniżającym ph betonu jest tak zwane zjawisko karbonatyzacji KARBONATYZACJA BETONU Wysokie ph wynika z obecności w spoiwie cementowym wodorotlenku wapniowego Ca(OH) 2 (portlandytu), powstającego w reakcji cementu z wodą: 2C 3 S + 6H = C 3 S 2 H 3 + 3Ca(OH) 2 C 2 S + 4H = C 3 S 2 H 3 + Ca(OH) 2 Jeżeli z jakiś przyczyn ph spadnie poniżej 11,5, zanika pasywacja stali w betonie. 8

9 KARBONATYZACJA BETONU Przyczyną obniżenia ph betonu jest najczęściej karbonatyzacja betonu (reakcja portlandytu z dwutlenkiem węgla z powietrza, stanowiąca proces naturalnego starzenia się betonu) KARBONATYZACJA BETONU W pierwszym stadium na powierzchni betonu wzdłuż prętów zbrojeniowych pojawiają się rysy, następnie odpada otulina betonowa. Karbonatyzacja betonu jest wietrzeniowym procesem chemicznym przebiegającym pod wpływem dwutlenku węgla i wody; wodorotlenek wapnia przeobraża się w węglan wapnia. Podczas karbonatyzacji wzrasta twardość i wytrzymałość betonu na ściskanie, a twardość ph maleje z ok. 12 do ok. 7, tzn. odczyn z zasadowego zmienia się na obojętny. Dla betonu jest to zjawisko pozytywne, natomiast dla zbrojenia negatywne. W betonie o odczynie zasadowym na powierzchni stali tworzy się pasywna warstwa tlenków chroniąca zbrojenie przed korozją. Warstwa ta zanika w betonie o wartości ph < ok. 9,5. 9

10 ODCZYN ŚRODOWISKA A KOROZJA ELEMENTÓW ŻELBETOWYCH KARBONATYZACJA BETONU 10

11 SZYBKOŚĆ KARBONATYZACJI BETONU GŁĘBOKOŚĆ KARBONATYZACJI BETONU Wpływ zawartości cementu na głębokość karbonatyzacji 11

12 KARBONATYZACJA BETONU 12

13 POMIAR GŁĘBOKOŚCI KARBONATYZACJI odkucie betonu odpylenie sprężonym powietrzem zwilżenie wodą destylowaną spryskanie roztworem fenoloftaleiny pomiar grubości warstwy niezabarwionej KONTROLA GŁĘBOKOŚCI KARBONATYZACJI BETONU 13

14 PASYWACJA STALI ZBROJENIOWEJ W silnie alkalicznym środowisku na powierzchni stali tworzy się bardzo szczelna, bardzo cienka warstwa wodorotlenku żelazowego, odcinająca dostęp do stali wody i tlenu, a więc zabezpieczająca przed korozją atmosferyczną (warstwa pasywna nie chroni przed korozją chlorkową oraz kwasową). Mówi się, że w betonie stal ulega pasywacji. SCHEMAT ROZWOJU KOROZJI STALI W BETONIE 14

15 KOROZJA STALI ZBROJENIOWEJ 1. ph betonu 11.8 Brak korozji 2. ph betonu Utrata warstwy pasywacyjnej 3. ph betonu < 9 Korozja stali KOROZJA STALI ZBROJENIOWEJ 15

16 KOROZJA ŁUGUJĄCA Najbardziej podatny na korozję jest wodorotlenek wapnia i ten składnik posiada największe znaczenie dla zachowania trwałości betonu, gdyż pozostałe składniki stwardniałego zaczynu cementowego mogą trwale egzystować tylko w środowisku zasadowym Stabilne wcześniej materiały ulegają rozpuszczeniu KOROZJA ŁUGUJĄCA Korozja ługująca (wypłukująca wapno) zachodzi w przypadku przecieków wody przez beton. Korozja biegnie tym szybciej, im bardziej miękka jest woda oraz o wyższej temperaturze (np.: w kotłowniach). Jeżeli przeciekająca przez beton woda odparowuje na dolnej powierzchni, to tworzą się na niej białe wykwity. Jeżeli woda skapuje z dolnej powierzchni betonu, to powstają na niej stalaktydy. Korozja ługująca prowadzi do spadku wytrzymałości betonu oraz korozji atmosferycznej stali. 16

17 KOROZJA KWASOWA Korozja wywołana wodami o cechach agresywności kwasowej, polega na rozpuszczeniu Ca(OH) 2 ze stwardniałego zaczynu cementowego w betonie, a następnie na rozkładzie uwodnionych krzemianów i glinianów wapnia. Korozja pod działaniem wód kwaśnych jest analogiczna do korozji ługującej wywołanej fizycznym wypłukiwaniem Ca(OH) 2. Różnica polega na tym, że w wypadku korozji ługującej obniżenie zasadowości odbywa się przy pomocy procesów fizycznych (wypłukiwanie Ca (OH) 2 ), natomiast w przypadku korozji kwasowej, na drodze reakcji chemicznych Ca(OH) 2 z kwasami. KOROZJA KWASOWA Korozja kwasowa betonu i stali zachodzi pod wpływem kwaśnych wód (np.: kwaśnych deszczy lub wód przemysłowych). Jest ona szybsza niż ługująca, a jej objawem są ubytki betonu spowodowane powstawaniem rozpuszczalnych w wodzie soli wapniowych. Korozja kwasowa stali również objawia się ubytkami powierzchniowymi lub o charakterze głębokich wżerów (sole żelaza są dobrze rozpuszczalne w wodzie). 17

18 KOROZJA SIARCZANOWA najgroźniejsze i najczęściej spotykane zagrożenie dla betonu, powstanie trudno rozpuszczalnych soli w porach betonu (MgCl 2,CaCl 2 ) obniżenie ph zaczynu, czynnik niszczący: anion siarczanowy SO 4 2-, składnik atakowany: wodorotlenek wapnia Ca(OH) 2, sole pęczniejące - wzrost naprężeń w betonie sól Candlota (trójsiarczanoglinian trójwapniowy). KOROZJA SIARCZANOWA Powstające związki mają większą objętość, wywołują znaczne naprężenia w porach, co powoduje rozsadzenie stwardniałego betonu ( tworzą się pęknięcia i rysy). Działanie jonów SO 4 jest najszkodliwsze wtedy kiedy występują one w połączeni z kationami Mg, Zn, Al, Cu, Fe, czyli w postaci soli słabych. W wyniku hydrolizy soli np. Fe 2 (SO 4 ) 3 następuje zwiększenie kwasowości roztworu: Fe HOH Fe (OH) 3 +3H + Następuje wtedy dodatkowe działanie korozyjne podobne do korozji kwasowej. 18

19 KOROZJA CHLORKOWA Proces postępowania degradacji betonu w wyniku działania jonów chloru [Arndt 2009] 19

20 KOROZJA CHLORKOWA Jony chlorkowe (z soli stosowanej do odladzania nawierzchni, z wody morskiej lub wód przemysłowych) do pewnego stężenia są wiązane przez beton w postaci soli Friedla i są stosunkowo mało groźne dla betonu, natomiast są bardzo korozyjne w stosunku do stali zbrojeniowej. Jon chlorkowy łatwo dyfunduje w wodzie i przenika przez warstwę pasywującą na stali. Zawartość jonu chlorkowego w nieskarbonatyzowanym betonie bez zbrojenia nie powinna przekraczać 1% masy cementu w betonie, w betonie zbrojonym nie powinna być wyższa niż 0,40% masy cementu, a w betonie sprężonym 0,20%. KOROZJA CHLORKOWA Dla betonu skarbonatyzowanego zbrojonego lub sprężonego klasy dopuszczalnej zawartości chlorków są o 50% niższe. Przy wyższych zawartościach chlorków może wystąpić destrukcja spoiwa cementowego objawiająca się powierzchniowymi złuszczeniami spoiwa, a powierzchnia betonu ma charakterystyczny mokry, szklisty wygląd. Ponieważ chlorek żelaza jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, nie musi wystąpić odsadzanie otulin prętów, natomiast mogą występować zacieki rdzewiastej barwy i zarysowania otulin. Korozja chlorkowa stali objawia się ubytkiem materiału, często występują głębokie wżery. Chlorki związane w betonie w postaci soli Friedla mogą ulec uwolnieniu w przypadku karbonatyzacji betonu, co może doprowadzić do korozji chlorkowej stali. 20

21 KOROZJA MAGNEZOWA PRZYKŁADY KOROZJI BETONU 21

22 PRZYKŁADY KOROZJI PRZYKŁADY KOROZJI Korozja siarczanowa płaszcza komina żelbetowego 22

23 PRZYKŁADY KOROZJI BETONU PRZYKŁADY KOROZJI 23

24 PRZYKŁADY KOROZJI BETONU Obraz betonu ulegającemu reakcji kruszyw z alkaliami PRZYKŁADY KOROZJI BETONU Kolejne fazy uszkodzenia płyty betonowej poddanej cyklicznie zmiennym obciążeniom 24

25 PRZYKŁADY KOROZJI BETONU Występujące na krawędzi płyty lotniskowej wykruszone (luźne) fragmenty betonu a) i uskok b) PRZYKŁADY KOROZJI BETONU 25

26 Korozja chlorkowa Na powierzchni betonu widoczne są białe wykwity. Na krawędziach rys, w miejscach nieszczelności izolacji, występują białe i/lub rdzawe wycieki. PRZYKŁADY KOROZJI BETONU Korozja siarczanowa Beton pęcznieje i traci spójność. Na powierzchniach murowanych występują białe wykwity. 26

27 PRZYKŁADY KOROZJI BETONU Korozja siarczanowa PRZYKŁADY KOROZJI BETONU 27

28 PRZYKŁADY KOROZJI BETONU PRZYKŁADY KOROZJI BETONU 28

29 PRZYKŁADY KOROZJI BETONU PRZYKŁADY KOROZJI BETONU 29

30 PRZYKŁADY KOROZJI BETONU korozja biologiczna 30