II Interdyscyplinarna Sesja Wyjazdowa Doktorantów Politechniki Śląskiej

Transkrypt

1 BADANIA ZAGROŻENIA KOROZJĄ ŻELBETOWYCH STÓP FUNDAMENTOWYCH SŁUPÓW HALI PRODUKCYJNEJ W ZAKŁADZIE CHEMICZNYM Autorzy: mgr inż. Jacek Kołodziej, mgr inż. Michael Pamuła a Opiekun naukowy: dr hab. inż. Mariusz Jaśniok a Katedra Konstrukcji Budowlanych Wydział Budownictwa Politechnika Śląska Jacek.Kolodziej@polsl.pl, Michael.Pamula@polsl.pl Słowa Kluczowe: konstrukcje żelbetowe, beton, stal zbrojeniowa, diagnostyka korozyjna, badania zobojętnienia betonu Streszczenie: W użytkowanej ponad 40 lat hali przemysłowej na terenie zakładów chemicznych w południowej Polsce, w związku z planowaną modernizacją powstała konieczność wykonania oceny stanu technicznego konstrukcji. W ramach ekspertyzy technicznej między innymi wykonano badania korozyjne żelbetowych stóp fundamentowych słupów konstrukcji nośnej hali. W artykule opisano metodykę i przebieg badań oraz wnioski dotyczące oceny zagrożenia korozją badanych fundamentów. STUDIES ON CORROSION HAZARD OF CONCRETE SPOT FOOTINGS OF PRODUCTION HALL COLUMNS IN THE CHEMICAL PLANT keywords: reinforced concrete structures, concrete, reinforcing steel, corrosion diagnostics, tests of concrete neutralization Politechnika Śląska Gliwice-Szczyrk

2 1. Wprowadzenie W związku z planowaną przebudową i modernizacją hali przemysłowej na terenie jednego z zakładów chemicznych na południu Polski, Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej zalecono wykonanie ekspertyzy technicznej fundamentów konstrukcji nośnej hali. Główną przesłanką zlecenia badań fundamentów było podejrzenie zarządcy obiektu, że sporadycznie zdarzające się lokalne awarie związane z wypływem na posadzkę hali produkowanych substancji chemicznych mogą, po ewentualnym przeniknięciu przez spękania i rysy posadzki, zagrażać bezpieczeństwu (stabilności) konstrukcji posadowienia hali. Dlatego też celem prac realizowanych w ramach ekspertyzy była wieloaspektowa analiza stanu technicznego stóp fundamentowych podpierających słupy konstrukcji nośnej hali. Natomiast w niniejszym artykule skoncentrowano uwagę jedynie na aspekcie związanym z badaniami zagrożenia korozją żelbetowych fundamentów. Wszystkie badania przeprowadzono na wyciętych ze stóp fundamentowych walcowych rdzeniach betonowych, co stanowi typowe postępowanie przy tego typu pracach o charakterze ekspertyzowym [1, 2, 3, 4]. Rys. 1. Jedna z badanych stóp fundamentowych hali produkcyjnej: a) lokalizacja stopy na rzucie fundamentów, b) rzut odkrywki stopy, c) przekrój poprzeczny stopy ze słupem w odkrywce z zaznaczonym miejscem wykonania odwiertu Politechnika Śląska Gliwice-Szczyrk

3 Fundamenty hali stanowiły żelbetowe stopy fundamentowe (rys. 1, 2) podpierające stalowe i żelbetowe słupy konstrukcji nośnej. Osiowe rozstawy między słupami w kierunku podłużnym obiektu wynosiły 9 24 m, natomiast w kierunku poprzecznym rozstaw był stały i wynosił 6 m. W hali zastosowano dwa rodzaje trapezowych stóp fundamentowych: mniejsze o wymiarach podstawy 3,0 5,0 m z mimośrodowo usytuowanym słupem oraz nieco większe o wymiarach podstawy 5,7 3,0 m ze słupem osadzonym centralnie. W celu przeprowadzenia badań betonu w warunkach laboratoryjnych sumarycznie wykonano dziesięć odkrywek stóp fundamentowych w różnych miejscach hali. W odsłoniętych fragmentach górnych powierzchni fundamentów (rys. 2) wytypowano jedno lub dwa miejsca, z których pobierano walcowe rdzenie betonowe. Ponieważ główne zbrojenie stóp fundamentowych znajdowało się w najniższej części betonowej bryły, równolegle do płaszczyzny podstawy, dlatego wycięte rdzenie nie zawierały zbrojenia. a) b) otwór po wycięciu rdzenia Rys. 2. Widok jednej z odkrywek fundamentu: a) wiertnica do betonu w tracie wycinania rdzenia, b) otwór po wycięciu rdzenia przy dolnej krawędzi ukośnej powierzchni stopy W odkrywkach fundamentów rdzenie zostały wycięte wiertnicą do betonu (rys. 2a). Łącznie pobrano do badań piętnaście rdzeni o stałej średnicy 104 mm i zróżnicowanych długościach od 160 do 460 mm. Na powierzchni rdzeni stwierdzono izolację przeciwwilgociową o zróżnicowanej grubości (widoczny czarny nalot na górnej powierzchni próbki). Kolejnym etapem po pobraniu rdzeni, było ich przygotowanie do badań w warunkach laboratoryjnych, poprzez podział na mniejsze regularne elementy próbki (rys. 3). Wycinając próbki starano się zachować stosunek wysokości do średnicy próbki zbliżony do jedności, zalecany w nieomawianych w niniejszym artykule badaniach wytrzymałościowych. Nie dotyczyło to próbek z warstw zewnętrznych oraz próbek krańcowych, z uwagi na nieregularny kształt zakończenia rdzeni. Otrzymano w ten sposób z 15. rdzeni 54 próbki do dalszych badań. Rys. 3. Podział betonowego rdzenia na walcowe próbki Politechnika Śląska Gliwice-Szczyrk

4 2. Przyjęte założenia do badań korozyjnych żelbetowych stóp fundamentowych W przypadku konstrukcji żelbetowych może występować zarówno korozja stali zbrojeniowej, korozja betonu jak i równoczesna korozja stali i betonu. Ocenę stopnia zagrożenia korozją prętów zbrojeniowych w betonie zazwyczaj prowadzi się poprzez badania właściwości ochronnych otuliny betonowej oraz badania elektrochemiczne stali zbrojeniowej [5, 6]. Natomiast badania korozji betonu najogólniej rzecz ujmując zmierzają do ustalenia przyczyn spadku wytrzymałości lub zwartości struktury betonu. W opisywanych badaniach przeprowadzenie badań elektrochemicznych (np. polaryzacyjnych) nie było technicznie możliwe [7], ze względu na brak dostępu do głównego zbrojenia stóp fundamentowych, zlokalizowanego w jej dolnej części. Natomiast badania właściwości ochronnych betonu względem stali zbrojeniowej oraz badania chemiczne betonu wykonano realizując w pierwszej kolejności nieniszczące badania cech fizycznych gęstości i nasiąkliwości. W dalszej kolejności próbki zostały poddane badaniom wytrzymałościowym oraz chemicznym stopnia zobojętnienia betonu. Ocenę stopnia zobojętnienia betonu wykonano w sposób precyzyjny, poprzez pomiar ph w modelowych roztworach cieczy porowej betonu oraz w sposób zgrubny testem fenoloftaleinowym. Ze względu na niszczący charakter obu badań na każdej próbce zostało wykonane tylko jedno z wymienionych badań [5, 8]. 3. Precyzyjna ocena stopnia zobojętnienia betonu poprzez pomiar ph cieczy porowej betonu Pierwszym z badań chemicznych było badanie stopnia zobojętnienia betonu w tzw. modelowych roztworach cieczy porowej betonu. Generalnie do odwzorowania cieczy porowej betonu można zastosować jedną z trzech metod [5]. Pierwszą z nich jest metoda ekstrakcji ciśnieniowej opracowana w Francji [6], która polega na wyciskaniu cieczy porowej z próbki pod wysokim ciśnieniem. Drugą metodą jest ekstrakcja próżniowa [9] polegająca na próżniowym zatężaniu wyługowanego wodą rozdrobnionego betonu. Ostatnią z metod, a zarazem najprostszą i najszybszą techniką odwzorowania cieczy porowej, jest wykonanie wyciągu wodnego z rozdrobnionego betonu. Ponieważ omawiane badania były realizowane w ramach ekspertyzy technicznej, dlatego też ze względu na ograniczenia czasowe zdecydowano się zastosować trzecią z wymienionych metod. W pierwszym kroku pozyskano materiał do badań (rys. 4a) poprzez warstwowe pobieranie rozdrobnionego betonu. Metodyka badania jest następująca. Po umieszczeniu na stanowisku próbki nakłada się na nią prowadnicę urządzenia ścierającego, która ogranicza obszar ścierania do koła o średnicy 73 mm. W prowadnicy umieszcza się ściernicę i ustala skok frezu. Przemieszczając ręcznie ściernicę w ograniczeniach prowadnicy następuje warstwowe rozdrabnianie betonu. Uzyskany rozdrobniony beton umieszcza się w oznakowanych pojemnikach do dalszej analizy (rys. 7b). W przypadku badanych pięciu próbek wykonano ścieranie w 12. warstwach o grubości 2 mm [5]. Następnie wykonano wyciąg wodny poprzez zmieszanie rozdrobnionego betonu z wodą destylowaną w stosunku wagowym 1:1 [5]. Otrzymaną zawiesinę wstrząsano co kilka godzin w ciągu doby. W ostatnim etapie przeprowadzono filtrowanie zawiesiny przez sączek. Ze względu na bardzo wolny przebieg sączenia zastosowano podciśnienie wykorzystując kolbę połączoną z pompą próżniową (rys. 4c). Faza stała zawiesiny zostaje w ten sposób odsączona, a faza ciekła w przybliżeniu odwzorowuje ciecz zawartą w porach betonu. Tak otrzymane wyciągi wodne poddano badaniu ph za pomocą pehametru stacjonarnego Mettler Toledo (rys. 5). Na wykresie (rys. 6) czerwonymi liniami przerywanymi naniesiono dwa poziomy graniczne odczynu cieczy porowej betonu: ph = 11,8 oraz ph = 10. Poniżej pierwszej z wymienionych wartości granicznych (ph < 11,8) następuje inicjacja procesów korozyjnych na zbrojeniu. Natomiast zobojętnienie betonu poniżej drugiej wartości granicznej (ph < 10) może powodować destrukcję struktury betonu [5]. Analiza otrzymanych pięciu rozkładów wartości ph wskazuje, że w żadnej z analizowanych próbek nie nastąpiło zobojętnienie cieczy porowej poniżej poziomu (ph < 10). Natomiast w każdej z badanych próbek, chociaż w jednej warstwie nastąpiło przekroczenie poziomu ph, poniżej którego powierzchnia stali zbrojeniowej w betonie może być zagrożona procesami korozyjnymi. Politechnika Śląska Gliwice-Szczyrk

5 a) b) c) Rys. 4. Odwzorowanie cieczy porowej z betonu próbek: a) stanowisko do warstwowego pobierania betonu, b) oznakowane pojemniki z pobranym materiałem do badań, c) układ wykorzystujący podciśnienie do przesączania zawiesiny rozdrobnionego betonu w wodzie destylowanej Rys. 5. Pomiar ph wyciągu wodnego z betonu modelującego w przybliżeniu ciecz porową betonu Politechnika Śląska Gliwice-Szczyrk

6 Rys. 6. Rozkład wartości ph betonu w próbkach 4. Oszacowanie stopnia zobojętnienia betonu metodą fenoloftaleinową Drugim sposobem oceny stopnia zobojętnienia betonu fundamentów na podstawie badania próbek wyciętych z walcowych rdzeni było badanie za pomocą roztworu fenoloftaleiny. Generalnie tego typu oszacowanie można przeprowadzić jeszcze wykorzystując inne substancje chemiczne [10]. Przykładem takich odczynników jest Deep Purple Inicator, zmieniający barwę gdy ph < 8,5-9,5 oraz Rainbow Indicator pozwalający na dokładniejszą ocenę ph ze względu na szerszą skalę zabarwienia (ph~5 kolor czerwony, ph~7 żółty, ph~9 zielony, ph~11 fioletowy, ph~13 granatowy). Badanie metodą fenoloftaleinową wykonano na 11 próbkach wyciętych z rdzeni betonowych od strony powierzchni mającej bezpośredni kontakt z czynnikami korozyjnymi, zgodnie z procedurą zawartą w normie [5]. Badania tą metodą było wykonywane równolegle z badaniami wytrzymałościowymi, w których rozłupywano próbki metodą brazylijską. W czasie nie dłuższym niż 30 sekund od rozłupania na powierzchnię przełamu próbek rozpylano roztwór fenoloftaleiny (1 g fenoloftaleiny rozpuszczony w 70 g alkoholu etylowego i 30 g wody destylowanej). Zmianę barwy betonu na filetową po 30 sekundach od zwilżenia roztworem fenoloftaleiny dokumentowano fotografią. Następnie przeprowadzono analizę głębokości pełnej neutralizacji betonu z dokładnością do 1 mm. Najbardziej ciekawe efekty uzyskane z przeprowadzonych badań na 11. próbkach zamieszczono na rys. 7 i 8. Na zdjęciach kolor fioletowy wskazuje na beton, którego ph jest wyższe od 9. Oznacza to, że beton niezabarwiony na fioletowo jest betonem silnie zobojętnionym, którego wewnętrzna struktura może ulegać stopniowej destrukcji. Szczególną uwagę należy zwrócić na przebarwienia pojawiające się przy rysach, w okolicach których głębokość neutralizacji betonu jest znacznie większa. W takich przypadkach zgodnie z normą [5], gdy maksymalna głębokość d k max znacząco odbiega od innych wartości, to nie należy jej uwzględniać w obliczaniu średniej głębokości karbonatyzacji d k śr. Nie zawsze jednak możliwe było oznaczenie miarodajnej głębokości karbonatyzacji, dlatego w niektórych przypadkach (np. rys 7d) określano średnią głębokość d k śr na podstawie jedynie fragmentu górnej części przekroju. Przy oznaczaniu wyżej wymienionej głębokości pomijano wpływ bezbarwnego kruszywa (rys. 8a). Analiza wszystkich dziewięciu zdjęć pokazuje, że głębokość silnego zobojętnienia betonu próbek jest bardzo zróżnicowana i mieści się w szerokim przedziale wartości od 1 mm do 36 mm. W największym stopniu zobojętniony (biorąc pod uwagę wielkość bezbarwnej powierzchni) jest beton próbki na rys. 7a pochodzącej z rdzenia wyciętego z górnej części fundamentu (około 25 cm poniżej posadzki hali). Natomiast największy zakres (do 30 mm) zobojętnienia betonu wystąpił w próbce rys. 7e. Nierównomiernie zobojętniony (od górnej powierzchni 13 mm, z boku 36 mm) jest beton próbki rys. 7f pochodzącej z rdzenia wyciętego ze stopy fundamentowej, w której stwierdzono spływającą po powierzchni betonu fundamentu niezidentyfikowaną ciecz. Należy podkreślić, że w zastosowanej metodzie po naniesieniu roztworu fenoloftaleiny na przełam próbki betonu zmiana koloru następuje przy ph~9. Oznacza to, że mimo pełnej karbonatyzacji na grubości mniejszej niż otulina może wystąpić tuż przy zbrojeniu spadek ph do poziomu 11,8 inicjującego procesy korozyjne na Politechnika Śląska Gliwice-Szczyrk

7 stali. Warto również zauważyć, że metoda ta nie pokazuje frontu karbonatyzacji spowodowanego takimi czynnikami jak kwasy lub kwaśne gazy [11]. Mimo wymienionych niepewności we wnioskowaniu, metoda fenoloftaleinowa w rękach doświadczonego eksperta jest cennym, bo bardzo szybkim narzędziem do zgrubnego oszacowania stopnia całkowitej neutralizacji betonu. a) b) c) d) e) f) Rys. 7. Widok przełamów wybranych próbek po zwilżeniu roztworem fenoloftaleiny Politechnika Śląska Gliwice-Szczyrk

8 a) b) c) Rys. 8. Analizy powierzchni przełamów wybranych próbek po zwilżeniu roztworem fenoloftaleiny 5. Podsumowanie i wnioski Przedmiotem opisywanych badań były żelbetowe stopy fundamentowe konstrukcji nośnej hali. Celem badań była ocena jakości betonu fundamentów na podstawie wybranych testów laboratoryjnych przeprowadzonych na wyciętych rdzeniach. Generalnie w ramach opisywanego fragmentu ekspertyzy walcowe próbki poddano pięciu rodzajom badań, podzielonych umownie na trzy grupy: badania cech fizycznych (gęstości i nasiąkliwości wagowej), chemiczne (pomiary ph i metoda fenoloftaleinowa) oraz wytrzymałości (na ściskanie). Natomiast w niniejszym artykule skoncentrowano się jedynie na omówieniu badaniach chemicznych betonu. Badania rozkładu wartości ph wykonano w tzw. modelowych roztworach cieczy porowej odwzorowanej z 5. próbek wyciętych z górnych fragmentów rdzeni (3 rdzenie poniżej poz. 0,0 m i 2 rdzenie poniżej poz. -3,6 m). Żadna z analizowanych próbek nie wykazała zobojętnienia cieczy porowej poniżej wartości granicznej ph = 10. Natomiast w każdej z badanych próbek, co najmniej w jednej warstwie nastąpiło przekroczenie poziomu poniżej ph = 11,8, co wskazywałoby na zagrożenie stali zbrojeniowej korozją. Jednakże w dostępnym w obrębie odkrywek betonie stóp fundamentowych nie znajdowały się żadne pręty zbrojeniowe. Badania zobojętnienia betonu metodą fenoloftaleinową przeprowadzono na 11 próbkach (innych niż w badaniach wartości ph), w większości przypadków wyciętych z górnych fragmentów rdzeni. Na podstawie zmiany zabarwienia świeżego przełamu próbki (po naniesieniu roztworu fenoloftaleiny) stwierdzono, że zasięg silnego zobojętnienia betonu próbek jest bardzo zróżnicowany i mieści się w szerokim przedziale wartości od 1 36 mm. W podanym zakresie beton charakteryzuje się niekorzystnie niskim ph 9, który może prowadzić do jego stopniowej wewnętrznej destrukcji [12]. Badania korozyjne stóp fundamentowych nie potwierdziły obaw zarządcy badanej hali przemysłowej o istnieniu zagrożenia korozyjnego żelbetowej konstrukcji posadowienia obiektu. Politechnika Śląska Gliwice-Szczyrk

9 6. Literatura [1] Fiertak M., Kańka S.: Ocena jakości i stopnia destrukcji betonu na podstawie badań chemicznych i wytrzymałościowych, CWG, nr 2, [2] Fiertak M., Kańka S.: Ocena stopnia destrukcji materiałów w żelbetowych kominach energetycznych. Inżynieria i Budownictwo, nr 7-8, [3] Jaśniok M., Śliwka A., Zybura A.: Zastosowanie pomiarów polaryzacyjnych do oceny stanu zbrojenia żelbetowej podpory wiaduktu, Ochrona przed Korozją, nr 4-5, 2010, s [4] Jaśniok M., Jaśniok T., Zybura A.: Badania korozyjnego zagrożenia zbrojenia kielichowej konstrukcji budynku dworca kolejowego w Katowicach, Inżynieria i Budownictwo nr 5-6, 2010, s [5] Zybura A, Jaśniok M., Jaśniok T.: Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu, Wydawnictwo naukowe PWN, Warszawa [6] Jaśniok M., Jaśniok T.: Charakterystyka procesu korozji zbrojenia w betonie. Metody diagnostyki zagrożenia korozyjnego zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych (cz. 1), Przegląd Budowlany 2, [7] Jaśniok M., Jaśniok T.: Metody diagnostyki zagrożenia korozyjnego zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych. Zaawansowane badania elektrochemiczne (cz. 4), Przegląd Budowlany, nr 7-8, 2007, s [8] Drobiec Ł., Jasiński R., Piekarczyk A.: Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Metodologia, badania polowe, badania laboratoryjne betonu i stali, Wydawnictwo naukowe PWN, Warszawa [9] Wieczorek G.: Korozja zbrojenia inicjowana przez chlorki i karbonatyzację otuliny, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław [10] Materiały informacyjne firmy GERMAN INSTRUMENTS ( [11] PN-EN 14630:2007 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych. Metody badań. Oznaczanie głębokości karbonatyzacji w stwardniałym betonie metodą fenoloftaleinową. [12] Zybura A., Jaśniok M., Jaśniok T.: O trwałości, diagnostyce i obserwacji konstrukcji żelbetowych, Inżynieria i Budownictwo nr 10, 2010, s Politechnika Śląska Gliwice-Szczyrk