BADANIA CHEMICZNE BETONU

Transkrypt

1 BADANIA CHEMICZNE BETONU Wiaduktu nad linią kolejową Nr 25 Łódź-Dębica oraz Nr 7 Padew-Wola Baronowska w km 1,75 linii kolejowej Nr 065 w m. Padew Narodowa

2 Wyniki badań chemicznych Oznaczenie ph, pomiar głębokości karbonatyzacji, pół-ilościowe badania chemiczne stęŝenia chlorków w betonie. I. Dane ogólne o procesach fizyko-chemicznych Wykwity na elementach betonowych powstają, gdy w materiale zawarte są substancje rozpuszczalne. Na skutek działania wilgoci i jej ruchu w materiale substancje te zostają wyniesione na powierzchnię, gdzie po odparowaniu wody pozostają jako naloty. Źródłem wilgoci, poza opadami atmosferycznymi lub podciąganiem kapilarnym z gruntu, mogą być reakcje chemiczne zachodzące pomiędzy dyfundującymi w głąb elementami gazu, np: CO 2 [ Ca(OH) 2 + CO CaCO 3 + H 2 0 wytrąca się kalcyt - powstają nacieki wapienne] lub SO 2, [Ca(OH) 2 + H 2 SO CaSO 4 * 2H 2 0 (gips) - powstają wykwity gipsowe] a wodorotlenkiem wapniowym, w wyniku których wydziela się woda. Korozja Ŝelbetu (ogólnie) moŝe być zdefiniowana jako proces niszczenia powodowany korozją betonu i (lub) zbrojenia. Korozja zbrojenia moŝe wystąpić w wyniku skaŝenia betonu i przeniknięcia agresywnych substancji do stali zbrojeniowej bądź zobojętnienia betonu i utraty właściwości ochronnych przez otulinę zbrojenia. W warunkach prawidłowego funkcjonowania betonowej otuliny zbrojenia zapewnia ona jego ochronę przeciw korozji dzięki zobojętnieniu (pasywacji) powierzchni stali zbrojeniowej. Powodem zobojętnienia (pasywacji stali) jest wysoka alkaliczność betonu, a ściślej roztworu porowego w betonie, posiadającego ph > 12. W betonie nieskarbonatyzowanym stal znajduje się w środowisku zasadowym o ph = Stal jest w tych warunkach pokryta warstewką pasywną, złoŝoną z Fe 2 O 3 i Fe 3 O 4 hamują one rozpuszczanie się Ŝelaza, a więc korozja nie zachodzi nawet jeŝeli jest dopływ tlenu i wilgoci. Zmniejszenie ph do wartości < powoduje zapoczątkowanie procesów korozji stali. W obecności chlorków proces ten rozpoczyna się nawet przy wyŝszej wartości ph. Powstający produkt korozji Fe(OH) 2 ma większą objętość niŝ stal i rozsadza beton. W obecności chlorków powstaje chlorek Ŝelazawy, który lokalnie moŝe być źródłem kwasu solnego FeCl 2 + 2H 2 O ---- Fe(OH) 2 +2HCl powodującego korozję wŝerową zbrojenia. Trwałość Ŝelbetu w znaczący sposób zaleŝy od szczelności betonu i grubości utworzonej wokół zbrojenia otuliny. Karbonatyzacja jest naturalnym procesem zawsze zachodzącym w betonie. Z upływem czasu wodorotlenek wapniowy Ca(OH) 2 (rozpuszczalny i bardzo zasadowy składnik stwardniałego zaczynu) stanowiący jego spoiwo reaguje z dwutlenkiem węgla ( CO 2 ) zawartym w powietrzu. W rezultacie powolnego procesu (moŝna przyjmować, Ŝe w ciągu roku ulega karbonatyzacji warstewka betonu o grubości mm) powstaje obojętny węglan wapniowy i następuje zmniejszenie ph. W wyniku karbonatyzacji oprócz zmian właściwości betonu (spadek zdolności ochronnej) zmianie ulega jego wytrzymałość mechaniczna - następuje wzrost wytrzymałości. Ca(OH) 2 + CO CaCO 3 + H 2 0 4CaO *Al 2 O 3 * 12H CO CaCO 3 + 2Al(OH) 3 + H 2 0 3CaO *Al 2 O 3 * 3CaSO 4 * 31H CO CaCO 3 + 2Al(OH) 3 + 3(CaSO 4 * 2H 2 0 ) + 12H 2 0

3 3CaO * 2SiO 2 * 3H CO CaCO 3 + 2SiO 2 + 3H 2 0 Węglany są trudno rozpuszczalne w wodzie. CaCO 3 i MgCO 3 pod wpływem CO 2 i H 2 0 (kwas węglowy) przechodzą w wodorowęglany (kwaśne węglany) np. CaCO 3 + H CO Ca(HCO 3 ) 2.. Kwaśne węglany są w wodzie łatwo rozpuszczalne (generalnie zmniejszenie zasadowości). Zmniejszenie zasadowości i karbonatyzacja betonu posuwają się od powierzchni w głąb z prędkością zaleŝną przede wszystkim od porowatości (szczelności) betonu oraz od zawartości w nim wilgoci oraz czasu. Najszybszy spadek ph i postęp karbonatyzacji betonu występuje w przypadku wilgotności betonu wynoszącej 1-1.5%, jaka ustala się w powietrzu o wilgotności względnej w granicach 50-70% (a więc najczęściej występującym) Korozja siarczanowa wywołana jest reakcją składników betonu ze środowiskiem zawierającym jony SO w korozji siarczanowej jony siarczanowe reagują ze składnikami stwardniałego zaczynu cementowego, tworząc nierozpuszczalne produkty korozji, krystalizujące z przyłączeniem wody i zwiększające przy tym znacznie swoją objętość. W pierwszej fazie wodorotlenek wapniowy przechodzi w uwolniony siarczan wapniowy: Ca(OH) 2 +SO CaSO 4 + 2OH - CaSO 4 + 2H CaSO 4 * 2H 2 0 Następnie zaś powstaje monosiarczanoglinian 3CaO *Al 2 O 3 +CaSO 4 * 2H H 2 O CaO *Al 2 O 3 * CaSO 4 * 12H 2 0 lub siarczanoglinian trójwapniowy, zwany teŝ etryngitem lub solą Candlota 3CaO *Al 2 O 3 + 3CaSO 4 * 2H H 2 O CaO *Al 2 O 3 * 3CaSO 4 * 32H 2 0 jest to tzw. bakcyl cementowy. W pierwszym stadium korozji siarczanowej następuje uszczelnienie betonu wskutek stopniowego wypełniania kapilar i porów materiału, czemu towarzyszy zwiększenie wytrzymałości. Przy dalszym wzroście kryształów powstają bardzo duŝe napręŝenia wewnętrzne (np. ciśnienie krystalizacyjne przy przejściu CaSO 4 w CaSO 4 * 2H 2 0 wynosi ok. 1 MPa), powodujące rysy i pęknięcia, a wreszcie całkowite zniszczenie betonu. Jest ona zarazem szczególnie niebezpieczna, zwłaszcza gdy występuje łącznie z korozją kwasową, co ma miejsce podczas opadów kwaśnych deszczy. Korozja chlorkowa - chlorki obecne w betonie, pochodzą najczęściej ze środków odladzających, nie niszczą w zasadzie struktury samego betonu (uwaga: stosowanie solenia w okresie zimowym powoduje szkodliwe dla betonu działania, chlorki, krystalizując, mogą w strefie zmieniającego się zawilgocenia betonu powodować korozję fizyczną: reagując z wapnem, tworzą łatwo rozpuszczalny chlorek wapniowy, po którego wypłukaniu beton jest bardziej porowaty i przepuszczalny) powodują natomiast korozję stali zbrojeniowej, a stąd jej pęcznienie (pęcznienie rdzy) i rozsadzanie (odspajanie) betonowej otuliny. Chlorki w nieskarbonatyzowanym betonie wiązane są głównie poprzez Al 2 O 3 z cementu, w wyniku czego powstaje sól Friedela czyli 3CaO *Al 2 O 3 * H 2 0, trudno rozpuszczalna w wodzie. Beton na cemencie portlandzkim o przeciętnej zawartości Al 2 O 3 wiąŝe 0.4% Cl od masy cementu w tym betonie. Tę właśnie wartość przyjęto jako krytyczną dla Ŝelbetu. Wartość krytyczna odnosi się do przypadku betonu nieskarbonatyzowanego. Karbonatyzacja powoduje bowiem rozkład soli Friedla, a tym samym uwolnienie do roztworu porowego (zaktywizowanie) zawartych w niej chlorków.

4 II. Dane szczegółowe dotyczące badań fizyko-chemicznych przeprowadzonych na wiadukcie kolejowym w km 1,75 linii LHS Badania przeprowadzono w miejscach nie wykazujących zarysowań typu korozyjnego. Pobrano próbki, nawiercając elementy na głębokość do 5,5 cm. Wykaz badań w dalszej części opracowania.. Badania wykonano w czerwcu 2013 r. Zasady interpretacji wyników badań właściwości ochronnych betonowej otuliny zbrojenia wystawionej na działanie korozji chlorkowej i atmosferycznego CO 2 przeprowadza się na podstawie znajomości: 1. Cech makroskopowych betonowej otuliny zbrojenia 2. Zmian ph otuliny w profilu prostopadłym do powierzchni elementu 3. Zmian zawartości chlorków w profilu j.w. 1. Makroskopowa ocena właściwości ochronnych betonu względem zbrojenia. Makroskopowa ocena właściwości ochronnych betonowej otuliny zbrojenia opiera się na wynikach lustracji stanu konstrukcji obiektu. O obecności korozji zbrojenia pod otuliną tj. o utracie właściwości ochronnych tej otuliny względem zbrojenia świadczą: - odspojenie otuliny odsłaniające zardzewiałe fragmenty zbrojenia, - spękania otuliny, zgodnie na ogół z kierunkiem ułoŝenia prętów, - rdzawe wykwity na powierzchni otuliny, - głuchy odgłos młotka podczas ostukiwania betonowej otuliny elementu, świadczący o braku przyczepności otuliny do zbrojenia Badania makroskopowe konstrukcji podpór analizowane pod kątem w/w czynników, wskazują, Ŝe nie są zachowane właściwości ochronne betonu (lokalnie) względem zbrojenia dla następujących elementów obiektu: podpór - (przyczółki łącznie ze ścianką zapleczną, skrzydłami) O prawdopodobieństwie korozji zbrojenia, a więc i utraty właściwości ochronnych jego otuliny świadczą: - przecieki wód nawierzchniowych przez badany element, zarówno w postaci ciemnych wilgotnych plam o słonawym smaku, jak i białych wykwitów, stalaktytów na otulinie - objawy zwiększonej porowatości betonu wyraŝające się: - złuszczeniami mrozowymi betonu otuliny w strefach zacieków wód nawierzchniowych oraz bezpośredniego działania deszczów, - białymi wykwitami na otulinie w pobliŝu styku elementu z gruntem, wskazujące na ułatwione podsiąkanie wody w betonie Badania makroskopowe analizowane pod kątem w/w czynników, wskazują na prawdopodobieństwo utraty przez otulinę zbrojenia właściwości ochronnych, dotyczy następujących elementów obiektu: podpór - (przyczółki łącznie ze ścianką zapleczną, skrzydłami) 2. Ocena właściwości ochronnych betonowej otuliny zbrojenia, na podstawie pomiarów ph W przeprowadzonej na podstawie wyników oznaczeń zmian ph betonu w profilu prostopadłym względem powierzchni badanego elementu przyjmuje się, Ŝe w przypadku gdy:

5 - ph < - otulina utraciła właściwości ochronne i nastąpiło bardzo silne zobojętnienie beton, - ph < - otulina utraciła właściwości ochronne, -.5 < ph < właściwości ochronne otuliny zachowały się, ale nastąpiło wydatne obniŝenie ph otuliny, - ph > 12 - otulina zachowała właściwości ochronne. 3. Ocena właściwości ochronnych betonowej otuliny zbrojenia, na podstawie pomiaru zawartości chlorków w betonie W przypadku nieskarbotyzowanego betonu zbrojonego przy zawartości w betonie: Cl - < 0.2% - beton zachował właściwości ochronne względem zbrojenia, Cl- = % - nie wyklucza się słabych objawów korozji zbrojenia, zwłaszcza w przypadku pogorszonej szczelności otuliny oraz cyklicznym jej zwilŝaniu przez wody nawierzchniowe i wysychaniu, Cl- > 0.4% - istnieją warunki do chlorkowej korozji stali zbrojeniowej. 4. Ocena właściwości ochronnych betonowej otuliny zbrojenia, na podstawie pomiaru zawartości siarczków w betonie W przypadku betonu zbrojonego nieskarbotyzowanego przy zawartości w betonie: SO 2-4 < 0.4% - beton zachowuje właściwości ochronne względem zbrojenia, SO 2-4 = 0.5% - 1.5% - nie wyklucza się słabych objawów korozji zbrojenia, SO 2-4 > 1.6% - jest szkodliwa dla stali zbrojeniowej. 5. Wartość graniczna azotanów szkodliwa dla stali zbrojeniowej wynosi 0.15% Uwaga: podane wartości procentowe dotyczą stęŝenia wagowego. Wnioski z badań: - dla wszystkich badanych elementów otulina utraciła właściwości ochronne (badanie oznaczenia ph) - generalnie dla wszystkich badanych elementów beton nie zachował właściwości ochronnych względem zbrojenia z uwagi na chlorki. - beton nie zachował właściwości ochronnych z uwagi na zawartość siarczków

6 BADANIA CHEMICZNE BETONU (szczegółowe) Lp. ELEMENT WYNIKI BADANIA NA GŁĘBOKOŚCI OBIEKTU BADANIA Korpus 8 0,30 0,25 Sławkowa 1,2 Korpus Sławkowa Korpus Zamościa Korpus Zamościa Skrzydło Zamościa Skrzydło Sławkowa - > 1,6 8 0,30 1,1 8 0,30 1,7 8 0,35 1,8 0,15 1,0 1,0 0,25 0,25 0,25 0,15 0,15 UWAGI