Materiałowe i eksploatacyjne uwarunkowania trwałości żelbetowych kominów przemysłowych

Transkrypt

1 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki Wydział Inżynierii Lądowej Instytut Materiałów i Konstrukcji Budowlanych Laboratorium Badawcze Materiałów i Konstrukcji Budowlanych PRACA DOKTORSKA Stanisław Kańka Materiałowe i eksploatacyjne uwarunkowania trwałości żelbetowych kominów przemysłowych Promotor dr hab. inż. Maria Fiertak, prof. PK Kraków, październik 2012

2 Spis treści 2 Spis treści 1. Wstęp Przedmiot, cel i zakres pracy Przedmiot pracy Cel pracy Zakres pracy Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach Przeciwdziałanie zagrożeniu korozyjnemu na etapie projektowania Czynniki kinetyczne korozji żelbetowych kominów przemysłowych Zagrożenia korozyjne materiałów w kominach pracujących zgodnie z założeniami projektowymi Zagrożenia korozyjne materiałów wynikające z modyfikacji technologii oczyszczania spalin Kominy po remontach i zmianach technologii odprowadzania spalin Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych Wprowadzenie Charakterystyka betonu jako materiału kompozytowego Faza ciągła - zaczyn Faza rozproszona - kruszywo Strefa stykowa Procesy destrukcyjne Fizyczne procesy destrukcyjne Chemiczne procesy destrukcyjne Karbonatyzacja betonu Korozja kwasowa Korozja siarczanowa Korozja betonu narażonego na agresję chlorkową Oddziaływania synergiczne Badania betonu pobranego z trzonów kominów Wprowadzenie Wybór miejsca i sposobu pobierania próbek oraz kryteria ich oceny Ocena makroskopowa betonu Właściwości fizyczne, mechaniczne i chemiczne betonu Ocena stopnia skażenia... 51

3 Spis treści Analiza mikrostrukturalna Analiza stopnia zniszczenia betonu w trzonach kominów Grubość otuliny Wytrzymałość na ściskanie Gęstość Nasiąkliwość Odczyn (ph) w przekroju ściany trzonów Skażenie chlorkami w przekroju ściany trzonów Skażenie siarczanami w przekroju ściany trzonów Ocena analizowanych wyników badań Ocena stanu betonu w trzonie komina pracującego zgodnie z założeniami projektowymi Grubość trzonu i otuliny Wytrzymałości na ściskanie Skażenie betonu Badania mikrostrukturalne Ocena stanu betonu w trzonie komina, w którym zmieniono warunki eksploatacji Opis makroskopowy i pomiary odwiertów Wytrzymałość na ściskanie Skażenie betonu Badania mikrostrukturalne Ocena stanu betonu w trzonach kominów po przeprowadzonym remoncie Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych Wprowadzenie Podstawowy model korozji stali zbrojeniowej Stan pasywny stali w betonie Produkty korozji stali zbrojeniowej Korozja zbrojenia spowodowana chlorkami w betonie Korozja siarczanowa betonu a korozja zbrojenia Zmiany właściwości mechanicznych stali spowodowane korozją Ocena korozji zbrojenia Wpływ usytuowania zbrojenia w przekroju ściany trzonu na jego ochronę przed korozją Badania stali zbrojeniowej korodującej w trzonach kominów Wprowadzenie... 95

4 Spis treści Właściwości mechaniczne stali zbrojeniowej skorodowanej w betonie trzonu komina Zmiany korozyjne na powierzchni stali zbrojeniowej skorodowanej w betonie trzonu komina Ocena szybkości korozji zbrojenia w warunkach modelowych odtwarzających skażoną otulinę Ocena zmian właściwości mechanicznych zbrojenia w warunkach modelowych odtwarzających skażoną otulinę Korozja materiałów warstw wewnętrznych kominów Wprowadzenie Izolacja termiczna Destrukcyjne działanie wilgoci Wykładzina ceramiczna Czynniki sprzyjające destrukcji ceramiki Destrukcja zaprawy Badania materiałów warstw wewnętrznych Wprowadzenie Badania izolacji termicznej Analiza skutków braku izolacji termicznej Produkty korozji gromadzące się w strefie zniszczonej izolacji termicznej Badania wykładziny ceramicznej Zalecenia dotyczące zakresu prowadzenia badań materiałowych w kominach przemysłowych Wnioski Literatura Wykaz literatury cytowanej Wykaz przywołanych norm Wykaz materiałów niepublikowanych zawierających dane źródłowe Summary

5 Wstęp 5 1. Wstęp W literaturze technicznej z dziedziny budownictwa trwałość obiektu budowlanego jest definiowana w różny sposób. Wielu autorów [1, 10, 13, 17] skłania się do stwierdzenia, że trwałość to cecha konstrukcji wyrażająca się jej zdolnością do zachowania w założonym czasie użytkowania stateczności i nośności, bez wyraźnego obniżenia właściwości użytkowych albo wystąpienia nieprzewidzianych kosztów utrzymania. Zagrożeniami dla trwałości budowli są różnego rodzaju oddziaływania środowiska oraz procesy, od następstw których zależy czas trwania obiektu. Warto dodać, że trwałość nie oznacza nieograniczonego okresu użytkowania, ani też odporności na wszelkiego rodzaju oddziaływania. Niedostateczna trwałość przejawia się niszczeniem (degradacją) konstrukcji, które może być spowodowane czynnikami zewnętrznymi albo może być skutkiem przyczyn wewnętrznych występujących w materiałach, z których zostały wykonane. Te różnorodne oddziaływania mogą mieć charakter fizyczny, chemiczny lub mechaniczny, co schematycznie pokazano na rys. 1. Rys.1. Schematyczne przedstawienie przestrzeni oddziaływań na materiał w konstrukcji [17] Trwałość konstrukcji bezpośrednio zależy od odporności materiału, z którego została wykonana, na czynniki środowiskowe jej eksploatacji. Odporność materiału na oddziaływania środowiska zewnętrznego można zdefiniować czasem, w którym zespół jego projektowanych właściwości pozostaje na co najmniej dopuszczalnym poziomie [69]. O odporności

6 Wstęp 6 materiałów na oddziaływania eksploatacyjne w takich obiektach budowlanych jak kominy przemysłowe decyduje wiele czynników. Trwałość budowli jest zakładana na etapie jej projektowania i skutkuje przyjęciem odpowiedniego rozwiązania konstrukcyjnego i materiałowego. Po zrealizowaniu projektu obiekt wchodzi w fazę eksploatacji. W tym okresie bardzo często ujawniają się błędy projektowe, wady wykonawcze oraz potrzeba zmiany warunków użytkowania w stosunku do założeń projektowych. Okres użytkowania konstrukcji takiej jak komin przemysłowy jest ograniczony stopniowo pogarszającymi się właściwościami betonu, stali oraz pozostałych zastosowanych do jej wykonania materiałów, wskutek agresywnego oddziaływania środowiska na obiekt. Czynniki oddziaływujące na konstrukcję, takie jak: gazy, woda, temperatura, czy obciążenia powodują pogorszenie jej właściwości użytkowych. Podstawowym procesem mającym wpływ na niszczenie konstrukcji jest transport masy w materiałach, z których została wykonana. Głównie jest to transport wody (wilgoci) i rozpuszczonych w niej substancji pochodzących z wymiany ze środowiskiem [81, 93]. W przypadkach zmiany warunków użytkowania prognozowanie trwałości (przyjęcie nowej trwałości) obiektów budowlanych na podstawie badań i obserwacji obejmujących wyłącznie konstrukcję, bądź tylko badania materiałowe, nie ma charakteru kompleksowego. Nie może być podstawą wystarczającej diagnozy zwłaszcza w przypadku takich obiektów, które w trakcie eksploatacji z natury ulegają degradacji. Typowymi przykładami tego rodzaju obiektów są wysokie żelbetowe konstrukcje przemysłowe, takie jak kominy, chłodnie kominowe, silosy itp. Zapotrzebowanie na kompleksową ocenę stanu technicznego, a następnie prognozę ich trwałości, bierze się zarówno z wymogów prawnych dotyczących ich cyklicznej kontroli [85], jak i z potrzeby prowadzonych bieżących remontów [18]. Nie bez znaczenia pozostaje problem modernizacji tych obiektów wymuszonych różnego rodzaju przyczynami, np. postępem technologicznym spalania stałych paliw energetycznych, czego znamiennym przykładem są właśnie kominy przemysłowe. Od wielu lat w naszym kraju podstawowym paliwem energetycznym jest węgiel. Ponad 90% energii pozyskiwane jest ze spalania tego paliwa. Towarzyszy temu powstawanie odpadów w postaci stałej (żużle paleniskowe i popioły lotne) oraz gazowej (CO 2, SO 2, NO x ). Podstawowe parametry fizyko-chemiczne wybranych stałych paliw energetycznych stosowanych w kraju przedstawiono w tabl.1.

7 Wstęp 7 Tabl.1. Zestawienie podstawowych parametrów fizyko-chemicznych wybranych stałych paliw energetycznych WŁAŚCIWOŚCI PALIWA WĘGIEL KAMIENNY WĘGIEL BRUNATNY BIOMASA DRZEWNA W STANIE ROBOCZYM wartość opałowa [kj/kg] zawartość wilgoci [%] 16,53 53,4 15,94 zawartość całkowita siarki [%] 1,06 0,79 <0,03 zawartość chloru [%] 0,107 0,003 1,93 SiO 2 [%] 48,46 42,34 23,89 Al 2 O 3 [%] 23,07 19,56 4,65 ZAWARTOŚĆ W POPIELE PO SPALENIU Fe 2 O 3 [%] 9,41 4,52 1,80 CaO [%] 4,56 21,27 25,54 MgO [%] 3,73 1,34 6,76 Na 2 O [%] 2,34 0,21 0,44 K 2 O [%] 2,35 0,16 23,10 SO 3 [%] 3,93 5,32 5,06 TiO 2 [%] 1,07 1,32 0,31 P 2 O 2 [%] 0,18 0,12 3,85 Kominy są to obiekty inżynierskie, których zadaniem jest odprowadzanie gazów do atmosfery na określoną wysokość [PN-B-03004]. Powszechnie użytkowane są jako emitory odprowadzające do atmosfery lotne produkty spalania paliw stałych. Klasyfikacji kominów można dokonać według bardzo zróżnicowanych kryteriów. Główne z nich to: - ukształtowanie przewodu spalinowego: jednoprzewodowe, wieloprzewodowe, - sposób odprowadzania spalin: ciąg naturalny, sztuczny, - temperatura odprowadzanych spalin: zimne, ciepłe, gorące, - usytuowanie: wolnostojące, związane z budynkiem, - kształt: cylindryczne, zbieżne ku górze, - wysokości: niskie, średnie, wysokie, - materiał, z którego zostały wykonane: stalowe, ceramiczne lub żelbetowe.

8 Wstęp 8 Na przestrzeni minionych lat opracowano szereg rozwiązań konstrukcyjnotechnologicznych kominów przemysłowych. Z chwilą upowszechnienia się betonu zbrojonego jako materiału konstrukcyjnego oraz potrzebą odprowadzania coraz większej ilości spalin zaczęto budować wysokie kominy o konstrukcji żelbetowej. Pierwsze tego typu kominy zbudowano w Stanach Zjednoczonych pod koniec XIX wieku. Za jeden z pierwszych w Europie, a równocześnie na ziemiach polskich komin żelbetowy, uważany jest komin w niewielkiej elektrowni koło Opola zbudowany 1907 roku [70]. W latach 60 ubiegłego wieku projektowanie i budowa wysokich kominów przemysłowych stała na dobrym poziomie. Wiele rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych powstało w Krakowskim Biurze Projektów Budownictwa Przemysłowego w zespole projektowym kierowanym przez prof. Romana Ciesielskiego. Według zebranych przez autora informacji w kraju eksploatowanych jest około 360 kominów żelbetowych o wysokości ponad 100 m. Przykładem tych najwyższych są kominy o wysokości 300 m eksploatowane w kilku krajowych elektrowniach. Dla porównania najwyższy komin na świecie o wysokości 420 m pracuje w Elektrowni GRES-2 w Jekybastuz (Kazachstan). Natomiast najwyższy komin w Europie, to komin o wysokości 360 m w Słowenii.

9 Przedmiot, cel i zakres pracy 9 2. Przedmiot, cel i zakres pracy 2.1. Przedmiot pracy Przedmiotem pracy są wolnostojące, jednoprzewodowe kominy żelbetowe pokazane na rys. 2. Konstrukcja takich kominów składa się z fundamentu i trzonu. Grubość ścian trzonu żelbetowego zmniejsza się ku górze stopniowo. Trzon chroniony jest od wnętrza wykładziną ceramiczną oraz izolacją termiczną. Wynika z tego, że do wykonania tego typu kominów zastosowane jest wiele materiałów, które wymienione zostały w tabl. 2. Rys.2. Typowe kominy przemysłowe będące przedmiotem analizy Tabl.2. Podstawowe materiały stosowane do budowy analizowanych kominów TRZON KOMINA IZOLACJA TERMICZNA WYKŁADZINA WEWNĘTRZNA (WYMURÓWKA) CERAMICZNE ELEMENTY MUROWE MATERIAŁY SPOINUJĄCE - beton konstrukcyjny - stal zbrojeniowa - powietrze - żużel paleniskowy - wełna żużlowa - wełna mineralna - szkło piankowe - cegła zwykła - cegła kominówka - cegła klinkierowa - cegła szamotowa - cegła kwasoodporna - zaprawa cementowowapienna - zaprawa cementowa - zaprawa cementowokrzemianowa - kit krzemianowy Utrzymanie obiektów w należytym stanie technicznym [7, 42, 85], a jednocześnie zapewnienie ich funkcjonalności wraz z postępem technologicznym w zakresie spalania paliw stałych, wymaga ciągłego monitorowania ich stanu technicznego. Jednym z elementów takiego monitoringu są badania materiałów pobranych z eksploatowanych kominów. Wyniki takich badań, obejmujące blisko 1/4 wysokich (powyżej 100 m) kominów tego typu

10 Przedmiot, cel i zakres pracy 10 eksploatowanych w kraju stanowią inspirację prezentowanej analizy procesów korozyjnych materiałów, z których zostały wykonane. Tabl.3. Struktura analizowanych kominów WYSOKOŚĆ H [m] LICZEBNOŚĆ W KRAJU JEDNOPRZEWODOWE ILOŚĆ BADANYCH MATERIAŁOWO w tym 2 trzykrotnie 4 2 w tym 1 dwukrotnie 9 w tym 4 dwukrotnie 3 5 w tym 1 dwukrotnie 6 3 w tym 1 trzykrotnie 29 w tym 8 dwukrotnie 14 w tym 4 dwukrotnie Łącznie: co stanowi około 21% 2.2. Cel pracy Celem pracy jest, w oparciu o badania materiałów w eksploatowanych kominach przemysłowych i badania modelowe: - określenie mechanizmów destrukcji betonu w trzonach kominów w zależności od rodzaju paliwa i sposobu odprowadzania spalin, - określenie wpływu skażenia i odalkalizowania betonu w przedmiotowych konstrukcjach na korozję i właściwości mechaniczne stali zbrojeniowej, - ustalenie zależności pomiędzy stopniem destrukcji betonu a rodzajem i jakością warstw wewnętrznych w kominach, - określenie wpływu stopnia skażenia betonu na przyczepność materiałów stosowanych do napraw trzonów kominów, - wykazanie zagrożeń dla konstrukcji trzonu wynikających z destrukcji izolacji termicznej, - opracowanie zaleceń dotyczących zakresu i sposobu prowadzenia badań materiałowych przedmiotowych konstrukcji oraz interpretacji ich wyników.

11 Przedmiot, cel i zakres pracy Zakres pracy Praca ma charakter studialno doświadczalny. W części studialnej (teoretycznej) przedstawiono charakterystykę i warunki pracy żelbetowych kominów przemysłowych w zmiennych warunkach środowiskowych (rozdz.3) oraz teoretyczne mechanizmy destrukcji betonu z uwzględnieniem oddziaływań synergistycznych (rozdz.4). Ponadto przedstawiono mechanizm korozji stali zbrojeniowej w skażonym betonie trzonów (rozdz.6). Przeanalizowano również skutki oddziaływania odprowadzanych spalin na wewnętrzne warstwy komina tj. izolację termiczną oraz wykładzinę ceramiczną (rozdz.8). Część doświadczalną pracy opracowano na podstawie badań materiałów pobranych z kilkunastu kominów, które przeprowadzono w latach Wyniki oraz analiza tych badań podzielona została na wyodrębnione części, których zakres obejmuje: - badania betonów pobranych z trzonów kominów oraz ocenę stopnia ich destrukcji wraz z rozkładami częstości wystąpienia. Obejmują one konstrukcje pracujące jako typowe kominy eksploatowane zgodnie z przyjętymi założeniami projektowymi, kominy po zmianie technologii oczyszczania spalin oraz kominy po wykonaniu remontów i modernizacji (rozdz.5), - badania właściwości mechanicznych stali zbrojeniowej o różnym stopniu skorodowania pobranych z konstrukcji (rozdz. 7). W części tej zawarto również ocenę szybkości korozji stali oraz zmiany właściwości mechanicznych w warunkach modelowych odtwarzających skażoną otulinę, - badania stopnia destrukcji zróżnicowanych warstw wewnętrznych występujących w kominach, pozwalające określić wpływ rodzaju i skażenia tych warstw na stopień destrukcji betonów trzonów kominów (rozdz. 9). W rozdziale 10 sformułowano propozycje zaleceń dotyczących zakresu i sposobu prowadzenia badań materiałowych kominów przemysłowych oraz interpretacji ich wyników, natomiast rozdział 11 zawiera wnioski z przeprowadzonych badań i analiz. Pracę kończy wykaz cytowanej literatury oraz norm przedmiotowych.

12 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 3.1. Przeciwdziałanie zagrożeniu korozyjnemu na etapie projektowania Większość wysokich jednoprzewodowych kominów żelbetowych z wewnętrzną wykładziną ceramiczną zbudowano w celu odprowadzania spalin z różnego rodzaju kotłów energetycznych. Podstawy technologiczne ich projektowania obejmowały: - ilość odprowadzanych spalin, - temperaturę odprowadzanych spalin ( eksploatacyjna i awaryjna), - skład chemiczny spalin (przede wszystkim w stanie gazowym tlenki węgla, siarki, azotu, bardzo często występuje chlor, fluor, oraz wiele innych związków chemicznych), - prędkość przepływu spalin. W trakcie projektowania trzonów kominów żelbetowych uwzględniano wymagania konstrukcyjne zawarte w aktach normatywnych, których spełnienie zapewnić miało trwałość konstrukcji na odpowiednim poziomie. Zestawienie takich wymagań zawartych w trzech następujących po sobie normach przedstawiono w tabl. 4. Zestawienie zawiera między innymi zlecenia co do minimalnej wytrzymałości betonu, którą wraz kolejnymi edycjami norm zwiększano oraz minimalnej grubości otuliny zbrojenia, która również podlegała zmianom. Podane zostały minimalne grubości trzonu, które wraz z kolejnymi edycjami aktów normatywnych podlegały zwiększeniu. Z uwagi na to, że przedmiotem analizy są kominy o wieloletnim okresie eksploatacji (w przedziale od 21 do 50 lat) znajomość uwarunkowań, w których zostały zbudowane wydaje się być niezbędna. Natomiast oceniając bieżący stan konstrukcji niejednokrotnie trzeba go odnosić do aktualnie obowiązujących wymagań zawartych np. w PN-EN Dodać należy, że norma ta powiązana jest z Eurocodem 2.

13 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 13 Tabl.4. Wymagania konstrukcyjne z uwagi na zapewnienie trwałości trzonów kominów żelbetowych PARAMETR TECHNICZNY PN-64/B KOMINY MUROWANE I ŻELBETOWE. OBLICZENIA STATYCZNE I PROJEKTOWANIE PN-88/B KOMINY MUROWANE I ŻELBETOWE. OBLICZENIA STATYCZNE I PROJEKTOWANIE PN-EN :2007 KOMINY WOLNO STOJĄCE CZĘŚĆ 2: KOMINY BETONOWE Beton trzonu Najniższa dopuszczalna marka Rw 170 Najniższa dopuszczalna klasa betonu B25 Najniższa dopuszczalna klasa wytrzymałości betonu C25/30 Otulenie prętów zbrojenia dla Ø 16 mm nie mniej niż 50 mm dla Ø<16 mm nie mniej niż 40 mm dla Ø>16 mm nie mniej niż 40 mm dla Ø 16 mm nie mniej niż 30 mm dla klasy ekspozycji XA3 nie mniej niż 40 mm pozostałe nie mniej niż 30 mm Minimalna grubość trzonu 120 mm przy średnicy wylotu D<2 m i wysokości do70 m 150 mm przy średnicy wylotu D<8 m 180 mm przy średnicy wylotu D>8 m 160 mm przy średnicy wylotu D<2 m 180 mm przy średnicy wylotu 2 m<d<5 m 200 mm przy średnicy wylotu D>5 m 200 mm Stan powstania i rozwarcia rys maksymalne rozwarcie rys a r 0,2 mm Zakłada się, że rysy nie powstają gdy: różnica temp. w ścianie trzonu <30 o C max temp. w ścianie trzonu <70 o C Jeśli powyższy warunek nie spełniony to dop. rozwartość rys wynosi 0,3*mm dla klasy ekspozycji XA2 XA3 XD3 XS1 max w k =0,2 mm pozostałe max w k =0,3 mm Zabezpieczenie trzonu od wnętrza ---- W przypadku dużego zagrożenia zawartość siarki w paliwie >2% wsporniki podwykładzinowe chronione powłoką chemoodporną lub fluatowanie ---- Ochrona strukturalna ---- Zapewnienie szczelności betonu ---- * Wartość ta ulega obniżeniu o 0,1 mm w przypadku środowiska zewnętrznego agresywnego oraz podwyższeniu o 0,1 mm w przypadku dobrych warunków pracy.

14 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach Czynniki kinetyczne korozji żelbetowych kominów przemysłowych Z chwilą zakończenia procesu budowy i uruchomienia instalacji, rozpoczyna się okres wieloletniej eksploatacji komina. Z racji charakteru pracy oraz lokalizacji, kominy funkcjonują w środowisku przemysłowym charakteryzującym się korozyjnym oddziaływaniem w stosunku do konstrukcji budowlanych. W odniesieniu do czynników środowiskowych wprowadzić można podział na środowisko zewnętrzne i wewnętrzne, ponieważ występuje wyraźne zróżnicowanie oddziaływania tych czynników na zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnię komina, zwłaszcza pod względem transportu czynników agresywnych. Również skład chemiczny środowiska, a więc jego agresywność potencjalna jest inna na zewnątrz i wewnątrz komina. Podobnie czynniki materiałowe nie są jednakowe, ponieważ na zewnątrz występuje żelbetowy trzon, a od wnętrza wykładzina ceramiczna. Często źródłem agresywnych zanieczyszczeń w miejscu lokalizacji komina bywają inne, sąsiednie kominy (rys. 2). Szczególnie niekorzystna sytuacja występuje wtedy, gdy obok siebie zlokalizowane są kominy o zróżnicowanej wysokości. Spaliny opływające zewnętrzną powierzchnię trzonu wyższego komina powodują systematyczne osadzanie się agresywnych substancji zawartych w spalinach emitowanych przez niższy. Zbliżony problem stanowi sąsiedztwo chłodni kominowych, będących nieodzownym obiektem technologicznym w wielu elektrowniach. Wydostająca się z nich para wodna w połączeniu ze spalinami z komina tworzy agresywny, wobec trzonu, aerozol. Kolejny problem stanowi zjawisko cofania się spalin z wylotu komina i omywania nimi górnej zewnętrznej powierzchni trzonu. Efekt ten, zwany down-wash [80], występuje przy zaburzeniach ciągu w niekorzystnych warunkach atmosferycznych (wahania ciśnienia, działanie wiatru, deszczu itp.). Widocznym skutkiem tego efektu są intensywne zacieki kondensatu spalin na górnej zewnętrznej powierzchni trzonu. Zacieki występują również w kominach współpracujących z instalacjami odsiarczania oraz tam, gdzie w kotłach prowadzone jest współspalanie biomasy. W związku z tym górne partie kominów podlegają intensywnej agresji chemicznej. Temperatura powietrza na zewnątrz komina zawiera się na ogół w przedziale -25 o C(zimą) do +35 o C (latem), natomiast temperatura trzonu w wyniku insolacji może dochodzić nawet do +50 o C. Wynika z tego, że różnice temperatury między dniem i nocą, zimą i latem mają wartość kilkudziesięciu stopni. Intensywne nasłonecznienie może powodować nierównomierny rozkład temperatury na powierzchni trzonu o różnicy nawet 20 o C [55]. Wymienione czynniki mogą być przyczyną powstawania rys na zewnętrznej powierzchni

15 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 15 trzonu, co zwiększa jego podatność na działanie środowiska agresywnego. Wpływają również na wychylenia z pionu osi trzonu zwłaszcza na wierzchołku komina [20, 89]. W trzonach kominów w zasadzie dominują naprężenia ściskające od ciężaru własnego. Ponadto występują naprężenia rozciągające wywołane momentami zginającymi od parcia wiatru i ewentualnie nierównomiernego osiadania [48, 63]. Na ogół są one jednak tego rzędu, że z punktu widzenia kinetyki korozji, można je uznać za mało istotne. Reasumując, żelbetowe kominy przemysłowe należy traktować jako samodzielne budowle inżynierskie pracujące w złożonych warunkach środowiskowych zarówno zewnętrznych jak i wewnętrznych. Złożoność tych warunków oraz kinetykę ich oddziaływań schematycznie pokazano na rys. 3. W trakcie wieloletniej eksploatacji kominów oprócz normalnej eksploatacji, niejednokrotnie występują sytuacje awaryjne. Duże znaczenie mają zmiany technologiczne procesu odprowadzania spalin. Wszystko to wpływa na warunki eksploatacji, które cechuje zmienność w czasie, co schematycznie pokazano na rys. 4.

16 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 16 Rys.3. Zewnętrzne i wewnętrzne warunki eksploatacji kominów przemysłowych

17 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 17 Rys.4. Możliwości zmiany warunków eksploatacji w czasie użytkowania komina

18 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach Zagrożenia korozyjne materiałów w kominach pracujących zgodnie z założeniami projektowymi Kominy w konwencjonalnych kotłowniach, odprowadzają spaliny o temperaturze znacznie powyżej 100 o C, przy czym temperatura wlotowa spalin na ogół nie przekraczała 350 o C. Konstrukcje, w których temperatura spalin na całej wysokości komina (od czopucha do głowicy) przekracza 100 o C umownie nazwano kominami gorącymi [37]. Spadek temperatury w kominie na metr jego wysokości można przyjmować w zakresie 0,5 1,0 o C [37, 60]. Jest on uzależniony od temperatury wprowadzanych spalin, przy czym im jest ona wyższa, tym spadek jest większy. W omawianych kominach naturalny ciąg wspomagany jest ciągiem sztucznie wytworzonym przez wentylatory. Przy tego typu rozwiązaniu uzyskuje się prędkość przepływu spalin 5 30 m/s, a we wnętrzu, na całej wysokości komina panuje podciśnienie [37]. Schematycznie układ technologiczny odprowadzania spalin pokazano na rys. 5. Rys.5. Schemat technologii odprowadzania spalin [37]

19 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 19 Spaliny odprowadzane z kotłów opalanych węglem (spaliny suche) charakteryzują się stosunkowo niską zawartością wilgoci oraz znaczną zawartością dwutlenku węgla, związków siarki oraz chloru, przy podanej powyżej temperaturze. Takie warunki wpływają na powolne i systematyczne skażenie materiałów, z których wykonano komin, poczynając od wykładziny ceramicznej, poprzez izolację termiczną, a skończywszy na betonie i stali zbrojeniowej trzonu [14, 15, 31, 35, 66]. Siarka występująca w węglu jako elementarna lub związana w postaci siarczków (np. pirytu) albo związków organicznych wskutek spalania utlenia się do SO 2, który utleniając się dalej przechodzi przez różne formy pośrednie tworząc najbardziej utlenioną postać siarczanów. W końcowym efekcie tych przemian powstają jony SO 2-4, które tworzą różne szkodliwe dla trwałości materiałów sole (siarczany). Analitycznie definiowane są i oznaczane 2- jako stężenie SO 4 w przeliczeniu na masę podstawowej substancji danego materiału, np. spoiwa w betonie lub zaprawie czy masy ceramiki. W tak eksploatowanych kominach przemysłowych doraźne zagrożenie materiałów przez korozję wywołaną agresywnymi składnikami odprowadzanych gazów jest stosunkowo niewielkie. We wnętrzu trzonu obserwowany jest powolny proces dedukcji betonu o charakterze strefowym [21]. Stan taki trwa dopóki nie ulegnie zmianie charakter użytkowania materiałów w kominie (np. zmiany cieplno-wilgotnościowe). Typowe uszkodzenia powierzchni zewnętrznej kominów odprowadzających spaliny gorące, po kilkunastoletnim okresie użytkowania, związane są z wadami wykonawczymi oraz agresją czynników środowiskowych. Do wad wykonawczych należą: raki i niedobetonowania, odkryte pręty zbrojeniowe, szczeliny i pęknięcia w miejscach szwów roboczych, uskoki na styku ułożenia płyt szalunkowych. Uszkodzenia wynikające z oddziaływań środowiskowych to głównie odspojenia betonu związane z korozją zbrojenia, rdzawe wycieki wzdłuż rys oraz wycieki punktowe, ubytki i odspojenia betonu, a także rysy i pęknięcia pionowe związane z oddziaływaniami termicznymi. Wieloletnia eksploatacja, a co zatem idzie zmiany parametrów fizykochemicznych betonu, w szczególności w otulinie zbrojenia, prawie zawsze powodują przyspieszenie destrukcji betonu na powierzchni trzonu, co pokazano na rys. 6. Obserwowana jest również znaczna destrukcja (fizyczna, mechaniczna) materiałów izolacji termicznej. Wykładzina ceramiczna (zarówno kształtki ceramiczne jak i materiał spoinujący) akumuluje w swej porowatej strukturze niektóre składniki odprowadzanych spalin, a następnie ulega destrukcji, co pokazano na rys. 7.

20 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 20 Rys.6. Przykład uszkodzeń betonu na powierzchni trzonu komina spowodowany nieprawidłowym otuleniem zbrojenia Rys.7. Destrukcja wymurówki we wnętrzu komina 3.4. Zagrożenia korozyjne materiałów wynikające z modyfikacji technologii oczyszczania spalin Wymogi ekologiczne zawarte między innymi w Ustawie o Ochronie Środowiska i Zasobów Naturalnych z 1995 roku zapoczątkowały proces ograniczania emisji substancji uznanych za szkodliwe do atmosfery przez producentów energii. Uregulowania prawne w niej zawarte wymogły na użytkownikach wprowadzenie technologii odsiarczania spalin (IOS). Problem ten jest w przypadku polskiej energetyki bardzo ważny, ponieważ bazuje ona na zasiarczonych paliwach stałych (patrz tabl.1).

21 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 21 Ogólnie rzecz ujmując odsiarczanie spalin polega na związaniu SO 2 powstającego przez utlenianie siarki występującej w paliwach stałych (węgiel kamienny, węgiel brunatny i biomasa) w postaci elementarnej lub związanej, podczas procesu spalania. Związkiem wiążącym dwutlenek siarki, czyli sorbentem jest z reguły wapno lub inne związki wapniowe, np. węglan wapnia. Biorąc pod uwagę stan skupienia, w którym stosuje się sorbenty, a także stany skupienia powstających w tym procesie produktów odsiarczania, wyróżnia się trzy grupy metod tej technologii: - metoda mokra polegająca na tym, że do odsiarczania stosuje się sorbent w postaci wodnej zawiesiny wodorotlenku wapnia (Ca(OH) 2 ), a produkt odsiarczania jest również w postaci ciekłej zawiesiny, - metoda półsucha, w której sorbent wprowadza się w postaci ciekłej zawiesiny natomiast produkt odsiarczania pozyskiwany jest w postaci suchej wskutek odpowiedniego cieplnego procesu technologicznego, - metoda sucha, gdzie dwutlenek siarki jest adsorbowany przez sorbent w stanie suchym, wobec czego produkt odsiarczania jest również w tym samym stanie. Z reguły odsiarczanie suche przeprowadza się tam, gdzie do spalania paliwa stałego stosuje się kotły fluidalne. W tym przypadku wraz z rozdrobnionym paliwem wprowadza się suchy sorbent wprost do paleniska kotła. W procesie spalania do paleniska dodawany jest zmielony kamień wapienny zmniejszający emisję tlenków siarki nawet do 95%. Niska temperatura spalania o C ogranicza emisję tlenków azotu, chlorowodoru, fluorowodoru, tlenku węgla oraz metali ciężkich. Kotły umożliwiają spalanie węgla niskiej jakości, mułów o niskiej wartości opałowej oraz odpadów przemysłowych. Spaliny doprowadzane do komina mają stosunkowo wysoką temperaturę od 140 o C do 160 o C oraz niewielką wilgotność, do 12%. W związku z tym nie występuje problem z kondensacją spalin w kanałach i kominie. Efektywność odsiarczania uzyskiwana opisanymi powyżej metodami jest zróżnicowana, przy czym z punktu widzenia zagrożenia korozyjnego materiałów komina przez odsiarczone gazy, nie tyle ważna jest efektywność tego procesu, co zmiana ich parametrów fizycznych. Można stwierdzić, że bez względu na konkretnie zastosowaną technologię odsiarczania, charakterystyka fizykochemiczna gazów odprowadzanych do komina zmienia się w stopniu znaczącym, co przedstawiono w tabl. 5. Ma to istotny wpływ zarówno na parametry ciągu kominowego, jak i na charakter zagrożenia korozyjnego materiałów występujących w kominie. Zagrożenie to znacznie się zwiększa wtedy, gdy kominy użytkowane przez dłuższy czas zgodnie z pierwotnym, przyjętym w etapie projektowania przeznaczeniem, zostają zaadaptowane do odprowadzania gazów odsiarczonych bez modyfikacji warstw wewnętrznych.

22 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 22 Zakumulowane w materiałach siarczany mogą wywoływać korozję siarczanową zarówno betonu trzonu, jak i wykładziny ceramicznej w przypadku zawilgocenia podczas pracy komina w zakresie temperatury poniżej punktu rosy. Ponadto jony siarczanowe mogą w stanie wilgotnym stymulować korozję stali zbrojeniowej, jak również przez związanie wolnego wapna obniżać właściwości ochronne otuliny betonowej w stosunku do zbrojenia. Podobnie chlorki oraz tlenki azotu mogą uaktywnić swe negatywne oddziaływanie na materiały kominów w warunkach wzrostu zawilgocenia spalin. Eksploatacja kominów z IOS powoduje: powstawanie intensywnych wycieków wapna wzdłuż rys i szwów roboczych oraz wycieków punktowych w miejscach uszkodzonego betonu, ługowanie Ca(OH) 2 przez rysy i pęknięcia pionowe pochodzenia termicznego, odspojenia lica betonu wraz z naniesionymi warstwami naprawczymi, destrukcję izolacji termicznej i wewnętrznej wymurówki. Tabl.5. Porównanie wybranych parametrów odprowadzanych spalin bez zastosowania oraz z zastosowaniem technologii odsiarczania [37, 66] WSKAŹNIKI SPALIN NIE PODLEGAJĄCYCH ODSIARCZANIU SPALIN PO PRZEJŚCIU PRZEZ IOS Temperatura spalin [ o C] Zawartość H 2 O [%] Zawartość SO 2 [mg/nm 3 ] Zawartość NO x [mg/nm 3 ] Zawartość CO 2 [%] Zawartość CO [mg/nm 3 ] Pył PM 10 [mg/nm 3 ] , , ,0 16,0 8,4 12,9 19, ,5 30 We wnętrzu przewodu kominowego panuje wyjątkowo agresywne środowisko wytworzone przez kondensaty kwasu siarkowego, chlorowodorowego i azotowego zawierające dodatkowo jony chlorkowe, siarczanowe i fluorkowe pochodzące z soli zawartych w paliwie. Korozji sprzyja podwyższona temperatura (około 60 o C) panująca wewnątrz przewodu. Oprócz korozji może występować erozja wywołana przez krople zawiesiny unoszące się w strudze spalin. Dodatkowe zwiększenie zagrożenia występuje wtedy, gdy przewodem kominowym przeznaczonym do odprowadzania spalin odsiarczonych okresowo

23 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 23 odprowadzane są gorące nieodsiarczone spaliny. Po przełączeniu w krótkim czasie temperatura powierzchni przewodu wzrasta nawet o ponad 100 o C, a kwaśna ciecz pokrywająca powierzchnię przewodu ulega silnemu zatężeniu zanim w całości odparuje. Jeśli materiał przewodu jest porowaty i możliwa jest penetracja cieczy do wnętrza materiału, to pęcherze pary utworzone wewnątrz materiału mogą doprowadzić do jego spękań [74, 79]. Rys.8. Temperatura punktu rosy kwaśnych spalin w zależności od ich wilgotności i zawartości SO 3 [PN-EN ] Temperatura spalin, poniżej której wykrapla się kwas siarkowy lub roztwór kwasów, nosi nazwę temperatury kwasowego punktu rosy (Acid Dew Point, ADP) [80]. Można ją odczytać z wykresu przedstawionego na rys. 8. Temperatura kwasowego punktu rosy ADP jest znacznie wyższa od temperatury punktu rosy wody. Zawarty w spalinach SO 3 reaguje z parą wodną. W wyniku tej reakcji powstaje H 2 SO 4, który może kondensować, jeśli temperatura spalin jest mniejsza od punktu rosy kwasu siarkowego, która wynosi przeciętnie od +120 o C do ponad 150 o C. Reakcja ta przebiega bardzo szybko z uwagi na dużą ilość pary wodnej. Kondensacja spalin stanowi główne źródło zagrożenia korozyjnego wnętrza kominów przemysłowych. Szybkość osadzania się kwasu siarkowego na wewnętrznych powierzchniach kominów jest największa, gdy temperatura powierzchni jest o 30 o C 40 o C niższa od temperatury kwasowego punktu rosy. Ponowne zwiększenie szybkości kondensacji następuje poniżej temperatury powierzchni wykładziny rzędu +50 o C w związku z osiągnięciem temperatury punktu rosy pary wodnej [66]. Im wyższa wilgotność i zawartość SO 3 w spalinach, tym wyższa temperatura kondensacji. Im niższa temperatura spalin tym wyższe zagrożenie korozyjne. Nawet jeśli temperatura

24 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 24 powierzchni przewodu spalin jest wyższa od temperatury kwasowego punktu rosy, to lokalnie może wystąpić kondensacja w rejonach chłodniejszych np. w rejonie wsporników podwykładzinowych, w miejscach uszkodzonej izolacji termicznej, oraz w górnej części komina, zwłaszcza przy wylocie [66]. Obniżenie temperatury oraz zwiększenie wilgotności związane z wprowadzeniem instalacji odsiarczania spalin spowodowało zwiększenie zagrożenia korozyjnego dla kominów. Szczególnie niekorzystna sytuacja występuje w przypadku zastosowania metody mokrej odsiarczania. W wyniku procesu odsiarczania zawartość SO 3 jest niewielka, co powoduje znaczące podwyższenie wartości kwasowego punktu rosy. W tej sytuacji przewód kominowy poddany jest działaniu kwaśnych kondensatów [66]. W tabl. 6 podano klasyfikację zagrożenia korozją chemiczną spowodowaną agresywnością spalin, w zależności od ilości godzin oddziaływania spalin o temperaturze niższej od ich temperatury punktu rosy w ciągu roku. Klasyfikacja ta przewiduje cztery stopnie zagrożenia. Jeśli w ciągu całego okresu eksploatacji komina temperatura spalin jest niższa od kwasowego punktu rosy, to stopień zagrożenia korozyjnego jest bardzo wysoki. Zgodnie z podaną w tabl. 6 klasyfikacją, spaliny po opuszczeniu instalacji odsiarczania wykazują bardzo wysokie zagrożenie korozyjne. Tabl.6. Klasyfikacja zagrożenia korozją chemiczną spowodowaną agresywnością spalin [PN-EN ] GODZINY PRACY W CIĄGU ROKU a STOPIEŃ AGRESJI CHEMICZNEJ POWIERZCHNIA WYKŁADZINY W KONTAKCIE ZE SPALINAMI CZĘŚCI KOMINA CHRONIONE PRZEZ WYKŁADZINY T ADP >150 o C T ADP 150 o C T ADP >150 o C T ADP 150 o C Niski <10 <30 <50 <150 Średni Wysoki b Bardzo wysoki >1000 >3000 >5000 >15000 b a Podczas których temperatura zaatakowanych składników jest poniżej kwasowego punktu rosy spalin, będących w kontakcie z tymi składnikami b Tylko dla celów interpolacji, jednak w żadnym przypadku nie więcej niż 8760 h (1 rok)

25 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach Kominy po remontach i zmianach technologii odprowadzania spalin Większość obiektów inżynierskich w okresie użytkowania wymaga konserwacji oraz okresowych remontów. Wynika to z potrzeby zarówno utrzymania ich w należytym stanie użytkowania jak i postępu technologii, w której są wykorzystywane [18]. Pracom remontowym żelbetowych kominów przemysłowych i ich skuteczności poświęcono wiele uwagi [5, 6, 15, 24, 30, 31, 41, 47, 50, 80]. Zakresy tych prac są zróżnicowane i zależą od tego, czy dotyczą bieżącego utrzymania, czy modernizacji komina. Prace remontowe wynikające z bieżącego utrzymania typowych kominów energetycznych z reguły obejmują: - naprawę ubytków otuliny zbrojenia na zewnętrznej powierzchni trzonu, - uszczelnienie styków pomiędzy segmentami kolejnych betonowań w przypadku budowy komina w technologii deskowań przestawnych, - okresową renowację oznakowania przeszkodowego, - prace dotyczące zabezpieczeń antykorozyjnych elementów wyposażenia komina (pomosty, drabiny włazowe, instalacje itp.). Wykonuje się również prace we wnętrzu komina, polegające na naprawie wymurówki, zwłaszcza w rejonie poziomych dylatacji poszczególnych segmentów oraz zabezpieczeń głowicy. W ostatnich latach popularną stała się praktyka wymiany uszkodzonej wykładziny z cegły ceramicznej ostatniego segmentu (bębna) na wykładzinę z cegły kwasoodpornej układanej na kicie krzemianowym. Wraz z wymurówką wymianie podlega materiał izolacji termicznej. Z reguły zdegradowaną wełnę mineralną zastępuje się szkłem piankowym. W przypadku wprowadzania zmian w technologii oczyszczania spalin wymagana jest gruntowna modernizacja komina, zwłaszcza jego warstw wewnętrznych. Dobrze zaplanowany zakres modernizacji obejmuje wyburzenie wymurówki ceramicznej wraz z usunięciem izolacji termicznej (najczęściej z wełny mineralnej), oraz oczyszczenie zniszczonej powierzchni wewnętrznej trzonu do uzyskania nośnego nieskażonego podłoża betonowego. Na tak przygotowane podłoże nakłada się materiały naprawcze. Następnie do wyremontowanego wnętrza wprowadza się nowy przewód spalinowy. Dobre efekty uzyskuje się stosując przewody spalinowe ze stali o odpowiedniej odporności na środowisko korozyjne kominów [79, 80]. Do wykonania przewodów spalinowych we wnętrzu kominów stosuje się również kompozyty, np. laminaty epoksydowo-szklane. Końcowym etapem modernizacji powinna być naprawa zewnętrznej powierzchni trzonu wraz z naniesieniem wymalowań przeszkodowych. W praktyce inżynierskiej bardzo często spotyka się przypadki niepowodzeń remontów kominów. Objawiają się one tym, że w krótkim czasie po przeprowadzonym remoncie na zewnętrznej powierzchni trzonów obserwuje się silne uszkodzenia. Dzieje się tak zwłaszcza

26 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 26 wtedy, gdy źle przeprowadzony remont poprzedzał włączenie w ciąg odprowadzania spalin instalacji odsiarczania. Najczęściej występującymi przyczynami niepowodzeń prac remontowych są: - złe rozpoznanie przyczyn uszkodzeń oraz stanu konstrukcji, - błędnie dobrana technologia i organizacja remontu, - wykonanie remontu jedynie zewnętrznej powierzchni trzonu bez eliminacji przyczyn uszkodzeń tkwiących z reguły we wnętrzu komina, - złe przygotowanie podłoża lub niedbała aplikacja materiałów naprawczych. Zastosowanie po stronie zewnętrznej trzonu nowoczesnych materiałów ochronnych zatrzymuje procesy destrukcji betonu pod wpływem czynników atmosferycznych. Wpływa to jednak niekorzystnie na pracę cieplno-wilgotnościową trzonu jako przegrody budowlanej. Zatrzymanie wody wewnątrz przekroju betonowej ściany znacznie przyspiesza procesy rozkładu spoiwa zapoczątkowane wcześniejszym skażeniem. Woda jest środowiskiem, w którym szybkość reakcji znacznie wzrasta, co może doprowadzić do całkowitej degradacji materiału w ciągu zaledwie kilku lat. Przykładem może być pokazany na rys. 9 beton trzonu komina, eksploatowanego przez 20 lat jako typowy komin energetyczny, w którego ciąg technologiczny odprowadzania spalin włączono IOS. Przed uruchomieniem instalacji wykonano remont jedynie powierzchni zewnętrznej trzonu, polegający na nałożeniu warstw naprawczych i polimerowej powłoki uszczelniającej beton. Po krótkim czasie zaobserwowano silne zniszczenia polegające na rozwarstwieniu betonu, odpadaniu otuliny i destrukcji głębszych warstw betonu. Rys.9. Uszkodzenia zewnętrznej powierzchni trzonu komina po naprawie

27 Wpływ warunków eksploatacji na zróżnicowanie stanu technicznego materiałów w kominach 27 W przypadku remontów kominów przemysłowych niejednokrotnie należy liczyć się z tym, że efekt ich będzie krótkotrwały. Przyczyną na ogół jest skażenie betonu zwłaszcza siarczanami, którego w takich konstrukcjach nie da się usunąć ani zneutralizować. Jak wykazały badania [26, 32] występuje istotny, negatywny wpływ na przyczepność do podłoża, skażonego jonami siarczanowymi i chlorkowymi, naprawczych materiałów cementowo-polimerowych. Dodać należy, przyczepność określoną zgodnie z [PN-EN 1542] można traktować jako miarę skuteczności naprawy. Z przeprowadzonych badań [32] wynika, że zawartość w naprawianym podłożu jonów siarczanowych powyżej 4% masy spoiwa powoduje, w warunkach zawilgocenia, utratę przyczepności materiałów naprawczych do podłoża na skutek krystalizacji pęczniejących produktów korozji siarczanowej w warstwach powierzchniowych naprawianego betonu. Wykazano również, że skażenie betonu jonami chlorkowymi w mniejszym stopniu wpływa na przyczepność, która nie ulega zmianie w wyniku zawilgocenia. Przywołane badania przeprowadzone zarówno w laboratorium jak i na wyremontowanym trzonie komina [3-S] potwierdziły całkowity brak skuteczności stosowania cementowopolimerowych materiałów naprawczych na skażone betonowe podłoże. W przypadku skażenia siarczanami następuje pękanie i odspajanie materiału od naprawianego podłoża, natomiast skażenie podłoża chlorkami powoduje, że w warunkach zawilgocenia silnie intensyfikowana jest korozja zbrojenia. W takich przypadkach wykonywanie napraw, nawet materiałami doskonałej jakości, może skutkować niepowodzeniem. Szeroko pojęta skuteczna naprawa, zwłaszcza przemysłowych obiektów betonowych, jest w większości przypadków zadaniem trudnym i niejednokrotnie techniczne skomplikowanym. Zadawalający efekt zależy od wielu czynników, w tym przede wszystkim od właściwego doboru materiałów [19] i technologii. W tego typu działaniach pomocnym jest korzystanie z pakietu norm PN-EN 1504 dotyczących wyrobów i systemów do ochrony i napraw konstrukcji z betonu. Zawarte w tych normach definicje, wymagania, sterowanie jakością oraz ocena zgodności, formalizują zarówno diagnostykę stanu konstrukcji oraz planowanie, jak również prowadzenie robót remontowych lub modernizacyjnych [18].

28 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 4.1. Wprowadzenie Beton w konstrukcjach żelbetowych, a szczególnie takich jakimi są kominy przemysłowe narażony jest na wiele czynników niszczących. Należą do nich zmiany temperatury i wilgotności, obciążenia statyczne i dynamiczne, agresja chemiczna itp. Wszystkie oddziaływania tj. fizyczne, mechaniczne i chemiczne prowadzą do jego destrukcji, którą powszechnie nazywamy korozją betonu. Oddziaływania korozyjne mają charakter synergiczny, to znaczy, że ich intensywność, pod wpływem kilku równocześnie występujących uwarunkowań, jest większa niż suma skutków pojedynczych oddziaływań. Z uwagi na heterogeniczny i topochemiczny charakter procesów korozyjnych stanowią one układy dwustronne, integralne i sprzężone [12, 17]. Znajduje to odzwierciedlenie w tym, że zagrożenie korozyjne określamy przez "odporność" materiału na dane środowisko (cecha materiałowa) lub "agresywność" środowiska w stosunku do danego materiału (cecha środowiskowa). Sprzężenie między obiema stronami układu jest takie, że im agresywność jest wyższa, tym odporność materiału niższa. Przykładem integralności i sprzężenia materiałowo-środowiskowego układu korozyjnego jest występowanie czynników korozyjnych równocześnie i równorzędnie po obu stronach tego układu, a więc zarówno po stronie materiałowej jak i środowiskowej. Najważniejsze czynniki kinetyczne układów korozyjnych, z uwzględnieniem podziału na obie te grupy przedstawiono w tabl. 7. Tabl.7. Czynniki kinetyczne procesów korozyjnych [12] CZYNNIKI MATERIAŁOWE CZYNNIKI ŚRODOWISKOWE reaktywność czyli podatność lub odporność na korozję powierzchnia: zewnętrzna, moduł powierzchniowy wewnętrzna, porowatość charakter fizykochemiczny powierzchni stan naprężeń reaktywność środowiska stężenie temperatura transport, czyli wymiana medium agresywnego charakter fizykochemiczny cieczy oddziaływania synergiczne

29 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 29 Z reguły wpływ czynników środowiskowych na beton dzieli się na oddziaływania typu fizycznego (destrukcja mrozowa, ługowanie, krystalizacja soli) oraz oddziaływania chemiczne, gdy proces niszczenia betonu jest związany z zachodzącymi reakcjami chemicznymi pomiędzy składnikami spoiwa i agresywnymi składnikami środowiska (agresywność kwasowa, węglanowa, amonowa, magnezowa, siarczanowa, chlorkowa). Środowisko zewnętrzne, z którym styka się beton trzonu kominów to przed wszystkim atmosfera przemysłowa. Należy także zaznaczyć, iż rocznie spala się znaczne ilości węgla o zawartości niejednokrotnie ponad 2% siarki, co powoduje skażenie tlenkami siarki nie tylko wewnętrznych warstw kominów, ale także atmosfery w ich rejonie. Przebieg procesów niszczenia zależy od stopnia zanieczyszczenia, temperatury i ciśnienia tych środowisk. Ponadto destrukcji betonu sprzyja fakt, że w Polsce przez ponad 9 miesięcy w roku wilgotność względna powietrza jest wyższa niż 75%, a roczna liczba przejść przez 0 o C jest większa od stu. Dodatkowo nasłonecznione fragmenty trzonu kominów mogą być rozmrażane powierzchniowo także przy ujemnej temperaturze powietrza, co zwiększa ogólną liczbę cykli zamrażania-rozmrażania nawet o 50%. Wymienione czynniki często oddziałują na beton wspólnie, co powoduje złożoność problemów związanych z destrukcją betonu [17, 28] Charakterystyka betonu jako materiału kompozytowego Faza ciągła - zaczyn Beton cementowy można traktować jako materiał kompozytowy składający się z matrycy ze stwardniałego zaczynu cementowego i inkluzji, którą stanowi kruszywo. Taki beton składa się przede wszystkim z faz stałych oraz proporcjonalnie niewielkiej ilości faz ciekłej i gazowej. Fazy stałe to wypełniacz w postaci kruszywa oraz stwardniały zaczyn cementowy. Faza gazowa to głównie powietrze zawarte w porach otwartych i zamkniętych. Część porów wypełniona jest fazą ciekłą. Faza ciekła to przede wszystkim elektrolit zawierający jony wapniowe oraz sodowe i potasowe, a roztwór ten jest wysoko alkaliczny. Stąd wynika, że ph cieczy porowej zdrowego betonu niejednokrotnie przekracza 13. Stwardniały zaczyn stanowią głównie produkty hydratacji cementu oraz niezhydratyzowane ziarna klinkieru. O właściwościach użytkowych betonu w głównej mierze decydują właściwości fizykochemiczne występujących faz oraz wzajemne ich proporcje. Zasadniczym składnikiem fazy stałej jest wypełniacz w postaci kruszywa oraz stwardniały zaczyn cementowy, których ilość przekracza 90% objętości. Pory powietrzne i faza ciekła występują przede wszystkim w stwardniałym zaczynie cementowym. Obecne są również różnego rodzaju i pochodzenia pory zawarte w strefie pomiędzy kruszywem i stwardniałym zaczynem. Z powyższych powodów betony traktować należy jako kompozyty wieloskładnikowe.

30 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 30 Stwardniały zaczyn cementowy powstaje w wyniku hydratacji składników fazowych klinkieru portlandzkiego w obecności gipsu i anhydrytu oraz wprowadzanych dodatków mineralnych i domieszek chemicznych. Podstawowe składniki klinkieru portlandzkiego to: ortokrzemainy wapniowe Ca 3 [SiO 4 ]O (alit), Ca 2 [SiO 4 ] (belit), glinian trójwapniowy Ca 3 [Al 2 O 6 ] oraz glinożelazian czterowapniowy Ca 4 [Al 2 Fe 2 O 10 ]. Składniki te stanowią zazwyczaj 98% wszystkich związków występujących w klinkierze portlandzkim [52, 62]. W wyniku procesu hydratacji powstają uwodnione związki o budowie krystalicznej, submikrokrystalicznej i amorficznej. Do krystalicznych faz należy zaliczyć Ca(OH) 2 (portlandyt), ettringit C 3 A 3CaSO 4 32H 2 O, monosulfat C 3 A CaSO 4 12H 2 O, uwodnione gliniany heksagonalne C 2 AH 8 i C 4 AH 13 oraz regularny C 3 AH 6. W procesie hydratacji cementu powstają, jak to wcześniej podano, różne nowe fazy. Fazy te w połączeniu z pozostałością nieshydratyzowanych ziaren cementu i porami tworzą mikrostrukturę stwardniałego zaczynu. Pory zawarte w stwardniałym zaczynie cementowym mają charakter zarówno porów otwartych jak i zamkniętych. Pory otwarte to głównie kapilary, występujące pomiędzy produktami krystalicznymi, jak również powstałe w wyniku usuwania wody z zaczynu, a zamknięte to głównie pory występujące w produktach żelowych. Pory zamknięte mają w większości przypadków charakter sferyczny. Na kształt i objętość porów wpływa wiele czynników. Przede wszystkim wielkość współczynnika wodno/cementowego, a następnie skład mineralny klinkieru portlandzkiego, rodzaj i ilość dodatków mineralnych oraz domieszek chemicznych [62]. Istotnym parametrem jest czas dojrzewania, który wraz z jego upływem powoduje zmniejszenie porowatości całkowitej. Badania nad strukturą porów prowadzone są od wielu lat [62]. Na ich podstawie przyjęto podział porów na makropory, mezopory i mikropory. Makropory i pory kapilarne wpływają niekorzystnie na wytrzymałość i przepuszczalność stwardniałego zaczynu cementowego. Natomiast pory żelowe decydują o zwartości stwardniałego zaczynu cementowego, a tym samym i szczelności betonu. W miarę upływu czasu ilość mezoporów ulega zmniejszeniu, a wzrasta ilość mikroporów. Jest to wynikiem wzrostu stopnia hydratacji cementu i przyrostu ilości fazy CSH, która wypełnia pory kapilarne. Zatem z punktu widzenia odporności betonu na działanie środowisk agresywnych, istotną rolę odgrywa szczelność stwardniałego zaczynu, a co zatem idzie i samego betonu. Przepływ cieczy i gazów przez beton może odbywać się w wyniku: - różnicy ciśnień (przepuszczalność), - sorpcji (podciąganie kapilarne), - różnicy stężeń (dyfuzja), Proces dyfuzji uzależniony jest przede wszystkim od różnicy stężeń, dotyczy on zarówno gazów jak i cieczy. Typowymi gazami oddziaływującymi na beton zwłaszcza w kominach

31 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 31 przemysłowych są CO 2, SO 2 i O 2.. Często również określana jest dyfuzja jonów chlorkowych w głąb betonu. Miarą dyfuzji jest współczynnik dyfuzji, który określany jest z prawa Ficka, gdzie szybkość transportu masy uzależniona jest od tego współczynnika oraz gradientu stężeń. J D dc dl gdzie: J - szybkość transportu masy [kg/m 2 s] lub [molach/m 2 s] dc/dl - gradient stężenia w [kg/m 4 ] lub [molach/m 4 ] D - współczynnik dyfuzji [m 2 /s] L - grubość próbki [m] W wyniku dyfuzji poprzez ciecz porową betonu transportowane są jony agresywne, które reagują ze składnikami zhydratyzowanego cementu. Dyfuzja jonowa jest najbardziej intensywna, gdy pory w betonie są zawilgocone, np. na skutek obniżenia temperatury odprowadzanych spalin. Dyfuzja jonowa ma znaczący wpływ na korozję stali w betonie, a szczególną rolę odgrywają tutaj jony chlorkowe Faza rozproszona - kruszywo Kruszywo stanowi % objętości betonu, dlatego też jego jakość ma istotny wpływ na właściwości betonu stwardniałego. Wpływa więc nie tylko na wytrzymałość betonu, ale również na jego odporność na korozję chemiczną i oddziaływania fizyczne. Do istotnych właściwości kruszyw oprócz wytrzymałości należy zaliczyć nasiąkliwość, mrozoodporność, odporność na alkalia. Istotnym parametrem jakościowym mieszanki kruszywowej jest jej wodożądność, która wpływa bezpośrednio na w/c mieszanki betonowej. Duża zawartości frakcji drobnych w kruszywie to wzrost wodożądności, a tym samym większe zapotrzebowanie na cement przy zakładanej wytrzymałości betonu. Istotna jest również odporność na alkalia w szczególności kruszyw krzemionkowych (naturalnych) oraz węglanowych. O aktywności alkalicznej kruszyw krzemionkowych decyduje przede wszystkim zawartości aktywnej krzemionki. Kruszywa węglanowe mogą wykazywać podatność na reakcję z alkaliami szczególnie w przypadku zawartości dolomitu oraz skały ilastej, występującej wewnątrz ziarna kruszywa [54, 68] Strefa stykowa Właściwości betonu zależą w dużej mierze od mikrostruktury stwardniałego zaczynu cementowego w strefie połączenia z ziarnem kruszywa. Szczegółowe badania [11, 52, 91] wykazały, że warstwa ta jest niejednorodna w swej budowie. Wokół kruszywa powstaje

32 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 32 warstwa przejściowa, często określana jako strefa stykowa, o zupełnie innych właściwościach zaczynu niż pozostała jego objętość poza tą strefą. Przyjmuje się, że warstwa przejściowa ma grubość od 20 m do 30 m i składa się głównie z bardzo drobnokrystalicznego wodorotlenku wapniowego i niewielkiej ilości ettringitu [52, 62]. Ze względu na zwiększoną porowatość, strefa połączenia stwardniałego zaczynu cementowego z kruszywem stanowi drogę łatwej penetracji czynników agresywnych między innymi takich jak woda, CO 2, Cl -, SO 2, SO Procesy destrukcyjne Niszczenie betonu mogą wywołać czynniki zarówno chemiczne jak i fizyczne. Procesy degradacji betonu zachodzą zarówno na jego powierzchni jak i wewnątrz. Postęp procesu korozji wymaga transportu reagujących jonów do miejsc reakcji, to jest do wnętrza betonu. Z punktu widzenia możliwości transportu substancji, w tym agresywnych, charakterystyka struktury porów ma istotne znaczenie. Najważniejszymi cechami są tu porowatość otwarta, przez którą możliwy jest transport cieczy i gazów oraz rozkład porów w stwardniałym zaczynie cementowym. Zawartość porów kapilarnych i makroporów ma największy wpływ na trwałość konstrukcji betonowych, natomiast wpływ porów żelowych jest znacznie mniejszy [77]. Niska przepuszczalność betonu jest konsekwencją właściwej (zwartej) mikrostruktury stwardniałego zaczynu cementowego. Aby to osiągnąć muszą być zachowane odpowiednie proporcje składników mieszanki betonowej. Istnieją w zasadzie trzy możliwe rozwiązania: określenie maksymalnego dopuszczalnego stosunku w/c, określenie minimalnej wytrzymałości betonu na ściskanie i określenie minimalnej zawartości cementu [PN-EN 206-1]. Oceniając procesy migracji jonów w stwardniałym zaczynie cementowym, należy mieć na uwadze to, że nie jest to czysta dyfuzja. Dyfundujące jony wchodzą w reakcje z fazami zaczynu oraz ulegają adsorpcji na powierzchni amorficznej fazy CSH. Oba te zjawiska odgrywają istotną rolę w procesach korozji betonu. Proces utraty odporności może być wspomagany przez reakcję kruszywa z alkaliami, w wyniku czego powstaje na przykład wtórny enttryngit [28, 62]. Nie bez znaczenia są naprężenia wywołane zmienną temperaturą skutkującą mikropęknięciami, czy destrukcją mrozową (co występuje na powierzchni trzonów kominów).

33 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych Fizyczne procesy destrukcyjne Po stronie fizycznych oddziaływań najczęstszymi przyczynami uszkodzeń betonu trzonów kominów przemysłowych są rysy i spękania wynikające ze stanu naprężeń w materiale od skurczu i oddziaływań termicznych. Ponadto destrukcja mrozowa następująca w wyniku powtarzającego się zamrażania i odmrażania zawartej w betonie wody oraz erozja powierzchniowa. W większości betonowych konstrukcji występują niezamierzone nieciągłości w postaci rys i pęknięć. Jedną z przyczyn nieciągłości struktury betonu są mikrorysy powstające w wyniku relaksacji naprężeń. Naprężenia te powstają głównie z powodu skurczu w początkowym okresie wiązania i wysychania, skurczu karbonatyzacji oraz różnicy współczynników rozszerzalności termicznej zaczynu i kruszywa. Mikrorysy spowodowane tymi czynnikami powstają najpierw na powierzchni materiału. Z upływem czasu dojrzewania, szczególnie przy braku prawidłowej pielęgnacji, mogą się one rozprzestrzeniać w głąb betonu. Badania wskazują, że mikrorysy powstają głównie w warstwie kontaktowej zaczyn-kruszywo [38]. Skurcz związany z procesem hydratacji nazywamy skurczem samoczynnym [62, 78]. Skurcz ten jest konsekwencją "wysysania" wody z kapilar przez hydratyzujące ziarna cementu, a zjawisko to często nazywa się samoosuszaniem. Największy skurcz tworzyw cementowych ma miejsce podczas ich wysychania, a jego wielkość uzależniona jest przede wszystkim od współczynnika w/c, rodzaju cementu i warunków pielęgnacji. Wielkość skurczu całkowitego w zależności od ilości kruszywa i współczynnika w/c oraz warunków pielęgnacji podano na rys. 10. Rys.10. Zależność między skurczem i czasem przechowywania betonu w powietrzu o różnej wilgotności względnej [62]

34 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 34 W betonie obciążonym, a więc w trakcie eksploatacji konstrukcji, powstaje złożony stan naprężeń wewnętrznych, a w ich wyniku pojawiają się mikropęknięcia szczególnie w strefie stykowej zaczynu z kruszywem. Mikropęknięcia w tej strefie występują nawet przed przyłożeniem obciążenia [52, 62]. Przy działaniu obciążenia, szczególnie dynamicznego, szczególną rolę odgrywa odkształcalność betonu opisana współczynnikiem sprężystości [62]. Jednym z głównych uszkodzeń betonu, przy działaniu cyklicznie zmiennego obciążenia, jest rozwój rys i powstawanie nowych mikrospękań. Stąd przy równoczesnym działaniu czynników korozyjnych ze strony środowiska i naprężeń można się spodziewać przyspieszenia procesu destrukcji betonu. Nadmierny przyrost temperatury, występujący przykładowo przy nasłonecznieniu powierzchni trzonu, wprowadza naprężenia wewnętrzne w betonie, których wartość jest tym wyższa im większy i szybszy jest przyrost temperatury a zarazem większa różnica temperatury w przekroju ściany trzonu. Prowadzi to do występowania takich naprężeń wewnętrznych, których wartość może przekroczyć wytrzymałość na rozciąganie betonu. Skutkuje to powstawaniem rys, a w wyniku ich propagacji również pęknięć konstrukcji [55, 63, 64]. Destrukcja mrozowa jest pochodną naszej strefy klimatycznej. Występuje w tych częściach budowli, które są wyeksponowane na działanie zmiennych temperatur z przejściem przez zero. Głównymi czynnikami wpływającymi na mrozoodporność betonu są: stopień jego nasycenia wodą i mikrostruktura porów zaczynu cementowego. Ważną rolę odgrywa wodoprzepuszczalność betonu. Czynnikiem destrukcyjnym jest wzrost o 9% objętości wody nasycającej beton, przy jej przejściu w lód, co wywołuje ciśnienie krystalizacji powodujące rozsadzanie porów. Pęcznienie jest proporcjonalne do stopnia nasycenia betonu [72]. Równocześnie woda wypierana przez lód z kapilar wywiera na beton ciśnienie hydrauliczne, zależne od oporów przepływu, a więc od przepuszczalności zaczynu oddzielającego pory. Woda nie zamarza w porach żelowych, gdyż są one zbyt małe, aby mogły powstawać trwałe zarodki lodu [28]. Najlepszym sposobem zwiększenia odporności betonu na zamarzanie jest napowietrzanie. W efekcie napowietrzania w zaczynie cementowym powstają prawie kuliste pustki o średnicy rzędu 50 μm, oddzielone od siebie tak, że przepuszczalność betonu nie ulega zwiększeniu. Pustki te nie zostają wypełnione produktami hydratacji cementu, gdyż żel CSH może kształtować się tylko w obecności wody. Specyfika żelbetowych trzonów kominów sprawia, że destrukcja mrozowa betonu ma zwykle charakter powierzchniowy z tendencją do postępowania w głąb konstrukcji. O rozmiarach zniszczeń i ich postępie w czasie decydują właściwości betonu oraz stopień ekspozycji na działanie mrozu. Uszkodzenia mrozowe zależą od liczby cykli zamrażania i odmrażania, szybkości zmian temperatury i jej wartości maksymalnych [72, 78].

35 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych Chemiczne procesy destrukcyjne Skażenie betonu następuje w wyniku przenikania ze środowiska w głąb betonu substancji agresywnych chemicznie, które mogą reagować ze składnikami betonu, zwłaszcza stwardniałym zaczynem cementowym, powodując jego korozję Karbonatyzacja betonu Działanie CO 2 na beton ma miejsce nawet przy niskich jego stężeniach w powietrzu. W atmosferze wiejskiej objętościowa zawartość CO 2 wynosi około 0,03%, a w dużych miastach przeciętnie 0,3%. Szybkość karbonatyzacji jest proporcjonalna do stężenia CO 2, zwłaszcza w betonach o wysokim w/c, gdyż transport CO 2 następuje poprzez system porów w stwardniałym zaczynie cementowym. Spośród hydratów w zaczynie najłatwiej reaguje Ca(OH) 2 tworząc CaCO 3, ale działaniu dwutlenku węgla ulegają także inne hydraty. W betonie zawierającym tylko cement portlandzki, gdy w wyniku karbonatyzacji wodorotlenek wapniowy ulegnie wyczerpaniu, możliwa jest karbonatyzacja fazy CSH. W wyniku tego procesu wzrasta nie tylko zawartość CaCO 3, ale tworzy się równocześnie żel krzemionkowy, który odkłada się w porach o średnicach większych niż 100 nm. Podstawowym czynnikiem od którego zależy karbonatyzacja, jest układ porów w stwardniałym zaczynie cementowym, w którym zachodzi dyfuzja CO 2. W związku z tym znaczenie mają: rodzaj cementu, wskaźnik w/c oraz stopień hydratacji. Wszystkie te elementy wpływają również na wytrzymałość betonu, a więc upraszczając można stwierdzić, iż szybkość karbonatyzacji jest tym większa im niższa jest wytrzymałość betonu. Jednym ze skutków karbonatyzacji jest skurcz, któremu ulega powierzchniowa strefa betonu. Kolejność wysychania i karbonatyzacji ma duży wpływ na całkowitą wartość skurczu. Jednoczesne suszenie i karbonatyzacja dają całkowity skurcz mniejszy, niż gdy procesy te następują kolejno po sobie. Karbonatyzacja prowadzi do zmian własności fizykomechanicznych i fizykochemicznych betonu. Powstały węglan wapnia charakteryzuje się znacznie mniejszym iloczynem rozpuszczalności niż wodorotlenek wapnia, co prowadzi do jego wytrącania. Węglan wapniowy lokuje się w porach o promieniu od 10-9 m do 10-4 m, w związku z czym ilość tych porów po karbonatyzacji zmniejsza się nawet dwukrotnie. Zwiększeniu ulega zatem szczelność betonu. Zwiększa się gęstość pozorna oraz wytrzymałość. Wilgotność sorpcyjna maleje od 2 do 4 razy. Wzrasta rezystywność betonu od około 2 do 4 razy, co wpływa na hamowanie (zwłaszcza w makroogniwach) procesu korozji zbrojenia. Również woda wydzielająca się w wyniku przejścia Ca(OH) 2 w CaCO 3, może być przydatna przy uwadnianiu cementu niehydratyzowanego [65, 73].

36 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 36 Bardzo istotną zmianą jest zmiana wartości ph cieczy porowej. Z uwagi na wiązanie wodorotlenku wapnia przez dwutlenek węgla, alkaliczność betonu maleje i przy pełnej karbonatyzacji (całkowite pozbawienie wodorotlenku wapniowego) ph spada do wartości około 8,3 [52, 87] a więc znacznie poniżej granicznej wartości ph równej 11,8, poniżej której beton traci swoje właściwości ochronne wobec zbrojenia. Wynika z tego, że utrata właściwości ochronnych otuliny może nastąpić także przy niepełnej karbonatyzacji betonu. Przyjmuje się, że beton praktycznie nie ulega karbonatyzacji w środowisku nasyconym wodą oraz w bardzo suchym. Największą szybkość procesu rejestruje się w powietrzu o wilgotności względnej od 40% do 80% [65] Korozja kwasowa Wszystkie środowiska o odczynie kwaśnym wywierają wpływ na stwardniały zaczyn cementowy będący materiałem o charakterze zasadowym, a więc łatwo reagującym z kwasami. Agresywne działanie środowiska zależy od rodzaju i stężenia kwasu. Kwasy nieorganiczne silnie zdysocjowane, jak kwas solny, azotowy, siarkowy, reagują praktycznie ze wszystkimi składnikami cementu, tworząc sole wapniowe, glinowe i żelazowe oraz żel krzemionkowy. Przy wyższym stężeniu powodują one całkowity rozpad betonu. Słabe kwasy nieorganiczne, np. kwas węglowy, reagują tylko z wodorotlenkiem wapniowym. Działanie kwasów organicznych na beton jest podobne jak nieorganicznych i polega na reagowaniu zwodorotlenkiem wapniowym, a częściowo także ze związkami glinu. Nie wszystkie kwasy działają szkodliwie na beton. Na przykład kwasy fluorokrzemowy, fosforowy lub szczawiowy wywierają dodatni wpływ. Ze względu na tworzenie trudno rozpuszczalnych soli wapniowych działają one na beton uszczelniająco [40, 52]. Agresywność kwasowa spowodowana jest wymianą jonów. Może ona wynikać nie tylko z działania kwasów, lecz również z obecności soli kwaśnych, a więc soli silnych kwasów i słabych zasad, np. niektórych soli amonowych. Związki te reagują ze składnikami kamienia cementowego, tworząc łatwo rozpuszczalne sole. Proces ten powoduje stopniowe zwiększenie porowatości betonu i obniżenie jego wytrzymałości. Kwasy reagują również z węglanem wapnia, powstającym w wyniku karbonatyzacji betonu. Mogą także rozkładać niektóre kruszywa, zwłaszcza węglanowe. Uszkodzenia spowodowane przez środowiska o charakterze kwaśnym uzależnione są od rodzaju powstających produktów i warunków ich oddziaływania na beton. Jeżeli w wyniku reakcji powstają sole rozpuszczalne, to są one wypłukiwane z betonu, a obraz zniszczenia jest podobny jak w przypadku agresywności ługującej, przy czym proces ten jest znacznie szybszy. Korozja rozwija się z szybkością w przybliżeniu proporcjonalną do pierwiastka kwadratowego z czasu, ponieważ substancje agresywne muszą przedostać się poprzez resztkową warstwę słabo rozpuszczalnych produktów reakcji, które pozostają po

37 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 37 rozpuszczeniu Ca(OH) 2. Tak więc na postęp korozji wpływa nie tylko wartość ph, ale również ruchliwość jonów agresywnych. Jeżeli sole wapnia przechodzą w związki nierozpuszczalne, to wymywanie nie następuje. Jeżeli jednak nie mają właściwości wiążących w stosunku do pozostałych składników betonu, to powodują zmianę struktury i obniżenie wytrzymałości betonu. Jeżeli utworzone sole charakteryzują się zdolnością przyłączenia dużej ilości wody, to w efekcie wystąpi korozja pęcznienia. Dotyczy to np. kwasu siarkowego (kondensat). Postęp korozji betonu w środowiskach kwaśnych nie jest stały i ulega zahamowaniu, zwłaszcza w warunkach stacjonarnych, gdy przy braku przepływu cieczy kwaśnych szybkie początkowo rozpuszczanie wapnia, zależne od kinetyki reakcji wodorotlenku wapnia z kwasami, jest hamowane przez zagęszczające się z czasem nowo powstałe związki utrudniające dyfuzję środowiska do nieuszkodzonego jeszcze spoiwa. Schemat ilustrujący szybkość korozji betonu narażonego na działanie środowisk kwaśnych przedstawia rys. 11. Jeżeli beton jest omywany przez środowisko kwaśne, to intensywność korozji zwiększa się, zwłaszcza w przypadku powstawania rys i pęknięć powierzchniowych. Jednak i wtedy korozja zachodzi w warstwach powierzchniowych, a beton pod warstwą skorodowaną zachowuje jeszcze znaczną wytrzymałość, przy jednoczesnym zmniejszeniu przekroju elementu betonowego. W prawidłowo wykonanych szczelnych betonach granica między betonem uszkodzonym i nieuszkodzonym jest dość wyraźna. Rys.11. Typowy schemat zmiany szybkości korozji betonu w środowiskach kwaśnych: 1 -zakres kinetyczny, 2 -zakres dyfuzyjno-kinetyczny, 3 -zakres dyfuzyjny [40] Należy dodać, że w odróżnieniu od innych rodzajów agresywności, w przypadku działania kwasów na beton może być atakowane nie tylko spoiwo, ale częściowo także kruszywo.

38 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 38 W warunkach działania środowiska kwaśnego należy się spodziewać szybkiej destrukcji wypełniaczy ze skał węglanowych [28, 68]. Szkodliwe działanie kwasów rozpoczyna się zawsze od powierzchni betonu. W ten sposób tworzy się strefa korozji, która stopniowo przesuwa się w głąb betonu. Szybkość korozji w kwasach zależy od: - struktury i przyczepności do betonu warstwy skorodowanej oraz rozpuszczalności powstających produktów reakcji chemicznych, które decydują o dostępności środowiska agresywnego, do powierzchni reakcji oraz łatwości odprowadzenia powstałych związków, - intensywności omywania konstrukcji przez środowisko agresywne, co wiąże się z możliwością dopływu agresywnych cieczy gazu kondensatu do powierzchni i odprowadzenia rozpuszczalnych produktów korozji, - szczelności betonu i jego zdolności filtracyjnych Korozja siarczanowa Korozja siarczanowa betonu jest procesem złożonym, w którym biorą udział czynniki fizyczne i chemiczne [28, 52]. Siarczany w obecności wilgoci reagują ze składnikami stwardniałego zaczynu cementowego i w zależności od warunków (rodzaj kationu, możliwość krystalizacji produktów korozji, temperatury itp.) wywołują ekspansję i niszczenie struktury betonu. Podstawowe reakcje opisujące proces korozji siarczanowej można zapisać następująco: 2 Ca(OH) 2 SO4 2H2O CaSO4 2 2H O 2OH Powstający gips jest już ekspansywny i również może reagować dalej z glinianami: 2 4CaO Al2 O SO4 2H2O CaSO4 2 2H O 2OH 4 2H2O 25H O 32H O Ca 2 4CaO Al2O3 H2O 3 CaSO 2 3CaO Al 2 O 3 3CaSO 4 2 OH 2H O 20H O 3CaO Al2 O3 6H2O 3 CaSO CaO Al2O3 3CaSO 4 32H 2O W drugiej reakcji powstaje wodorotlenek wapniowy, który może uczestniczyć w reakcji pierwszej zwiększając ilość powstającego gipsu. Gips oraz ettringit mają znacznie większą

39 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 39 objętość, odpowiednio 2 i 2,3 razy, niż składniki wyjściowe [21]. Początkowo powstające kryształy uszczelniają beton i podnoszą jego wytrzymałość na ściskanie. Po przekroczeniu granicy uszczelnienia struktury, jednak przy dalszym wzroście kryształów powstają wewnętrzne naprężenia powodujące rysy i pęknięcia prowadzące do niszczenia betonu. Jest to zrozumiałe, gdyż ciśnienie krystalizacji przy przejściu CaSO 4 w CaSO 4 2H 2 O, wynosi ok.110 MPa (powiększenie objętości o 227%). Tworzenie się ettringitu jest groźne w skutkach głównie dlatego, że igiełkowate kryształy powstają topochemicznie w fazie stałej i nie mogąc wniknąć w pory betonu wywierają bezpośredni nacisk na najbliższe otoczenie. Ten typ korozji mogą powodować w zasadzie wszystkie sole, jeśli warunki eksploatacji konstrukcji sprzyjają krystalizacji soli w porach betonu. W środowiskach o stężeniu siarczanów mniejszym od 1000 mg/dm 3 dominująca jest korozja z tworzeniem ettringitu. Krystalizuje on w postaci igieł powiększając objętość i jest przyczyną bardzo szybkiego niszczenia betonu (rys.12). Przy stężeniu ponad 3000 mg/dm 3 dominuje korozja gipsowa (rys.13). Rys.12. Obraz mikroskopowy ettringitu wtórnego (powiększenie 2500 razy) [21] Rys.13. Obraz mikroskopowy gipsu (powiększenie 2500 razy) [21] W najczęściej spotykanych przypadkach to właśnie ettringit jest przyczyną niszczenia betonu. Warunki sprzyjające krystalizacji znacznie przyśpieszają ten proces. Niebezpieczeństwo wzrasta przy częściowym zawilgoceniu betonu z możliwością parowania (odsychania) wody z powierzchni lub przy okresowym zawilgoceniu i wysychaniu, co może mieć miejsce we wnętrzu trzonu komina. Następuje wówczas zatężenie roztworu, co stwarza dobre warunki do krystalizacji produktów korozji [25, 31, 39]. Skutki destrukcji siarczanowej obejmują nie tylko niszczącą ekspansję i spękania, ale także spadek wytrzymałości betonu na skutek zmniejszenia się sił kohezji w zhydratyzowanym zaczynie cementowym oraz osłabienie adhezji pomiędzy zaczynem i cząsteczkami kruszywa. Beton skażony siarczanami przyjmuje charakterystyczną białą

40 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 40 barwę. Zniszczenie rozpoczyna się zazwyczaj na krawędziach i w narożach, po czym następuje postępujące pękanie i odpryskiwanie materiału. Poza stężeniem siarczanów, intensywność procesu korozji zależy również od szybkości, 2- z jaką uzupełniane jest stężenie zawartości jonów SO 4 w agresywnych roztworach pozostających w bezpośrednim kontakcie z betonem. Zatem przy ocenie zagrożenia agresją siarczanową konieczna jest znajomość ruchu ośrodka zawierającego siarczany, np. przemienne nasączenie i wysuszanie prowadzą do szybszego niszczenia betonu. Autorzy [39] opisali strefowość pojawiania się faz ettringitowych i gipsowych w zaczynach eksponowanych w środowisku siarczanowym. Prowadząc analizę od powierzchni do wnętrza próbki stwierdzili, że poszczególne warstwy przechodzą przez kolejne etapy zniszczenia powodowanego obecnością jonów siarczanowych. Korozja siarczanowa jest znacznie intensywniejsza, jeśli beton jest poddawany przemiennemu nawilżaniu i suszeniu. W oparciu o obserwacje wielu konstrukcji betonowych [59] stwierdzono, że korozja siarczanowa przejawia się miedzy innymi w przemianie materiału w ciastowatą masę co, nie odrzucając powstawania mikrospękań spowodowanych ekspansją ettringitową, przemawia głównie za niszczeniem fazy CSH. Rys.14. Schemat strefowości zniszczenia kompozytu cementowego poddanego działaniu siarczanu sodu [39] Przedstawiony na rys. 14 schemat strefowości zniszczenia tworzyw cementowych został potwierdzony w badaniach betonu pochodzącego z wielu trzonów kominów przemysłowych [21, 33]. W badanych betonach pochodzących z kominów występowały trzy warstwy różniące się zasięgiem i rodzajem produktów korozji. W poziomym przekroju ściany trzonu począwszy od wnętrza komina zidentyfikowano następujące strefy: pierwsza, o grubości 1 3 cm, silnie zniszczonego betonu, której głównym produktem korozji był gips wtórny, druga, o grubości 1 2 cm, ze spoiwem zawierającym znaczne ilości ettringitu wtórnego,

41 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 41 pozostały beton o prawidłowej mikrostrukturze, o zawartości jonów SO 2-4 nie przekraczającej 3% i ph>11, Korozja betonu narażonego na agresję chlorkową Badania korozji kompozytów cementowych w roztworach chlorków o dużym stężeniu wykazały, iż proces korozji zaczynu rozpoczyna się od skurczu, który jest wynikiem zagęszczania żelu CSH pod wpływem ciśnienia osmotycznego. Skutkuje to powstaniem mikrospękań będących drogami szybkiej dyfuzji chlorków do wnętrza struktury materiału. Jony chlorkowe w stwardniałym zaczynie cementowym występują w trzech fazach: ekspansywnym zasadowym chlorku wapnia (Ca(OH) 2 CaCl 2 H 2 O); soli Friedela (CaO Al 2 O 3 CaCl 2 10H 2 O) oraz ettringicie (3CaO Al 2 O 3 3CaSO 4 32H 2 O). Proces ekspansji chlorkowej jest skutkiem wzrostu objętości fazy stałej podczas powstawania Ca(OH) 2 CaCl 2 H 2 O. W wielu przypadkach występowania korozji chlorkowej w konstrukcjach stwierdzono w strefie stykowej zaczyn kruszywo obecność zasadowego chlorku wapniowego [52, 62]. W przypadku rozpatrywania konstrukcji żelbetowych, podstawowym skutkiem agresji chlorkowej jest jednak korozja stali zbrojeniowej. Aby wystąpiło zapoczątkowanie korozji, określone stężenie jonów chlorkowych musi sięgnąć stali. Całkowita zawartość chlorków nie decyduje o postępie korozji stali w betonie. Część jonów Cl - jest związana chemicznie w produktach hydratacji cementu, część związana jest fizycznie w wyniku adsorpcji na powierzchni porów żelowych i tylko wolne jony chlorkowe powodują reakcje chemiczne, w wyniku których następuje korozja stali. Udział chlorków wolnych w betonie nieskarbonatyzowanym stanowi od 5 do 23 % ich całkowitej zawartości [87] i jest uzależniony np. od rodzaju cementu, stosowanych domieszek itp. W przypadku analizowania konstrukcji istniejącej, również należy brać pod uwagę chlorki pochodzące ze źródeł zewnętrznych (środowiska). Problem korozji stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych spowodowanej między innymi chlorkami omówiono w rozdziale 6. Korozję chlorkową wspomaga agresja siarczanowa, w wyniku której następuje rozkład soli Friedela i uwalnianie jonów Cl. Spadek ph związany z karbonatyzacją stwardniałego betonu również przyspiesza proces korozji chlorkowej.

42 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 42 Rys.15. Wiązanie jonów chlorkowych w betonie [28] Wartość stężenia chlorków uznana za niebezpieczną ze względu na korozję stali zbrojeniowej jest podawana w dokumentach normalizacyjnych jako maksymalna dopuszczalna zawartość jonów Cl - i wyrażana jest w procentach masy w odniesieniu do masy cementu (% m.c.) lub rzadziej w jednostce masy jonów Cl - w jednostce objętości betonu. Normy nie podają dopuszczalnej wartości wolnych jonów chlorkowych, zapewne ze względu na trudności z wyznaczeniem tej wartości w rzeczywistych konstrukcjach. Dopuszczalne zawartości chlorków odnoszą się do wartości wyznaczonych po rozpuszczeniu próbki betonu w kwasie lub wyługowania wodą. Należy zaznaczyć, że te dwie metody mogą prowadzić do różnych wyników, z reguły wyższych w przypadku rozpuszczania w kwasie [89] Oddziaływania synergiczne Oddziaływania synergiczne, rozumiane jako współdziałanie różnych czynników, można podzielić na dwie grupy. Pierwsza z nich charakteryzuje się występowaniem progu oddziaływań cząstkowych na ich efekt łączny. Ten rodzaj synergizmu nazywamy progowym. Drugą grupę stanowią oddziaływania, w których nie obserwuje się tego zjawiska, a więc siłą rzeczy, wpływ oddziaływań cząstkowych na efekt łączny jest ciągły. Ten rodzaj synergizmu określa się jako ciągły. Korozja elementów z betonu ma z reguły charakter synergizmu ciągłego, ponieważ czynniki kinetyczne intensywnie przyspieszają destrukcję uwarunkowaną chemicznie. Wpływ ich na szybkość procesu korozyjnego nie jest jednakowo silny. W przypadku kominów przemysłowych równoczesny wpływ kilku czynników kinetycznych jest oczywisty, niemniej

43 Destrukcja betonu w trzonach kominów żelbetowych 43 jednak oszacowanie, który czynnik odegrał mniejszą, a który większą rolę, jest bardzo trudne. Można przyjąć [59], że niszczenie betonu przebiega dwuetapowo, co przedstawiono na rys.16. Pierwszy etap niszczenia betonu określany jest jako okres indukcyjny, który istotnie wpływa na trwałość betonu i związany jest z jego wyjściową szczelnością. Natomiast drugi spowodowany jest intensywnym oddziaływaniem środowiska związanym ze zwiększeniem powierzchni wewnętrznej betonu w wyniku stopniowej utraty szczelności. Rys.16. Oddziaływanie synergiczne czynników destrukcyjnych [59]

44 Badania betonu pobranego z trzonów kominów Badania betonu pobranego z trzonów kominów 5.1. Wprowadzenie Diagnostyka materiałowa obejmuje oględziny obiektu, badania techniczne wykonywane ma miejscu oraz jeśli zachodzi taka potrzeba, pobór próbek do badań laboratoryjnych. Do dyspozycji oceniającego jest wiele metod o różnej przydatności w danych warunkach i o zróżnicowanej dokładności. Ocena powinna być kompleksowa, to znaczy winna obejmować wszystkie istotne materiały zastosowane do wykonania komina, tym niemniej istnieje pewna hierarchia ważności oceny stanu tych materiałów. Ze zrozumiałych względów najważniejszy jest stan betonu i stali zbrojeniowej trzonu komina, a następnie materiałów wymurówki i izolacji termicznej [20]. Zestawienie metod badań stosowanych w ocenie betonu w trzonach kominów wraz z klasyfikacją oraz uwagami, co do ich przydatności w tego typu konstrukcjach przedstawiono w tabl. 8. Natomiast schemat ideowy badania materiałów (betonu i stali) trzonu komina przedstawiono na rys. 17. Badania laboratoryjne betonu w zależności od zakresu dokładności poszukiwanych informacji mogą być prowadzone na odkruszonych kawałkach materiału, na pobranych wiertarką z różnych głębokości zwiercinach oraz na odwiertach rdzeniowych. W przypadku trzonów kominów żelbetowych odwierty rdzeniowe wydają się być podstawą pozyskiwania kompleksowych informacji o właściwościach materiału w konstrukcji po określonym czasie jej eksploatacji. Dają możliwość wieloparametrowej oceny właściwości betonu, zarówno na powierzchni zewnętrznej, jaki i od wnętrza trzonu. Na próbkach tego rodzaju istnieje równocześnie możliwość wyznaczenia właściwości badanego materiału w wybranych przekrojach na grubości trzonu.

45 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 45 Tabl.8. Wybrane metody badań stosowane w ocenie w konstrukcji żelbetowych [17, 23, 92] METODA BADANIA CHARAKTER METODY PRZEDMIOT BADANIA CEL BADANIA UWAGI, CO DO PRZYDATNOŚCI W BADANIACH KOMINÓW PRZEMYSŁOWYCH METODY STOSOWANE NA OBIEKCIE (IN SITU) Metoda sklerometryczna PN-EN Nieniszcząca Zależność pomiędzy twardością powierzchniową a wytrzymałością na ściskanie Szacowanie wytrzymałości na ściskanie Możliwość stosowania do oceny wytrzymałości betonu nieuszkodzonego powierzchniowo Metoda ultradźwiękowa PN-EN Nieniszcząca Zależność pomiędzy prędkością rozchodzenia się fali ultradźwiękowej a wytrzymałością na ściskanie Szacowanie wytrzymałości na ściskanie Metoda wrażliwa na stan zawilgocenia betonu Testy typu pull-out PN-EN Seminieniszcząca Wytrzymałość na wyrywanie stalowej kotwy z betonu Szacowanie wytrzymałości na ściskanie Ocena warstw przypowierzchniowych Testy typu pull-off PN-EN 1542 Seminieniszcząca Naprężenie odrywające (rozciąganie) naciętej kołowo warstwy betonu Ustalenie przypowierzchniowej wytrzymałości na rozciąganie Bardzo przydatna przy projektowaniu i kontroli wykonawstwa napraw powierzchniowych Test fenoloftaleinowy PN-EN Test tymoloftaleinowy Test tęczowy Seminieniszcząca chemiczna Skokowe (w zależności od użytego wskaźnika) określenie zmiany ph betonu na świeżych odkuwkach Identyfikacja jakościowa procesu karbonatyzacji Prosty i szybki pomiar progowy przydatny przy kontroli przygotowania podłoża w naprawach powierzchniowych

46 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 46 Pomiary rezystywności otulenia betonowego Seminieniszcząca elektrochemiczna Pomiar natężania prądu stałego przepływającego między dwoma elektrodami umieszczonymi w betonie w stałej odległości Elektrochemiczne badania zagrożenia zbrojenia korozją Określenie prawdopodobieństwa wystąpienia korozji zbrojenia w konstrukcji Pomiary potencjału stacjonarnego ASTM-C Nieniszcząca Różnicy potencjałów między elektrodą odniesienia (np. Cu CuSO 4) i stalą zbrojeniową w otoczeniu betonu. Elektrochemiczne badania zagrożenia zbrojenia korozją Określenie prawdopodobieństwa wystąpienia korozji zbrojenia w konstrukcji METODY LABORATORYJNE NA PRÓBKACH POBRANYCH Z OBIEKTU Odwierty rdzeniowe PN-EN Niszcząca Ustalenie w sposób bezpośredni, w zależności od średnicy i głębokości (długości) odwiertu, następujących właściwości: - gęstość - nasiąkliwość - mrozoodporność - wytrzymałość na ściskanie - moduł sprężystości - rozkład ph na długości odwiertu - zawartość agresywnych dla betonu jonów w dowolnie wybranym przekroju odwiertu - mikrostruktura oraz ewentualne produkty korozji w dowolnie wybranym przekroju odwiertu Wielokrotnie stosowana przez autora do oceny właściwości betonu w trzonach kominów przemysłowych. Zakres średnic odwiertów: mm Statyczna próba rozciągania stali PN-EN ISO Niszcząca Ustalenie w sposób bezpośredni, na próbkach obrabianych mechanicznie następujących właściwości: - moduł sprężystości - grania plastyczności - wytrzymałość na rozciąganie - ciągliwość Możliwość oceny skutków korozji wżerowej itp.

47 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 47 Rys.17. Schemat badania stanu materiałów w trzonach kominów żelbetowych 5.2. Wybór miejsca i sposobu pobierania próbek oraz kryteria ich oceny Ocena stanu materiału w konstrukcji jest ważnym, a często decydującym elementem oceny całego obiektu. Ustalanie stanu konstrukcji dokonuje się z reguły na podstawie niepełnych informacji, zwłaszcza dotyczących oddziaływania środowiska, dotychczasowego przebiegu użytkowania, a także niekompletnej dokumentacji. Zakres badań powinien być przyporządkowywany celowi oceny obiektu (np. projekt prac remontowych lub modernizacja). Z tego względu niezwykle istotny jest dobór miejsc wykonania badań na obiekcie oraz sposobu pobrania próbek do badań laboratoryjnych.

48 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 48 Zasadą jest typowanie miejsc z widocznymi uszkodzeniami lub znajdujących się w najbardziej niekorzystnych warunkach użytkowania. W wyborze miejsca pobrania materiału do badań uwzględnia się wpływ czynników klimatycznych, usytuowanie względem źródeł agresywnych czynników oraz ewentualne osłabienie przekroju w wyniku wycięcia próbki. W przypadku trzonów kominów żelbetowych nie bez znaczenia jest techniczna dostępność miejsca wytypowanego do pobrania próbek. Rys.18. Pobieranie próbek materiałów z komina przemysłowego Na rys. 18 pokazano sposób pobierania próbek z komina żelbetowego, dla którego wykonano kompleksową ocenę stopnia destrukcji jego materiałów, w oparciu o przelotowe odwierty rdzeniowe, wychodząc z założenia, że są one nośnikami niezbędnych informacji o stanie materiałów [8, 15, 30, 35]. Uzyskiwane wyniki badań pozwalają na oceny właściwości i stopnia skażenia materiałów w rezultacie wieloletniej eksploatacji tego typu obiektów oraz na ich podstawie wskazanie mechanizmu ich destrukcji. W tabl. 9 przedstawiono, przyjęte przez autora, kryteria oceny wyników badania odwiertów pobranych z trzonów żelbetowych kominów przemysłowych.

49 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 49 Tabl.9. Kryteria oceny odwiertów pobranych z trzonów kominów BADANA WŁAŚCIWOŚĆ PRZEDMIOT OCENY PRZYJĘTE KRYTERIA OCENY KONSTRUKCYJNA Wygląd zewnętrzny Długość odwiertu [mm] zwartość struktury, rysy, pęknięcia i rozwarstwienia, wizualne skutki destrukcji, zabrudzenia i przebarwienia minimalna grubość trzonu spełniająca wymagania konstrukcyjne subiektywna ocena makroskopowa 0,2 mm wg PN-B (dopuszczalna rozwartość rys konstrukcji betonowych w zależności od klasy ekspozycji) wg PN-88/B nie mniej niż 180 mm przy średnicy wylotu 2 m<d<5 m Otulenie prętów zbrojenia [mm] minimalna grubość otuliny spełniająca wymagania konstrukcyjne wg PN-88/B dla Ø>16 mm nie mniej niż 40 mm dla Ø 16 mm nie mniej niż 30 mm Gęstość [kg/m 3 ] ilościowe określenie zawartości fazy stałej w objętości materiału wg PN-EN w stanie suchym w przedziale kg/m 3 Nasiąkliwość [% masy] dostępność struktury materiału dla wody przy ciśnieniu atmosferycznym 5 % masy Wytrzymałość na ściskanie [MPa] zdolność przenoszenia naprężeń ściskających najniższa dopuszczalna klasa betonu B25 wg PN-88/B MATERIAŁOWA Odczyn ph Zawartość jonów siarczanowych [% masy spoiwa] identyfikacja zasięgu karbonatyzacji identyfikacja procesów korozyjnych identyfikacja korozji siarczanowej >11,8 ochrona zbrojenia <11 zagrożenie korozją zbrojenia <9 destrukcja betonu 3 brak zagrożenia > 3 zagrożenie korozją > 6 destrukcja betonu Zawartość jonów chlorkowych [% masy spoiwa] identyfikacja zagrożenia korozyjnego chlorkami betonu i stali 0,4 wg ,3 w przypadku rozpuszczalnych w wodzie zagrożenie korozją zbrojenia Stosunek spoiwa do kruszywa ilość masy kruszywa przypadająca na masę spoiwa cementowego w betonie stwardniałym >7 nadmiar kruszywa świadczący o ubytku spoiwa np. w wyniku korozji rozpuszczania < 5 nadmiar spoiwa świadczący o niepoprawnie dobranym składzie

50 Badania betonu pobranego z trzonów kominów Ocena makroskopowa betonu Ocena makroskopowa polega na wnioskowaniu o właściwościach betonu oraz widocznych skutkach jego ewentualnej destrukcji na podstawie wyglądu rdzenia. Ocenie podlegają zarówno powierzchnie czołowe jak i powierzchnia pobocznicy. Ocenia się zwartość betonu, ewentualnie defekty (raki) powstałe zarówno na etapie betonowania jak również w trakcie eksploatacji. Identyfikuje się rysy i rozwarstwienia powstałe w wyniku dotychczasowej pracy konstrukcji. Zwraca się uwagę na proporcję zaprawy do kruszywa grubego oraz jednorodność jego rozmieszczenia. Podaje się rodzaj i maksymalne uziarnienie kruszywa, opisuje uszkodzenia powierzchniowe oraz naloty i przebarwienia świadczące o występowaniu procesów korozyjnych. W omawianym zakresie oceny makroskopowej uwzględnić należy pomiary długości odwiertów dające informacje o grubości trzonu w miejscu ich wykonania. W przypadku pobrania wraz z betonem stali zbrojeniowej, należy określić jej usytuowanie w przekroju trzonu oraz zmierzyć grubość otuliny. Odnotowuje się również przypadki widocznej korozji zbrojenia, które wpływają na zakres badań chemicznych betonu w bezpośrednim sąsiedztwie zbrojenia oraz ewentualnych badań skorodowanej stali opisanych w pkt. 7.2 i 7.3. Pomocnym jest wykonanie stosownej dokumentacji fotograficznej wiążącej wygląd betonowego rdzenia z umiejscowieniem poszczególnych badań laboratoryjnych. Ocena wizualna ułatwia zaplanowanie badań laboratoryjnych, a co za tym idzie, pomaga dokonać podziału odwiertu na próbki laboratoryjne. Na jej podstawie ustala się wielkość oraz ilość próbek tak, aby uzyskane wyniki pozwoliły na uogólnioną ocenę stanu materiału w wybranym przekroju (poziomie) lub w całej konstrukcji Właściwości fizyczne, mechaniczne i chemiczne betonu Jedną z właściwości fizycznych, na podstawie której w prosty sposób można wnioskować o strukturze materiału jest jego gęstość. Pozwala ona na szacowanie porowatości istotnej z punktu widzenia trwałości betonu. Prostym sposobem ilościowego określenia porowatości otwartej betonu, czyli dostępnej dla wody, jest jego nasiąkliwość wodą. Na ocenę wartości nasiąkliwości wpływają: rodzaj próbki (objętość, kształt, sposób wykonania) oraz stosowana metoda badania (kolejność procesu nasycenia i suszenia) [83]. W prezentowanych wynikach badań stosowano metodę opisaną w PN-88/B Podstawową właściwością mechaniczną betonu jest wytrzymałość na ściskanie. Pozwala ona na ustalenie klasy wytrzymałości betonu, a następnie wytrzymałości charakterystycznej, co daje podstawę do przeprowadzenia obliczeniowej analizy statyczno-wytrzymałościowej stanu konstrukcji. Prezentowane wyniki badań tej cechy uzyskano wykonując badania zgodnie z zaleceniami normy PN-EN

51 Badania betonu pobranego z trzonów kominów Ocena stopnia skażenia Skażenie betonu następuje w wyniku migracji substancji agresywnych chemicznie ze środowiska w głąb jego porowatej struktury. Reagują one przede wszystkim ze składnikami stwardniałego zaczynu cementowego. Skutkami zachodzących reakcji mogą być pojawienie się w betonie zarówno związków łatwo, jak i trudno rozpuszczalnych w wodzie. W prezentowanych wynikach badań zawartość poszczególnych jonów agresywnych oceniano metodą analizy chemicznej na mokro po przeprowadzeniu ich do roztworu. Przeznaczone do analizy próbki betonu rozdrobniono i sporządzono wyciągi wodne tak, by stosunek zmielonego materiału (beton) do wody destylowanej wynosił 1:5. Pomiary odczynu (ph) wyciągu wodnego dokonywano ph-metrem cyfrowym. Zawartości jonów siarczanowych (SO 2-4 ) i chlorkowych (Cl ) określono wg normy BS 1881: Part 124. Siarczany oznaczano w środowisku acetonowym przez miareczkowanie mianowanym roztworem BaCl 2 wobec Nitrosulfonazo III. Natomiast jony chlorkowe analizowano testem MERCK wiążąc je w HgCl 2 (metoda merkurometryczna) [36] Analiza mikrostrukturalna Analiza chemiczna mająca na celu określenie zawartości jonów Cl, SO 2-4 oraz wartości ph często okazuje się niewystarczająca do oceny faktycznego zagrożenia korozyjnego betonu zwłaszcza wobec związków trudno rozpuszczalnych w wodzie. Ponadto oznaczenie zawartości rozpuszczalnych siarczanów nie informuje bliżej o formie, w jakiej występuje jon SO 2-4 czy też Cl. W takiej sytuacji pomocna w ocenie stopnia skażenia betonu jest analiza mikrostrukturalna wykonana za pomocą mikroskopu skaningowego i sondy EDS (Energy Dispersive Spectrometry) [34, 53]. Z miejsc reprezentatywnych pobierano preparaty do obserwacji i analizy w mikroskopie skaningowym. Przed fotograficznym utrwaleniem charakterystycznych obrazów dokonywano przeglądu ich powierzchni w kierunku poziomym i pionowym, przy równoczesnej zmianie powiększenia i głębokości. W miejscach uznanych za szczególnie charakterystyczne i miarodajne wykonano zdjęcia oraz przeprowadzono analizę chemiczną wykorzystując spektrometr dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS). Analiza ta pozwala na zidentyfikowanie obecnych produktów korozji, a tym samym określenie grubości betonu wykazującego destrukcję.

52 Badania betonu pobranego z trzonów kominów Analiza stopnia zniszczenia betonu w trzonach kominów Do oceny pozwalającej ustalić, czy przedmiotowe konstrukcje wykazują prawidłowości w procesach destrukcji betonu, wybrano kominy tej samej wysokości wynoszącej 120 m. Kominy te obsługiwały przede wszystkim elektrociepłownie rozmieszczone w różnych rejonach kraju oraz trzy zakłady przemysłowe takie jak: cementownia, koksownia i papiernia. Usytuowanie analizowanych kominów pokazano na rys. 19, a ich ogólną charakterystykę techniczną w tabl. 10. W latach przeprowadzono badania materiałowe w oparciu o pobrane odwierty rdzeniowe ze wszystkich warstw komina. W większości kominów odwierty wykonywano z poziomu galerii kontrolnych, rozmieszczonych co 1/3 wysokości. W zestawieniu znalazło się również kilka odwiertów wykonanych w poziomie terenu oraz pomiędzy galeriami. Analiza polegała na sporządzeniu rozkładów częstości wystąpienia w określonych przedziałach wartości badanej cechy [86]. Uzyskane rozkłady odniesiono do przyjętych w tabl. 9 kryteriów oceny. W ten sposób przeanalizowano ponad 1500 jednostkowych wyników uzyskanych w badaniach laboratoryjnych 123 odwiertów pobranych z 15 kominów. Przyjęty sposób dokumentowania wyników badań przedstawiono w tabl. 11. Zakres analizowanych badań i oznaczeń obejmował: pomiar grubości otuliny zewnątrz trzonu (usytuowania zbrojenia), gęstość betonu, wytrzymałość na ściskanie betonu, nasiąkliwość wodą, ph wyciągu wodnego zewnętrznej warstwy betonu, ph wyciągu wodnego warstwy betonu przy zbrojeniu, ph wyciągu wodnego warstwy betonu od wnętrza trzonu, zawartość rozpuszczalnych w wodzie jonów chlorkowych i siarczanowych w betonie warstwy zewnętrznej, zawartość rozpuszczalnych w wodzie jonów chlorkowych i siarczanowych w betonie przy zbrojeniu, zawartość rozpuszczalnych w wodzie jonów chlorkowych i siarczanowych w betonie warstwy wewnętrznej. Ponadto oceniano, na podstawie pomiaru długości odwiertu, czy spełnione jest kryterium minimalnej grubości trzonu oraz zliczono częstość występowania rozwarstwień na grubości trzonu i częstość wystąpienia rys pionowych.

53 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 53 Rys.19. Usytuowanie analizowanych kominów na terytorium kraju

54 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 54 Tabl.10. Podstawowe dane techniczne charakteryzujące wybrane do analizy żelbetowe kominy przemysłowe o wysokości H=120m IDENTYFIKACJA OBIEKTU ROK BUDOWY *OKRES EKSPLOATACJI [lata] BETON STAL ŚREDNICA ZEWNĘTRZNA TRZONU W GÓRNEJ CZĘŚCI [m] U PODSTAWY [m] W GÓRNEJ CZĘŚCI [m] GRUBOŚĆ TRZONU U PODSTAWY [m] PARAMETRY ODPROWADZANYCH TEMPERATURA [ o C] SPALIN WILGOTNOŚĆ [%] 1-Ł Rw200 A-I 5,80 9,70 0,18 0, J Rw200 A-0 6,62 11,42 0,18 0, S Rw200 A-0 6,00 10,91 0,15 0, ,5 4-M Rw200 A-I 4,00 8,80 0,20 0, B Rw200 A-0 5,40 7,65 0,15 0, O Rw200 A-0 4,66 7,80 0,15 0, ,9 7-M Rw200 A-III 3,60 7,80 0,18 0, ,5 8-T B20 A-II A-0 5,32 8,40 0,16 0, ,5 9-S Rw200 A-III 5,28 8,00 0,18 0, ,5 10-T Rw200 A-0 5,50 8,70 0,18 0, K B15 A-II A-0 4,96 8,56 0,16 0, ,5 12-B Rw200 A-II 4,37 8,40 0,18 0, Z Rw200 A-I 4,50 8,10 0,15 0, D Rw200 A-0 4,95 7,86 0,15 0, P B30 A-II 5,40 8,20 0,15 0, ,5 *za okres eksploatacji przyjęto ilość lat jaka upłynęła od zakończenia budowy do analizowanych badań materiałowych

55 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 55 Tabl.11. Przykład dokumentowania badań próbek betonu pobranych z trzonów kominów IDENTYFIKACJA ODWIERTU ZDJĘCIA ODWIERTÓW WRAZ Z PODZIAŁEM NA PRÓBKI LABORATORYJNE ORAZ OPIS MAKROSKOPOWY [kg/dm 3 ] WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE f c, =h [MPa] n w [%] WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE WARSTWA ph SO 4 2- Cl - Z n w P f c W Z 11,40 3,5 0,12 P Z 11,90 3,0 0,08 4-M 2,33 32,6 6,3 W 3 11,60 3,0 0,08 20,0 cm W 2 8,90 5,5 0,36 Beton zwarty, zbrojenie poprawnie otulone. Od wnętrza trzon pokryty produktami korozji betonu W 1 7,10 7,7 0,48 Z 10,30 5,0 0,12 2-J ,1 P Z W 2 10,90 9,70 3,5 4,2 0,40 0,52 W 1 8,15 6,8 0,64 Beton rozwarstwiony, zbrojenie pod warstwą naprawczą skorodowane. Od wnętrza trzonu w betonie wyługowane spoiwo, pozostały ziarna kruszywa Z 11,10 4,0 0,18 8-T 2,33 24,0 --- P Z W 2 11,30 10,30 3,0 4,5 0,08 0,28 W 1 8,90 10,0 0,52 Beton zwarty, zbrojenie poprawnie otulone. Od wnętrza trzonu w betonie wyługowane spoiwo, pozostały ziarna grubego kruszywa

56 Badania betonu pobranego z trzonów kominów Grubość otuliny Na rys. 20 przedstawiono rozkład częstości wystąpienia grubości zewnętrznej otuliny zbrojenia trzonów 15 kominów w podziale co 10 mm w odniesieniu do zewnętrznej powierzchni trzonu. Przedstawiony rozkład wskazuje na zróżnicowanie grubości otulenia zbrojenia trzonów. Dominuje poprawna grubość otulenia, ale znacząco często rejestrowane jest przesunięcie zewnętrznego zbrojenia w kierunku środka ściany trzonu (grubości otulenia w przedziale mm). Przesunięcie położenia zbrojenia zewnętrznego o kilkadziesiąt milimetrów w głąb ściany trzonu komina nie wpływa znacząco na obniżenie jego nośności, ponieważ skutkuje jedynie znikomym zmniejszeniem pracującej wysokości przekroju. Niemniej jednak takie usytuowanie zbrojenia należy uznać za niepokojące z uwagi na zapewnienie stanów granicznych użytkowalności. Nadmiernie zwiększona otulina nie ma możliwości przeniesienia naprężeń rozciągających pochodzących np. od obciążeń temperaturą lub innych obciążeń użytkowych w okresie eksploatacji komina. Jeśli naprężenia na zewnętrznej powierzchni trzonu przekroczą wytrzymałość betonu na rozciąganie, to dojdzie do powstania rys, a ich głębokość i szerokość rozwarcia będzie tym większa, im grubsza jest warstwa betonu niezbrojonego. Natomiast zbyt małe otulenie skutkuje możliwością korozji zbrojenia. Takie otulenie zidentyfikowano w niespełna 15% odwiertów liczebność próby n=96 Częstość < > 100 Grubość otuliny [mm] Rys.20. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, grubości zewnętrznej otuliny zbrojenia trzonów 15 kominów Wytrzymałość na ściskanie Na rys. 21 przedstawiono rozkład pojedynczych wartości wytrzymałości na ściskanie betonu, uzyskanej w badaniach próbek walcowych =h=100 mm, pobranych z analizowanych trzonów kominów. Przedziały rozkładu przyjęto w odniesieniu do wartości wytrzymałości charakterystycznych kolejnych klas wytrzymałości. Prezentowane wyniki

57 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 57 wskazują, że beton w trzonach ma stosunkowo wysoką wytrzymałość na ściskanie. Na uwagę zasługuje fakt, że odwierty ze względów technicznych wykonywane są w miejscach nieuszkodzonych, co zapewne rzutuje na wartości uzyskanych wyników. Niemniej jednak, nie należy wykluczać występowania lokalnie betonu charakteryzującego się niską wytrzymałością, czego dowodem jest wystąpienie wytrzymałości poniżej 10 MPa liczebność próby n=100 Częstość < > 60 Wytrzymałość na ściskanie betonu [MPa] Rys.21. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, wartości wytrzymałości na ściskanie betonu w trzonach 15 kominów określona na próbkach =h=100 mm Gęstość Na rys. 22 przedstawiono rozkład pojedynczych wartości gęstości w stanie wilgotności rzeczywistej, uzyskanej w badaniach próbek walcowych =h=100 mm, przygotowanych do badania wytrzymałości na ściskanie. Przedziały rozkładu przyjęto co 50 kg/m 3 poczynając od dolnej wartości gęstości przyjętej dla betonu zwykłego. Prezentowane wyniki badań gęstości betonu nie są zbytnio zróżnicowane i we wszystkich przypadkach mieszczą się w przedziale ( kg/m 3 ) przyjętym dla betonu zwykłego. Wydaje się, że w przypadku omawianych konstrukcji właściwość ta nie wpływa znacząco na trwałość betonu i w dalszej analizie została pominięta.

58 Badania betonu pobranego z trzonów kominów liczebność próby n=97 Częstość >2400 Gęstość betonu [kg/m 3 ] Rys.22. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, wartości gęstości betonu w stanie wilgotności rzeczywistej określonej na próbkach =h=100 mm Nasiąkliwość Negatywne oddziaływanie wodnych roztworów zawierających agresywne względem betonu substancje zostały omówione w rozdziale 4. Z tego powodu nasiąkliwość betonu jest jedną z ważniejszych właściwości, która powinna być brana pod uwagę w ocenie jego trwałości. Niestety prezentowane na rys. 23 wyniki badań w sposób znaczący obarczone są wpływem rodzaju próbki. Badania, ze względów możliwości technicznych, wykonywano na próbkach będących fragmentami odwiertów wycinanych z konstrukcji, o zróżnicowanej objętość, każdorazowo poniżej 1dm 3. Z tego powodu wartości nasiąkliwości zwłaszcza powyżej 6% mogą być zawyżone, co w konsekwencji prowadzi do negatywnej oceny trwałości betonu liczebność próby n=97 Częstość < >9 Nasiąkliwość wodą [% masy] Rys.23. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, wartości nasiąkliwości wodą betonu określonej na próbkach o zróżnicowanej objętości, każdorazowo poniżej 1dm 3

59 Badania betonu pobranego z trzonów kominów Odczyn (ph) w przekroju ściany trzonów Na rys przedstawiono rozkład wartości ph betonu, uzyskanych w badaniach próbek wyciętych z odpowiednich warstw odwiertów. Przedstawione wyniki badań ph betonu w sposób jednoznaczny wskazują na postępujący proces destrukcji betonu zarówno od wnętrza jak i na zewnątrz trzonów, przy czym od wnętrza jest on bardziej intensywny (rys.26), gdzie 43,4% próbek wykazało zaniżony odczyn świadczący o destrukcji betonu (wartość ph<9). Natomiast problem ten lepiej kształtuje się w rejonie zbrojenia, gdzie w 42% próbek stwierdzono poziom ph zapewniający ochronę zbrojenia liczebność próby n=123 Częstość < ,8 >11,8 ph wyciągu wodnego Rys.24. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, wartości ph wyciągu wodnego betonu warstwy zewnętrznej trzonów kominów liczebność próby n=96 Częstość < ,8 >11,8 ph wyciągu wodnego Rys.25. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, wartości ph wyciągu wodnego warstwy betonu przy zbrojeniu trzonów Częstość liczebność próby n=123 < ,8 >11,8 ph wyciągu wodnego Rys.26. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, wartości ph wyciągu wodnego betonu warstwy od wnętrza trzonów kominów

60 Badania betonu pobranego z trzonów kominów Skażenie chlorkami w przekroju ściany trzonów Na rys przedstawiono rozkłady zawartości chlorków w betonie, uzyskane w badaniach próbek z odpowiednich warstw trzonu. Skażenie jonami chlorkowymi kształtuje się podobne w całym przekroju betonowym. Jego nieznaczna intensyfikacja, co jest zrozumiałe, występuje w warstwach wewnętrznych co Ilustruje rys liczebność próby n= Częstość ,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 >0,4 jony Cl - [% masy spoiwa] Rys.27. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, zawartości jonów chlorkowych w betonie warstwy zewnętrznej trzonów kominów liczebność próby n=96 Częstość ,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 >0,4 jony Cl- [% masy spoiwa] Rys.28. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, zawartości jonów chlorkowych w betonie przy zbrojeniu trzonów liczebność próby n=123 Częstość ,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 >0,4 jony Cl - [% masy spoiwa] Rys.29. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, jonów chlorkowych w betonie warstwy od wnętrza trzonów kominów

61 Badania betonu pobranego z trzonów kominów Skażenie siarczanami w przekroju ściany trzonów Na rys przedstawiono rozkłady zawartości siarczanów w betonie, uzyskane w badaniach próbek z odpowiednich warstw trzonu. Największe zawartości jonów siarczanowych stwierdzono w warstwach we wnętrzu trzonu, co potwierdza rys. 32. Ponadto nadmierne zawartości stwierdzono w warstwach powierzchniowych. W rejonie zbrojenia przekroczenie wartości przyjętych za graniczne prawie nie występuje. Częstość liczebność próby n=123 < >6 jony SO 2-4 [% masy spoiwa] Rys.30. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, zawartości jonów siarczanowych w betonie warstwy zewnętrznej trzonów kominów Częstość liczebność próby n=96 < >6 jony SO 2-4 [% masy spoiwa] Rys.31. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, zawartości jonów siarczanowych w betonie przy zbrojeniu trzonów Częstość liczebność próby n=123 < >6 jony SO 2-4 [% masy spiwa] Rys.32. Rozkład częstości wystąpienia, określonej przedziałami, jonów siarczanowych w betonie warstwy od wnętrza trzonów kominów

62 Badania betonu pobranego z trzonów kominów Ocena analizowanych wyników badań Zestawienie pozwalające na ocenę wyników uzyskanych w badaniach 123 odwiertów pobranych z 15 trzonów kominów o H=120 m, przedstawiono w tabl. 12. Na podstawie rozkładów pokazanych na rys , oceniano istotne dla trwałości konstrukcji parametry w odniesieniu do kryteriów zawartych w tabl. 9. W kolumnie, w której podano liczebność próby, zmienne wartości wynikają z możliwości wykonania poszczególnych badań np. w przypadku zbyt krótkiego lub rozwarstwionego odwiertu nie ma możliwości określenia wytrzymałości na ściskanie. W kolejnej kolumnie omawianego zestawienia przedstawiono wartości ekstremalne (najbardziej niekorzystne) poszczególnych właściwości. W ostatniej kolumnie przedstawiono prawdopodobieństwo empiryczne wystąpienia wartości przyjętej za negatywną (np. prawdopodobieństwo wystąpienia odwiertu krótszego niż 180 mm). Wartości prawdopodobieństwa podano w formie ułamka, gdzie w liczniku zawarta jest ilość przekroczeń wartości kwalifikowanych jako negatywne, natomiast w mianowniku liczebność próby. Obok podano udział procentowy ilości tych przekroczeń. W podsumowaniu należy stwierdzić, że prawdopodobieństwo empiryczne przekroczenia przyjętych wartości granicznych właściwości związanych z trwałością betonu w trzonach analizowanych kominów jest zróżnicowane. Za niepokojące uznać należy: - częste występowanie przypadków cieńszego niż 180 mm trzonu komina, które stwierdzono na poziomie 23%, - ponad 31% przypadków obniżenia odczynu betonu przy zbrojeniu, co może skutkować procesem korozji stali zwłaszcza w obecności chlorków, - występowanie w otulinie zbrojenia jonów chlorkowych w ilościach sprzyjających korozji zbrojenia w 11,5% przypadków, - skażenie siarczanami zewnętrznej powierzchni trzonów, które występuje w 78% przypadków, co świadczy o powszechności tego zjawiska pomimo stosowania powłok ochronnych (pasy przeszkodowe).

63 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 63 Tabl.12. Zestawienie wyników badań 123 odwiertów z trzonów 15 kominów OCENIANY PARAMETR KRYTERIALNY LICZEBNOŚĆ PRÓBY PRZEDZIAŁ NAJCZĘŚCIEJ WYSTĘPUJĄCYCH WARTOŚCI WARTOŚĆ EKSTREMALNA PRAWDOPODOBIEŃSTWO EMPIRYCZNE PRZEKROCZENIA WARTOŚCI KRYTERIALNEJ Długość odwiertu poniżej180 mm mm (22,8%) Rozwarstwienia poziome (13,8%) Rozwarstwienia pionowe Wytrzymałość na ściskanie poniżej 25 MPa Nasiąkliwość masowa powyżej 5% (21,1%) ,6 (14,0%) ,5 (76,3%) ph warstw zewnętrznych poniżej 11,8 poniżej 9, ,6 (84,6%) (26,8%) Siarczany w warstwach zewnętrznych powyżej 3% ph warstw przy zbrojeniu poniżej 11,8 Chlorki w warstwach przy zbrojeniu powyżej 0, (78,1%) 96 >11,8 8,1 (31,1%) ,1 1,0 (13,5%) ph warstw wewnętrznych poniżej 11,8 poniżej 9,0 Siarczany w warstwach wewnętrznych powyżej 3% powyżej 6% 122 <9 6, ,5 (93,4%) (42,6%) (94,3%) ( 9,8%)

64 Badania betonu pobranego z trzonów kominów Ocena stanu betonu w trzonie komina pracującego zgodnie z założeniami projektowymi Proces niszczenia betonu w trzonie komina, który w ciągu całego okresu użytkowania był eksploatowany zgodnie z założeniami projektowymi, przedstawiono na przykładzie komina o wysokości H=180 m. W projekcie z 1973 roku przewidziano wykonanie zbieżnego trzonu o grubości od 15 cm w górnej części do 70 cm u podstawy. Jako materiały konstrukcyjne przyjęto beton Rw-200 (wg PN-63/B-06250) oraz stal zbrojeniową St0, Qr=2500 kg/cm 2 (wg PN-56/B-03260). We wnętrzu trzonu zaprojektowano wykładzinę z cegły szamotowej do poziomu +30,0 m, natomiast powyżej z cegły ceramicznej zwykłej klasy 150. Izolację termiczną grubości 4 cm zaprojektowano z wełny żużlowej. Komin odprowadza spaliny z kotłów, w których jako paliwo stosuje się gaz koksowniczy lub gaz koksowniczy wraz z węglem kamiennym. Temperatura odprowadzanych spalin waha się w przedziale o C przy wilgotności około 14%. Można przyjąć, że warunki pracy są typowe dla tzw. komina gorącego. W ramach okresowej oceny stanu technicznego przedmiotowego komina, wykonano trzykrotnie badania materiałowe w cyklu 5 letnim począwszy od 2000 roku [16-Z/a, 16-Z/b, 16-Z/c]. Pierwszy raz badania materiałowe przeprowadzono po 25 latach eksploatacji. Każdorazowo zakres badań materiałowych obejmował wykonanie odwiertów w poziomach galerii od strony zewnętrznej. W ten sposób uzyskano próbki betonu, w formie walców o średnicy 100 mm i długości odpowiadającej grubości trzonu w ilości 36 sztuk (3 terminy badania x 4 poziomy x 3 odwierty w rozstawie co 120 o ). Przykładowy odwiert pokazano na rys. 33. Wszystkie poddano badaniom w sposób opisany w pkt Rys.33. Typowy odwiert pobrany do badań laboratoryjnych. Zniszczona wewnętrzna powierzchnia betonu, wyługowane spoiwo, odkryte ziarna kruszywa, między ziarnami grubego kruszywa produkty korozji spoiwa Grubość trzonu i otuliny Na podstawie obserwacji stwierdzono, że beton w przedmiotowym kominie, wykonany jest ze spoiwa cementowego i naturalnego kruszywa żwirowego o poprawnie dobranym składzie granulometrycznym. Beton jest dobrze zagęszczony i poprawnie otula zbrojenie. Grubość

65 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 65 trzonu sukcesywnie ulega zmniejszeniu ale nadal jest nieco większa niż założono w projekcie. Natomiast grubość otuliny zbrojenia mieści się w przedziale mm. galeria IV galeria III galeria II galeria I 1975/projekt Grubość trzonu [cm] Rys.34. Grubość trzonu w poszczególnych poziomach (średnia z 3 odwietów) ustalona w kolejnych terminach badań galeria IV galeria III galeria II galeria I 1975/projekt Grubość otuliny [mm] Rys.35. Grubość otuliny zbrojenia w poszczególnych poziomach (średnia z 3 odwietów) ustalona w kolejnych terminach badań Wytrzymałości na ściskanie Wytrzymałości na ściskanie betonu w trzonie komina analizowano na podstawie wyników badań 53 próbek =h=100 mm. Na rys. 36 przedstawiono wyniki badań wytrzymałości uzyskane w kolejnych latach w odniesieniu do wysokości komina. Uzyskane wyniki badań posłużyły również do określenia, w oparciu o normę PN-EN 13791, charakterystyki wytrzymałości na ściskanie betonu dla całego trzonu. Wyniki badań, przedstawione w tabl. 13 wskazują, że w obliczeniach sprawdzających nośność trzonu można przyjąć wyższą wartość wytrzymałości charakterystycznej betonu niż przyjęta w projekcie.

66 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 66 galeria IV galeria III galeria II galeria I 1975/projekt Wytrzymałość na ściskanie [MPa] Rys.36. Wytrzymałość na ściskanie betonu w poszczególnych poziomach (średnia z 3 odwiertów) określona w kolejnych terminach badań Tabl.13. Charakterystyka wytrzymałości na ściskanie betonu na podstawie badań próbek pobranych z trzonu komina WYBRANE STATYSTYKI OPISOWE ROK PRZEPROWADZENIA BADAŃ Liczebność próbek =h=100 mm n=18 n=19 n=16 Wartość minimalna MPa f is, lowest = 35,3 f is, lowest = 36,5 f is, lowest = 35,3 Wartość średnia MPa f m(18),is = 55,8 f m(19),is = 50,2 f m(16),is = 48,2 Odchylenie standardowe MPa ϭ=13,7 ϭ=8,2 ϭ=7,8 Współczynnik zmienności % 24,6 16,3 16,2 Wytrzymałość charakterystyczna MPa f ck,is = 35,6 f ck,is = 38,1 f ck,is = 36, Skażenie betonu Badaniom chemicznym poddano warstwy betonu wyodrębnione z 36 odwiertów. Zilustrowane na rys badania chemiczne wykazały, że beton na zewnątrz trzonu posiada zaniżony odczyn, co świadczy o postępującym procesie karbonatyzacji. Ponadto jest on nieznacznie skażony chlorkami i siarczanami (rys. 38 i 39). Beton w rejonie zbrojenia trzonu posiada nieznacznie zaniżony odczyn w stosunku do przyjętej wartości granicznej. Wynika z tego, że traci właściwości ochronne w stosunku do stali zbrojeniowej. Ponadto jest skażony chlorkami i siarczanami, zwłaszcza w górnej części komina. Pomimo że poziom skażenia nie przekracza wartości granicznych obserwuje się zmiany destrukcyjne betonu, zwłaszcza we wnętrzu trzonu (rys. 33).

67 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 67 galeria IV galeria III galeria II galeria I graniczna ph Rys.37. Wartości ph betonu bezpośrednio przylegającego do zbrojenia w poszczególnych poziomach określone w kolejnych terminach badań galeria IV galeria III galeria II galeria I graniczne ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 jony Cl - [% masy spoiwa] Rys.38. Zawartości jonów chlorkowych w betonie bezpośrednio przylegającym do zbrojenia w poszczególnych poziomach określone w kolejnych terminach badań galeria IV galeria III galeria II galeria I graiczne ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 jony SO 4 2- [% masy spoiwa] Rys.39. Zawartości jonów siarczanowych w betonie bezpośrednio przylegającym do zbrojenia w poszczególnych poziomach określone w kolejnych terminach badań

68 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 68 warstwy zewnętrzne warstwy wewnętrzne galeria IV galeria IV galeria III galeria II galeria III galeria II galeria I galeria I ph ph Rys.40. Wartości ph betonu w poszczególnych poziomach określone w kolejnych terminach badań warstwy zewnętrzne warstwy wewnętrzne galeria IV galeria IV galeria III galeria II galeria III galeria II galeria I galeria I 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 jony Cl - [% masy spoiwa] 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 jonyj Cl - [% masy spoiwa] Rys.41. Zawartości jonów chlorkowych w betonie w poszczególnych poziomach określone w kolejnych terminach badań warstwy zewnętrzne warstwy wewnntrzne galeria IV galeria IV galeria III galeria II galeria I galeria III galeria II galeria I jony SO 4 2- [% masy spoiwa] jony SO 4 2- [% masy spoiwa] Rys.42. Zarartości jonów siarczanowych w betonie w poszczególnych poziomach określone w kolejnych terminach badań

69 Badania betonu pobranego z trzonów kominów Badania mikrostrukturalne W celu określenia rodzaju produktów korozji przeprowadzono badania mikrostrukturalne w mikroskopie skaningowym wraz z analizą EDS oraz rentgenograficzne. Badania wykonano w trzech, charakterystycznych ze względu na rozwój procesów korozyjnych, przekrojach ściany trzonu. Badaniom poddano próbki przygotowane z: warstwy skorodowanego betonu z wnętrza trzonu (rys ), warstwy betonu od wnętrza trzonu, w której makroskopowo nie stwierdzono zmian korozyjnych ( rys ), warstwy betonu będące w bezpośrednim kontakcie z nieskorodowaną stalą zbrojeniową (rys ). Przedstawione na rys wyniki badań wskazują, że w betonie od wnętrza trzonu, zachodzi reakcja między tlenkami siarki i dwutlenkiem węgla pochodzącymi ze spalin, a składnikami zaczynu cementowego, w wyniku czego beton ulega korozji siarczanowej i węglanowej. Prowadzi to do powstania gipsu, ettringitu, węglanu wapnia oraz węglanu glino-magnezowego. Obecność gipsu świadczy o zaawansowanym stadium korozji siarczanowej betonu od wnętrza trzonu. Na silne zaawansowanie procesów korozyjnych wskazuje również niski odczyn (rys. 40), który prowadzi do, a jednocześnie jest skutkiem rozkładu wodorotlenku wapnia i fazy CSH. W betonie we wnętrzu przekroju trzonu obserwuje się mniejszą ilość związków o charakterze korozyjnym, natomiast dominują związki charakterystyczne dla zdrowego betonu takie jak: faza CSH, gliniany wapnia oraz wodorotlenek wapnia (rys. 46 i 47). W badaniach mikrostrukturalnych nie stwierdzono obecności gipsu a jedynie ettringit, co świadczy o znacznie wolniejszym przebiegu korozji siarczanowej w tej strefie. Wyższe ph betonu oraz mniejsza zawartość jonów siarczanowych świadczy o strefowym postępie korozji, co jest bardzo charakterystyczne dla tego typu konstrukcji. Beton w rejonie zbrojenia zapewnia pasywację stali zbrojeniowej, na co wskazuje obecność jonów żelaza wbudowanych w poprawnie ukształtowaną fazę CSH (rys. 49). Właściwości ochronne względem stali zbrojeniowej potwierdza obecność hematytu, wykazana w badaniach rentgenostrukturalnych i analizie EDS betonu otulającego pręt w analizowanych warstwach (rys. 51).

70 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 70 Rys.43. Obraz mikroskopowy skorodowanego betonu od wnętrza trzonu Rys.44. Analizy punktowe EDS pozwalające zidentyfikować produkty korozji. W pkt. 1 i 3 zidentyfikowano gips, w pkt. 2 ettringit, w pkt.4 zdegradowaną fazę CSH. Rys.45. Dyfraktogramy skorodowanego betonu wraz z opisem głównych faz

71 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 71 Rys.46. Obraz mikroskopowy betonu wnętrza ściany trzonu, który nie uległ zmianom korozyjnym Rys.47. Analizy punktowe EDS pozwalające zidentyfikować minerały (poprawna faza CSH, glinian krzemianowy wapnia oraz wodorotlenek wapnia) występujące w zdrowym betonie. Rys.48. Dyfraktogramy zdrowego betonu z wnętrza ściany trzonu wraz z opisem głównych faz

72 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 72 Rys.49. Obraz mikroskopowy prawidłowej fazy CSH wraz z analizą EDS betonu będącego w bezpośrednim kontakcie z nieskorodowaną stalą zbrojeniową trzonu. Rys.50. Obraz mikroskopowy betonu będącego w bezpośrednim kontakcie z nieskorodowaną stalą zbrojeniową trzonu. Obok analiza EDS potwierdzająca występowanie związków żelaza tworzących warstwę pasywną Rys.51. Dyfraktogramy betonu z rejonu zbrojenia wraz z opisem głównych faz

73 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 73 Reasumując można stwierdzić, że beton w trzonach kominów eksploatowanych zgodnie z założeniami projektowymi, w sposób powolny ulega procesom destrukcyjnym zwłaszcza od wnętrza trzonu. Prezentowane wyniki badań wskazują, że proces destrukcji w ciągu dziesięciu lat jest ustabilizowany, a jego tempo pozostaje na podobnym poziomie. Wynika z tego, że odporność betonu na oddziaływanie środowiska przy założeniu stałych warunków eksploatacji kominów jest do przewidzenia w etapie projektowania obiektu Ocena stanu betonu w trzonie komina, w którym zmieniono warunki eksploatacji Zmiany korozyjne betonu w trzonie komina, w którym zmieniono warunki eksploatacyjne na skutek wprowadzenia odsiarczonych spalin przedstawiono na przykładzie komina elektrowni. Zbieżny ku górze żelbetowy trzon o wysokości 250 m wykonano z betonu Rw 250 (wg PN-63/B-06250) zbrojonego stalą St0. We wnętrzu trzonu wykonano wykładzinę ceramiczną grubości 12 cm z cegły klinkierowej klasy 250 układanej na kwasoodpornej zaprawie krzemianowej. Pomiędzy żelbetowym trzonem a wykładziną ceramiczną wykonano dwuwarstwową izolację termiczną składającą się z czarnego szkła piankowego (warstwa gr. 7 cm) oraz wełny mineralnej (warstwa gr. 3 cm). W początkowym okresie eksploatacji komin odprowadzał spaliny z czterech kotłów energetycznych, w których jako paliwo stosowano węgiel kamienny. Temperatura odprowadzanych spalin wahała się w przedziale o C przy wilgotności około 4%. Po 15 latach użytkowania zgodnie z założeniami projektowymi, wprowadzono do komina spaliny po odsiarczeniu metodą mokrą. Opis metody oraz zmiany właściwości spalin po przejściu przez IOS podano w pkt.3.4. Wprowadzenie do komina odsiarczonych spalin poprzedzono zabezpieczeniem powierzchni wewnętrznej wykładziny ceramicznej powłoką uszczelniającą na bazie żywic epoksydowych modyfikowanych płytkami miki (Epiglas 17M). W ramach oceny stanu technicznego, po 27 latach eksploatacji komina, z czego 12 lat jako emitora odsiarczonych spalin, wykonano badania materiałów pobranych z konstrukcji [17-P]. Badaniom poddano 30 odwiertów średnicy 100 mm, które pobrano zarówno w poziomach galerii jak i pomiędzy nimi. Poniżej przedstawiono wyniki tych badań Opis makroskopowy i pomiary odwiertów Trzon w omawianym kominie wykonano z betonu zwykłego, w którym zastosowano naturalne kruszywo żwirowe o uziarnieniu do 16 mm. Do poziomu III galerii jest on zwarty, dobrze zagęszczony, poprawnie otulający pręty stali zbrojeniowej. W odwiertach pochodzących z górnej części komina (rys. 52), w betonie stwierdzono rysy i rozwarstwienia zarówno w warstwach zewnętrznych jak i wewnętrznych. Zaobserwowano również

74 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 74 przebarwienia wskazujące na różny stopień skażenia betonu na grubości ściany trzonu. Beton z warstw przebarwionych został poddany badaniom strukturalnym. beton nieskażony Rys.52. Odwierty pobrane z trzonu komina, w którym zmieniono warunki eksploatacji. W górnym odwiercie występują rysy i rozwarstwienia betonu. Na dolnym odwiercie pokazano oszacowaną grubości trzonu nieskażonego. Na rys. 52 przedstawiono wyniki pomiarów grubości trzonu. Na podstawie pomiaru długości odwiertów i porównaniu z projektowaną grubością trzonu w miejscu ich wykonania nie stwierdzono ubytku przekroju ściany trzonu. Ponadto na podstawie pomiaru zasięgu obustronnego skażenia trzonu oszacowano grubość warstwy betonu nieskażonego. Sposób szacowania grubości trzonu nie skażonego pokazano na rys. 52. Rzeczywiste grubości trzonu na tle projektowanych oraz grubość warstwy betonu uznanego za nieskażony pokazano na rys.53. galeria V- VI galeria IV-V galeria III-IV galeria III galeria II projekt 2007 nieskażony galeria I Grubość trzonu [cm] Rys.53. Średnie grubości trzonu komina w poszczególnych poziomach

75 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 75 Na rys. 54 przedstawiono grubość otuliny zbrojenia zewnętrznego. Grubość otuliny w górnej części komina jest mniejsza od wymaganej dla tego typu konstrukcji, co sprzyja korozji zbrojenia. galeria V- VI galeria IV-V galeria III-IV galeria III galeria II galeria I Grubość otuliny [mm] Rys.54. Średnia grubość otuliny zbrojenia w poszczególnych poziomach ustalona na podstawie pomiarów odwiertów Wytrzymałość na ściskanie Na podstawie wyników badań wytrzymałości na ściskanie 34 próbek =h=100 mm wyznaczono wartości charakteryzujące wytrzymałość na ściskanie betonu w całym trzonie. Uzyskane wartości przedstawiono w tab.14. Na uwagę zasługuje duża niejednorodność badanej cechy, co obrazuje wartość współczynnika zmienności wynosząca ponad 20%. Dotyczy to przede wszystkim próbek pobranych powyżej III galerii ( np. w poziomie +175 m f ci = 16,2 MPa, w poziomie +195 m f ci = 51,3 MPa [17-P]). Zróżnicowanie to występuje również na całej wysokości komina, co ilustruje rys.55.

76 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 76 projekt galeria V- VI galeria IV-V galeria III-V galeria III galeria II galeria I Wytrzymałość na ściskanie [MPa] Rys.55. Średnie wartości wytrzymałości na ściskanie w poszczególnych poziomach komina Tabl.14. Charakterystyka wytrzymałości na ściskanie betonu na podstawie badań próbek pobranych z trzonu komina WYBRANE STATYSTYKI OPISOWE WARTOŚCI Liczebność próbek =h=100 mm n=34 Wartość minimalna MPa f is, lowest = 16,2 Wartość średnia MPa f m(34),is = 36,2 Odchylenie standardowe MPa ϭ=7,07 Współczynnik zmienności % 20,1 Wytrzymałość charakterystyczna MPa f ck,is = 20, Skażenie betonu Badania chemiczne wykazały, że beton zarówno na zewnątrz trzonu, jak i w jego wnętrzu, posiada znacząco obniżony odczyn w stosunku do przyjętej wartości granicznej ph=11,8, co świadczy o postępujących procesach korozji. Natomiast w rejonie zbrojenia beton posiada nieznacznie zaniżony odczyn, za wyjątkiem górnej części komina, gdzie jest on poniżej 11. Opisane tendencje zilustrowano na rys. 56.

77 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 77 galeria V-VI galeria IV-V galeria III-IV galeria III galeria II zewnątrz trzonu przy zbrojeniu wnętrze trzonu galeria I ph betonu Rys.56. Wartości ph betonu w przekroju ściany trzonu komina Skażenie siarczanami betonu we wnętrzu komina jest w miarę równomierne na całej wysokości komina, co pokazano na rys. 57. Skażenie to maleje w środku przekroju ściany trzonu i ponownie wzrasta na powierzchni zewnętrznej. galeria V-VI galeria IV-V galeria III-IV galeria III galeria II zewnątrz trzonu przy zbrojeniu wnętrze trzonu galeria I jony SO 4 2- [% masy spoiwa] Rys.57. Zawartość siarczanów w betonie ściany trzonu komina Skażenie chlorkami koncentruje się w górnej części komina, zwłaszcza w środku przekroju ściany trzonu tam, gdzie sytuowane jest zbrojenie, co może stymulować jego korozję. Rozkład skażenia chlorków na wysokości komina pokazano na rys. 58.

78 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 78 galeria V-VI galeria IV-V galeria III-IV galeria III galeria II zewnątrz trzonu przy zbrojeniu wnętrze trzonu galeria I 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 jony Cl - [% masy spoiwa] Rys.58. Zawartość chlorków w betonie ściany trzonu komina Badania mikrostrukturalne W górnej części komina beton uległ procesom destrukcyjnym w zasadzie w całym przekroju ściany trzonu. Aby poznać mechanizm tej destrukcji przeprowadzono badania struktury skorodowanych warstw w przekroju trzonu. Przykładowe obrazy struktury skorodowanego betonu wraz z analizami EDS przedstawiono na rys Rys.59. Analiza EDS ettringitu będącego produktem korozji siarczanowej

79 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 79 Rys.60. Analiza EDS gipsu będącego końcowym produktem procesu korozji siarczanowej Rys.61. Obraz mikroskopowy oraz analiza EDS pozwalająca zidentyfikować sól Friedela, będącą skutkiem korozji chlorkowej betonu Rys. 62. Obraz mikroskopowy oraz analiza EDS węglanów wapnia będących produktem destrukcji spoiwa cementowego

80 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 80 Rys.63. Obraz mikroskopowy zniszczonego spoiwa. Nastąpił rozkład krzemianów wapniowych z powstaniem krzemionki, co wykazano w analizie EDS. Reasumując, beton w trzonach kominów, w których po kilkuletnim okresie eksploatacji zgodnie z założeniami projektowymi, wprowadzono odsiarczone spaliny, ulega przyspieszonym procesom destrukcji. Zmiany destrukcyjne koncentrują się w górnej jego części, zwłaszcza od wnętrza trzonu. Wynika z tego, że wprowadzenie zmian w technologii oczyszczania spalin wymaga odpowiedniego przygotowania wnętrza komina Ocena stanu betonu w trzonach kominów po przeprowadzonym remoncie Po blisko 40 latach eksploatacji komina o wysokości 120 m w elektrociepłowni, użytkownik zdecydował się przeprowadzić gruntowy remont żelbetowego trzonu. W opracowanym projekcie remontu założono wzmocnienie trzonu warstwą betonu natryskowego. Prace remontowe polegały na rozkuciu zewnętrznej powierzchni trzonu, zakotwieniu dodatkowej siatki zbrojenia i nałożeniu kilkucentymetrowej warstwy betonu natryskowego. W rejonie głowicy komina beton natryskowy zastąpiono cementowopolimerowymi materiałami naprawczymi. Po dwóch latach od ukończenia prac remontowych na zewnętrznej powierzchni trzonu stwierdzono siatkę spękań (rys. 64) warstw naprawczych wykonanych zarówno z betonu natryskowego jak i materiału cementowo-polimerowego. Poniżej powstałych rys pojawiły się nacieki. Znaczna powierzchnia naprawianego trzonu w ostukiwaniu młotkiem dawała głuchy odgłos.

81 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 81 Rys.64. Siatka spękań warstwy naprawczej, która powstała w kilkanaście miesięcy po zakończeniu remontu komina Przeprowadzono badania, których celem było ustalenie przyczyn niepowodzenia remontu. W ramach tych badań wykonano 12 odwiertów, pobierając próbki materiałów ze wszystkich warstw komina. Przykładowe odwierty z trzonu obejmujące zniszczony beton, na który nałożono warstwę naprawczą z betonu natryskowego lub firmową mieszankę cementowopolimerową przedstawiono w tabl. 15. W badaniach odwiertów skoncentrowano się na właściwościach naprawianego (starego) betonu oraz przyczepności warstwy naprawczych do podłoża. W przypadku betonu podłoża zakres badań obejmował określenie jego odczynu i zawartości siarczanów oraz chlorków w warstwie stykającej się z betonem naprawczym. Określono również wytrzymałość na ściskanie na próbkach wyciętych z środkowych fragmentów rdzeni. Jako kryterium skuteczności naprawy przyjęto przyczepność nałożonych warstw naprawczych do betonu trzonu komina, określaną metodą pull-off. Badanie przyczepności przeprowadzono po trzech latach od zakończenia remontu w 12 miejscach trzonu komina każdorazowo w okolicach pobrania odwiertów rdzeniowych. Wyniki przeprowadzonych badań zamieszczono w tabl. 15. Przeprowadzone badania chemiczne wykazały [3-S], że naprawiany beton trzonu komina ma silnie zaniżony odczyn i jest skażony jonami siarczanowymi praktycznie w całym przekroju ściany trzonu. Natomiast skażenie jonami chlorkowymi koncentruje się w warstwach wewnętrznych. Stwierdzono, że beton we wszystkich badanych poziomach nie ma właściwości ochronnych w stosunku do stali zbrojeniowej, co potwierdza znaczny stopień korozji zbrojenia obserwowany na prętach pobranych wraz z betonem.

82 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 82 Zastosowany jako warstwa naprawcza drobnoziarnisty beton natryskowy na powierzchni zewnętrznej w wielu miejscach jest zarysowany. Jest on niedogęszczony na styku ze starym betonem podłoża oraz w rejonie stali zbrojeniowej, co jest wadą wykonawczą. Przeprowadzone badania wykazały, że jego przyczepność do podłoża jest niewielka o czym świadczy całkowity brak przyczepności lub adhezyjny charakter zniszczenia przy naprężeniach znacznie poniżej 1,5 MPa. Pozostałe próbki uległy zniszczeniu kohezyjnemu w bardzo słabym betonie podłoża przy równie niskich naprężeniach. Przeprowadzone badania wykazały całkowity brak skuteczności stosowania zarówno betonu natryskowego, jak i cementowo-polimerowych materiałów naprawczych na skażone podłoże betonowe. W przypadku skażenia siarczanami następuje zarysowanie i odspajanie materiałów naprawczych od naprawianego podłoża betonowego. W takich przypadkach wykonywanie napraw nawet materiałami dobrej jakości, jest błędne pod względem technicznym i ekonomicznym, czego przykładem jest omawiany komin, który w kilka lat po remoncie został wyburzony. Warte odnotowania są przypadki [18-B] napraw obustronnych (od wnętrza i na zewnątrz) górnych fragmentów trzonów kominów. Naprawy te bywają również mało skuteczne. Przeprowadzone badania kilku tak naprawianych kominów wykazały odspajanie się warstwy naprawczej od podłoża. Jako przyczynę ustalono znaczne skażenie betonu podłoża jonami siarczanowymi oraz postępującą korozję zbrojenia usytuowanego tuż pod warstwami naprawczymi (tabl. 16). W omawianych przypadkach warstwy naprawcze nałożono na źle przygotowane podłoże.

83 Badania betonu pobranego z trzonów kominów 83 Tabl.15. Wyniki badań wpływu skażenia zewnętrznej powierzchni trzonu na skuteczność naprawy [3-S] WŁAŚCIWOŚCI PODŁOŻA UKŁAD MATERIAŁOWY ZDJĘCIA ODWIERTÓW 10,9 cm f c, =h [MPa] ph *SO 4 2- [%] *Cl - [%] CHARAKTERYSTYKA PRZYCZEPNOŚCI Drobnoziarnisty beton natryskowy nałożony na beton trzonu N Z W 23,8 33,1 9,1 9,6 3,0 4,5 0,1 0,4 liczebność próby n=18 7 prób -brak przyczepności 11 prób -przyczepność 0,3 1,3 MPa rodzaj zniszczenia -adhezyjne w 52% 6,0 cm ZP Rc W Cementowo-polimerowy materiał naprawczy nałożony na beton trzonu 17,0 cm 29,0 8,3 9,9 3,2 3,6 0,1 0,3 liczebność próby n=9 1 próba -brak przyczepności 8 prób -przyczepność 0,1 0,6 MPa rodzaj zniszczenia -adhezyjne w 70% *% masy spoiwa Tabl.16. Skażenia zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni trzonu górnej części komina a skuteczność naprawy-wyniki badań [18-B] WŁAŚCIWOŚCI PODŁOŻA UKŁAD MATERIAŁOWY ZDJĘCIA ODWIERTU WRAZ Z PODZIAŁEM NA BADANE WARSTWY [kg/dm 3 ] FIZYCZNE f c, =h [MPa] n w [% masy] warstwa ph CHEMICZNE *SO 4 2- [%] *Cl - [%] Cementowo-polimerowy materiał naprawczy nałożony obustronnie na beton trzonu 2,36 41,5 5,4 P Z Z 2 W 2 P W 10,60 11,00 8,90 7,40 3,5 2,5 3,5 4,5 0,30 0,30 0,46 0,82 *% masy spoiwa

84 Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych 6.1. Wprowadzenie W konstrukcjach żelbetowych, do których należą trzony analizowanych kominów występuje silny związek pomiędzy korozją betonu, a korozją stali zbrojeniowej. Współpraca betonu i stali opiera się w głównej mierze na wzajemnej przyczepności mechanicznej obu materiałów opartej na siłach spójności i tarcia. Poprzez przyczepność betonu do stali przenoszone są siły wewnętrzne w konstrukcji z betonu na stal i odwrotnie, a korozja stali jest jednym z głównych czynników niszczących tę przyczepność [17, 59, 92]. Skutkuje ona również szeroko rozumianą degradacją konstrukcji, czego przykład pokazano na rys. 65. Rys.65. Degradacja fragmentu trzonu komina spowodowana silnie rozwiniętą korozją zbrojenia Stosowana w konstrukcjach żelbetowych stal zbrojeniowa jest stopem żelaza z węglem, manganem, krzemem, siarką i fosforem oraz niektórymi pierwiastkami metalicznymi. Przyjmuje się, że perlit i ferryt są głównymi składnikami mikrostruktury konwencjonalnej stali zbrojeniowej. Jej skład chemiczny oraz technologia produkcji (np. udział złomu) ma duży wpływ na podatność korozyjną. Popularne typy stali zbrojeniowej na ogół nie zawierają wystarczającej ilości składników stopowych, by zapewnić jej ochronę przed czynnikami korozyjnymi środowiska, w którym eksploatowana jest konstrukcja [46, 92] Podstawowy model korozji stali zbrojeniowej Powierzchnia stali nie jest całkowicie jednorodna (granice międzyziarnowe), i składa się

85 Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych 85 z miejsc o różnej aktywności, czyli różnej skłonności do przechodzenia w stan jonowy, a więc do ulegania korozji. W zetknięciu z elektrolitem miejsca o większej aktywności stają się anodami, podczas gdy miejsca mniej aktywne przybierają rolę katod w lokalnych ogniwach galwanicznych, zwanych w tym przypadku ogniwami korozyjnymi. Pokazana schematycznie na rys 66 korozja stali w betonie jest procesem elektrochemicznym. Rys.66. Schemat powstawania ogniwa korozyjnego na zbrojeniu w betonie Proces korozji elektrochemicznej jest wynikiem jednoczesnego przebiegu dwóch reakcji. W reakcji anodowej żelazo ulega rozpuszczeniu (korozji) i przechodzi w stan jonowy: Fe Fe 2 Tworzące się w tej reakcji elektrony są zużywane w reakcji katodowej. W środowiskach obojętnych z dostępem tlenu reakcją katodową jest redukcja tlenu: 2e 2H2 O O2 4e 4 OH Powyższym reakcjom towarzyszy przepływ ładunków elektrycznych. W stali następuje on w wyniku ruchu elektronów od obszarów anodowych do katodowych (przewodność elektronowa), w roztworze zaś w wyniku ruchu kationów do obszarów katodowych i ruchu anionów do obszarów anodowych (przewodność jonowa). Podstawowym warunkiem przebiegu procesu korozji zbrojenia jest obecność tlenu i wilgoci. Beton w trzonie komina żelbetowego podczas wieloletniej eksploatacji może znacząco zmieniać stan zawilgocenia w skali dnia, roku, lat. Ze wzrostem wilgotności betonu jego aktywność korozyjna zwiększa się dopóki nie zostanie osiągnięta pewna wilgotność krytyczna, po osiągnięciu której aktywność korozyjna maleje. Przy niedoborze wilgoci zwiększa się opór elektryczny betonu i zahamowane zostają procesy korozyjne stali. Przy

86 Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych 86 nadmiernym zawilgoceniu betonu zmniejsza się dostęp tlenu niezbędny do depolaryzacji katodowej [45, 87]. Na stopień zawilgocenia betonu i dostępność w nim tlenu z powietrza wpływa również temperatura otoczenia. Ponadto od temperatury betonu zależy kinetyka procesów dyfuzyjnych i elektrodowych. Stymulujący wpływ na korozję stali zbrojeniowej wywierają nagłe wahania temperatury, szczególnie jeśli są one związane ze zmianą stanu skupienia wilgoci (wody) w betonie [84]. Środowisko betonu jest specyficznym elektrolitem, gdyż w jego porach zawsze występuje pewna ilość cieczy o odczynie alkalicznym. Woda znajdująca się w porach betonu jest nasycona rozpuszczalnymi składnikami zaczynu cementowego. W skład powstającego roztworu wchodzą głównie wodorotlenki wapnia, sodu i potasu, co powoduje, że ph cieczy porowej w dobrym betonie (nie podlegającego procesom korozyjnym) ma wartość powyżej 12,6. Dobry beton najlepiej i w sposób najbardziej trwały chroni zbrojenie przed korozją Stan pasywny stali w betonie Stanem pasywnym nazywamy taki stan powierzchni metalu, w którym wykazuje on odporność chemiczną wobec otaczającego środowiska, mimo posiadania potencjalnej zdolności do reagowania w danych warunkach. Na skutek bezpośredniego kontaktu stali zbrojeniowej z wysoko alkaliczną cieczą porową na powierzchni metalu tworzy się naturalna warstewka pasywna. Znajduje się ona bezpośrednio na powierzchni stali i styka się ze schematycznie pokazaną na rys. 67 tzw. strefą przejściową, której grubość wynosi µm (0,05 0,1 mm) [43, 87]. Strefa przejściowa złożona jest z: - warstwy podwójnej grubości 1 2 µm, - warstwy dużych kryształów CaO H 2 0 grubości µm, - warstwy porowatego zaczynu cementowego. Rys.67. Strefa przejściowa (kontaktowa) między betonem a stalą zbrojeniową

87 Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych 87 Stan pasywny jest wynikiem powstawania bardzo szczelnych warstewek tlenkowych grubości kilku µm na powierzchni metali. W dobrym betonie, na powierzchni stali, powstają ochronne warstewki tlenkowe (FeO Fe 2 O 3,, Fe 2 O 3 ) [87], oraz / lub żelazianu wapnia (Ca(FeO 2 ) 2 ) [28], praktycznie uniemożliwiające rozwój korozji. Składa się ona zasadniczo z dwóch uwodnionych tlenków żelaza (FeO Fe 2 O 3,, Fe 2 O 3 ) o odmiennej budowie krystalicznej [43, 92]. Należy zaznaczyć, że warstewka pasywna powstaje niezależnie od istniejących na prętach zbrojeniowych produktów utleniania i produktów korozji wytworzonych w procesie produkcji lub wskutek przechowywania przed zabetonowaniem. Co prawda produkty procesu metalurgicznego na powierzchni stali tworzą pewną strefę buforową, jednak ich porowata struktura nie ma wpływu na elektrochemiczny stan pasywny tej powierzchni [87]. Jak już powiedziano, grubość warstwy pasywnej jest niewielka, niemniej jednak jej duża gęstość prawie uniemożliwia przejście jonów metalu do elektrolitu jakim jest ciecz porowa. W ten sposób warstwa ta chroni stal przed dalszym utlenianiem blokując procesy korozyjne zbrojenia. Taki stan utrzymuje się dopóki ph cieczy porowej otuliny betonowej nie będzie niższe od wartości 11,8. Poniżej tej wartości rozpoczyna się proces depasywacji. Prowadzone badania zachowania się stali zbrojeniowej w wyciągach wodnych ze stwardniałych zaczynów cementowych [4, 17, 87] pozwoliły na zarejestrowanie galwanostatycznych i potencjostatycznych krzywych polaryzacji, według których ustalono potencjał pełnej pasywacji. Wyniki tych badań dały podstawę ustalenia krytycznej wartości ph=11,8, powyżej której zachowany jest pasywny stan stali. Spadek wartości ph cieczy porowej (betonu) poniżej 11,8 skutkuje uszkadzaniem warstewek pasywnych. Możliwe jest wówczas wystąpienie korozji zbrojenia. Obniżenie wartości ph cieczy w porach betonu najczęściej jest spowodowane oddziaływaniem dwutlenku węgla zawartego w powietrzu czyli procesem karbonatyzacji otuliny opisanym w pkt W wyniku oddziaływania środowiska, zwłaszcza we wnętrzu trzonu komina, beton może stać się środowiskiem agresywnym dla stali zbrojeniowej. Alkaliczny odczyn cieczy w porach sprawia, że beton reaguje z bezwodnikami kwasowymi CO 2 ; H 2 S; HCl; SO 2 itp.[28]. Podobne zjawisko może zachodzić w wyniku oddziaływania innych agresywnych środowisk eliminujących wodorotlenek wapnia z zaczynu wskutek jego ługowania, bądź w wyniku reakcji chemicznych z udziałem Ca(OH) 2. W normalnych warunkach, kiedy otoczenie betonu nie zawiera substancji agresywnych otulina betonowa skutecznie chroni stal przed korozją.

88 Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych Produkty korozji stali zbrojeniowej Wynikiem przebiegu procesu korozyjnego są produkty korozji, złożone zwykle z warstewek tlenków żelaza o różnym stopniu utlenienia, zwane potocznie rdzą. Produkty te, jak pokazano na rys. 68, znacznie zwiększają objętość, co prowadzi do pęcznienia prętów zbrojeniowych. Fe 2 O 3 Fe(OH) 2 Fe(OH) 3 Fe(OH) 3 3H 2 O Fe Fe 3 O 4 FeO Względna objętość molowa Rys.68. Porównanie objętości molowej żelaza i produktów jej korozji Po przekroczeniu wytrzymałości betonu na rozciąganie skutkuje to powstaniem rys zarówno w płaszczyźnie prostopadłej do zbrojenia jak i wzdłuż prętów [3]. Proces tworzenia się rys poprzecznych przebiega od zbrojenia w kierunku powierzchni, natomiast rysy podłużne są powodem odspajania się otuliny betonowej od zbrojenia. Rysy ułatwiają dostęp do powierzchni i kontakt ze zbrojeniem wilgoci, tlenu oraz innych agresywnych związków ( np. kwaśnych gazów, soli). W konsekwencji prowadzi to do przyspieszenia procesu korozji zbrojenia skutkującego odspojeniem otuliny betonowej (rys. 69) i degradacją konstrukcji. Rys.69. Przykłady skutków narastania produktów korozji stali zbrojeniowej w betonie

89 Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych Korozja zbrojenia spowodowana chlorkami w betonie Znaczącym powodem korozji zbrojenia może być penetracja chlorków przez otulinę. W wyniku procesu dyfuzji jony chlorkowe mogą osiągnąć powierzchnię stali, uszkadzając warstewki pasywne na jej powierzchni. Powodują one miejscowe przebicie [87, 92] warstewki pasywnej i rozwój korozji wżerowej. W takim przypadku proces korozji może się rozpocząć nawet w betonie o wysokim odczynie [87].Tworzące się w tej reakcji elektrony są zużywane w reakcji katodowej. W środowiskach z dostępem chlorków reakcja katodowa jest następująca: Fe 2Cl FeCl2 2e Mechanizm somoaktywacji wynika z tendencji tlenku żelaza do redukcji, w wyniku której następuje przyłączenie elektronów przez cząsteczki tlenu z warstwy pasywnej oraz cząsteczki wody z roztworu. Uwolnione ze struktury tlenku kationy żelaza przepływają do roztworu i w miejscu przepływu tych jonów powstają lokalne anody (rys. 70). Ponieważ utleniaczem jest warstewka tlenku fazowego, wskutek działania lokalnych ogniw ulega on całkowitemu rozkładowi tracąc zwartość i własności pasywne [44]. Rys.70. Schemat powstawania ogniwa korozyjnego na zbrojeniu na wskutek działania jonów chlorkowych 6.6. Korozja siarczanowa betonu a korozja zbrojenia Kolejnym powodem korozji zbrojenia jest oddziaływanie siarczanów na beton [25]. Jak podano w pkt w wyniku agresji siarczanowej w spoiwie cementowym powstają produkty korozji takie jak ettringit i gips. Ich obecność powoduje obniżenie wartości ph betonu. Jeżeli strefa skażonego betonu przesunie się w głąb przekroju żelbetowego, a produkty korozji siarczanowej pozostaną w bezpośrednim kontakcie ze stalą zbrojeniową,

90 Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych 90 należy oczekiwać intensyfikacji procesu jej korozji, wywoływanego innymi czynnikami, np. chlorkami. Rozpatrując negatywny wpływ siarczanów w aspekcie korozji stali zbrojeniowej, można uznać, że ogranicza się on do obniżenia ph betonu. Według [22] możliwa jest reakcja siarczanu wapnia z żelazem. Jednakże w prowadzonych w tym zakresie badaniach nie wykazano obecności siarczanu żelaza, który byłby produktem reakcji pomiędzy stalą a gipsem pochodzącym z agresji siarczanowej, a jedynie wykazano obecność gipsu z wbudowanymi jonami żelaza (rys. 71). Możliwa jest również reakcja chemiczna pomiędzy siarczanami a żelazem [22], przy czym reakcja ta może zachodzić w środowisku o odczynie kwasowym. Zatem nie należy spodziewać się istotnego wpływu tego mechanizmu korozji na ogólny przebieg korozji stali zbrojeniowej w betonie. W przypadku bezpośredniego oddziaływania rozcieńczonego kwasu siarkowego (kondensatu spalin) na odkryte pręty zbrojenia (np. wsporników podwykładzinowych we wnętrzu trzonu) możliwe jest powstawanie siarczanu żelaza, który w kontakcie z powietrzem ulega samorzutnie rozkładowi, w wyniku czego powstaje między innymi wodorotlenek żelaza. Rys.71. Obraz mikroskopowy betonu warstwy kontaktującej się ze stalą i analiza EDS gipsu przyczyniającego się do korozję zbrojenia (pow. 1000x) 6.7. Zmiany właściwości mechanicznych stali spowodowane korozją Rozwijająca się korozja prętów zbrojeniowych skutkuje również zmianami właściwości mechanicznych stali. Obserwuje się redukcję właściwości plastycznych i wytrzymałościowych [29]. Obniżanie się odkształcalności i wytrzymałości na rozciągnie stali następuje na skutek mikropęknięć struktury wywołanych osłabieniem więzi kohezyjnej między atomami żelaza w wyniku równoczesnego działania aktywnych korozyjnie składników środowiska na powierzchnię powstałego defektu i naprężeń rozciągających w pręcie zbrojeniowym [2, 16, 92], co schematycznie pokazano na rys. 72.

91 Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych 91 Rys.72. Ilustracja przyczyn obniżenia własności mechanicznych skorodowanej stali w betonie Korozyjne pękanie naprężeniowe jest wynikiem jednoczesnego działania naprężenia oraz korozji lokalnej i objawia się pękaniem stali. W wyniku procesu anodowego tworzą się wąskie bruzdy o przekroju klinowym, na dnie których (wskutek dużego naprężenia) następuje plastyczne płynięcie stali. Powstają nowe obszary anodowe, a wobec braku możliwości utworzenia się pasywnej warstwy tlenkowej nasilają się coraz bardziej. Charakter elektrochemiczny korozyjnego pękania naprężeniowego dotyczy w równym stopniu zarówno inicjowania pęknięcia szczeliny jak i jej wzrostu. Rozrost szczeliny może zachodzić wskutek wspólnego, czasem przemiennego działania procesów elektrochemicznych i mechanicznych. Duże znaczenie w tym przypadku ma wytworzenie ogniwa stężeniowego (zwykle tlenkowego) między dnem szczeliny jako anodą, a zewnętrzną powierzchnią metalu jako katodą. Prąd korozyjny w tym ogniwie przenosi aniony aktywne (często chlorkowe) do wnętrza szczeliny, gdzie powstaje stężony roztwór elektrolitu, zakwaszany w procesie hydrolizy jonów metalu. Oznacza to, że proces przebiega autokatalitycznie [57] Ocena korozji zbrojenia Metody diagnostyczne służące do oceny stopnia zagrożenia korozyjnego zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych można podzielić na dwie zasadnicze grupy: - badania materiałowe, - badania elektrochemiczne. Można również oceniać skutki korozji zbrojenia w konstrukcji określając ubytek przekroju i zmiany właściwości mechanicznych stali.

92 Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych 92 Rys.73. Metody diagnostyki zagrożenia i skutków korozji zbrojenia Do badań materiałowych w aspekcie oceny zagrożenia korozyjnego zbrojenia w pełni można zaliczyć opisane w rozdziale 5 badania i analizy pozwalające na ocenę stopnia skażenia porowatej struktury betonu. Do badań elektrochemicznych zagrożenia korozyjnego konstrukcji żelbetowych zalicza się grupę kilku metod badawczych wywodzących się z elektrochemii i zaadaptowanych do skomplikowanych warunków pomiarowych występujących w betonie. Wśród nich wyróżnia się: - pomiar potencjału korozyjnego zbrojenia, - pomiar rezystywności otuliny betonowej, - pomiar oporu polaryzacji liniowej, - pomiar impulsu galwano statycznego, - pomiar elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej. Celem badań elektrochemicznych jest nieinwazyjna ocena intensywności procesów korozyjnych zbrojenia, a także określenie na powierzchni konstrukcji obszarów o różnym stopniu zagrożenia korozją [45, 92]. Tego typu badania możliwe są do wykonania na powierzchni zewnętrznej trzonu komina. Skutki procesów korozyjnych stali zbrojeniowej można określić jakościowo, na podstawie obserwowanych zniszczeń faz metalicznych, oraz ilościowo, na podstawie ubytków masy metalu po usunięciu produktów korozji lub zmian właściwości mechanicznych. Szybkość procesów korozyjnych wyrażająca ubytek jakiejkolwiek części układu korozyjnego spowodowana korozją i odniesiona do jednostki czasu [EN ISO 8044] może być

93 Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych 93 wyrażona w różnej formie. Najczęściej przedstawiana jest jako ubytek masy metalu odniesiony do wielkości reagującej powierzchni i czasu agresji, lub jako ubytek grubości przekroju metalu w jednostce czasu. Średnią szybkość korozji V c można obliczyć ze wzoru: V c m P t gdzie: Δm różnica masy [g] P powierzchnia [m 2 ] t czas [doby] Podany powyżej sposób wyrażania szybkości korozji metali oraz ich jednostki mają zastosowanie w ocenie szybkości równomiernej korozji ogólnej. W przypadku oceny zniszczenia spowodowanego nierównomierną korozją ogólną lub każdym przypadkiem korozji lokalnej (zniszczenie punktowe, wżerowe, szczelinowe, lub międzykrystaliczne) ilościową szybkość korozji wyraża się w jednostkach procentowych zmiany badanej właściwości mechanicznej materiału w ciągu jednostki czasu (doba, rok). Określana właściwość powinna być charakterystyczna dla badanego materiału i łatwa do dokładnego mierzenia np. wytrzymałość na rozciąganie. Zmianę tą można wyrazić wzorem: V t W0 W 100 [%] W t 0 gdzie: W 0 początkowa wartość określanej cechy, W wartość określanej cechy po czasie ekspozycji korozyjnej, t czas ekspozycji korozyjnej Wpływ usytuowania zbrojenia w przekroju ściany trzonu na jego ochronę przed korozją W analizowanych kominach żelbetowych z powodów konstrukcyjnych trzony zbrojone są w kierunku pionowym zbrojeniem ułożonym wzdłuż tworzącej powłoki stożkowej oraz w kierunku poziomym zbrojeniem pierścieniowym. Zbrojenie pionowe umieszcza się od zewnętrznej strony zbrojenia pierścieniowego. Z upływem lat wymagania co do ilości i sposobu usytuowania zbrojenia ulegały zmianom. W początkowym okresie projektowania preferowano [48, 60, 70] jednostronny (zbliżony do krawędzi zewnętrznej) układ zbrojenia zarówno pionowego jak i poziomego. Ponadto zalecano 50 mm warstwę zewnętrznej otuliny. W takim przypadku zbrojenie było znacznie oddalone od agresywnego środowiska wnętrza komina (rys. 74).

94 Korozja stali zbrojeniowej w trzonach kominów żelbetowych 94 Rys.74. Odwiert z trzonu komina zbrojonego jednostronnie. Pomimo znacznego postępu destrukcji betonu od wnętrza trzonu stal zbrojeniowa nadal jest chroniona. Norma PN-88/B zaleciła stosowanie obustronnego zbrojenia przekroju trzonu. Wymaganie to odnosiło się zarówno do zbrojenia głównego pionowego jak i obwodowego. Ponadto przyjęto, że grubość otuliny zbrojenia przy średnicy prętów nie przekraczającej 16 mm nie powinna być mniejsza niż 30 mm. Obustronne usytuowanie zbrojenia w przekroju trzonu (rys. 75) skutkuje, z punktu widzenia zagrożenia korozyjnego, skróceniem drogi dotarcia do niego strefowo postępującej degradacji betonu od wnętrza komina. Rys.75. Odwiert z trzonu komina zbrojonego dwustronnie. Zbrojenie od wnętrza trzonu uległo korozji. Osobne zagadnienie stanowi korozja zbrojenia wewnętrznych wsporników podwykładzinowych oraz wzmocnień w rejonie głowicy górnej. W obu przypadkach zbrojenie sytuowane jest od wnętrza trzonu, co przy niedostatecznym otuleniu skutkuje szybko postępującą korozją pokazaną na rys. 76. Rys.76. Skorodowane zbrojenie wspornika podwykładzinowego

95 Badania stali zbrojeniowej korodującej w trzonach kominów Badania stali zbrojeniowej korodującej w trzonach kominów 7.1. Wprowadzenie Pobierając próbki z trzonu techniką odwiertów rdzeniowych bardzo często wraz z betonem pobierana jest stal zbrojeniowa. W takich przypadkach można poddać analizie zarówno beton w bezpośrednim sąsiedztwie zbrojenia, jak i samą stal zbrojeniową. Badania betonu dają możliwość oceny zagrożenia korozyjnego stali zbrojeniowej ze strony tego materiału. Prezentowane poniżej wyniki badań przedstawiają w sposób ilościowy skutki procesów korozyjnych (ubytki przekroju, zmiany właściwości mechanicznych) stali zbrojeniowej skorodowanej w warunkach wieloletniej eksploatacji trzonów kominów przemysłowych Właściwości mechaniczne stali zbrojeniowej skorodowanej w betonie trzonu komina W jednym z analizowanych kominów po wieloletnim okresie eksploatacji (około 40 lat) wykonano w trzonie odwierty, których wielkość była na tyle duża, że możliwe było określenie właściwości mechanicznych stali zbrojeniowej. W odwiercie pokazanym na rys. 77, wraz z betonem pobrano pręty tej samej średnicy, o zróżnicowanym stopniu korozji. Stopień skorodowania uzależniony był od usytuowania pręta w przekroju trzonu komina, a co za tym idzie, wpływu stopnia skażenia otuliny betonowej w strefie zbrojenia. Rys.77. Odwiert z trzonu komina, z którego pozyskano do badań skorodowane pręty Założono, że poddane analizie pręty pochodzą z tego samego gatunku stali (pręty gładkie ze stali węglowej), a ich wyjściowe właściwości nie były zróżnicowane. Długość pobranych prętów umożliwiła przeprowadzenie statycznej próby rozciągania wraz z precyzyjnym pomiarem wydłużenia zgodnie z PN-EN ISO Badania przeprowadzono w uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej wyposażonej w pokazany na rys. 78 ekstensometr mechaniczny o klasie dokładności pomiaru 0,5. Dla porównania

96 Badania stali zbrojeniowej korodującej w trzonach kominów 96 przeprowadzono podobne badanie pręta nieużytkowanego. Wyniki badań przedstawiono w tabl. 17 i zilustrowano na rys. 79. Rys.78. Sposób pomiaru wydłużeń prętów przy pomocy ekstensometru mechanicznego Rys.79. Wykresy ilustrujące rozciąganie prętów

97 Badania stali zbrojeniowej korodującej w trzonach kominów 97 Tabl.17. Wyniki badań uzyskane w statycznej próbie rozciągania skorodowanych prętów stalowych BADANY PRĘT ORAZ CHARAKTERYSTYKA JEGO OTULINY ŚREDNICA UBYTEK GRANICA WYTRZYMAŁOŚĆ PRĘTA PRZEKROJU PLASTYCZNOŚCI NA ROZCIĄGANIE ODKSZTAŁCENIE WZMOCNIENIE ENERGIA d A f y f t ε u k=f t / f y [mm] [%] [MPa] [MPa] [%] [J] A 11,98 0, ,8 1, ph wyciągu wodnego SO 4 2- [% m.s.] Cl - [% m.s.] 12,30 3,0 0,10 B 2- ph SO 4 Cl - 11,24 12, ,1 1, wyciągu wodnego [% m.s.] [% m.s.] 11,00 3,8 0,50 C 10,69 20, ,9 1, ph wyciągu wodnego SO 4 2- [% m.s.] Cl - [% m.s.] 8,20 8,0 1,90 P 12, ,1 1, Uwaga: W EN :2004+AC:2004, str. 34 podano: EN dotyczy granicy plastyczności R e, która odnosi się do charakterystycznych, minimalnych i maksymalnych wartości określanych na podstawie poziomu jakości podczas długoletniej produkcji. W przeciwieństwie do tego f yk jest charakterystyczną granicą plastyczności, określoną tylko na podstawie właściwości zbrojenia stosowanego w danej konstrukcji. Nie ma bezpośredniego związku pomiędzy f yk i charakterystyką R e. Niemniej jednak, metody oceny i sprawdzania granicy plastyczności podane w EN zapewniają wystarczającą kontrolę nad charakterystyczną granicą plastyczności f yk

98 Badania stali zbrojeniowej korodującej w trzonach kominów 98 Skutki procesu zaawansowanej korozji prętów zbrojenia oszacowano ustalając ubytki przekroju w odniesieniu do masy 1mb prętów zbrojeniowych podanej w normie PN EN Dokonano pomiaru długości i masy prętów odrdzewionych amoniakalnym roztworem cytrynianu amonu i na tej podstawie wyliczono procentowy ubytek przekroju, który dla pręta pochodzącego z wewnętrznej warstwy trzonu komina był największy i wynosił 20,7%. Na tej podstawie wyznaczono zastępczą średnicę prętów niezbędną do zanalizowania statycznej próby rozciągania. W wynikach statycznej próby rozciągania zilustrowanych na rys. 79 zaobserwowano zanikanie półki plastycznej w poszczególnych próbkach w zależności od stopnia ich skorodowania. W próbce nieskorodowanej zarejestrowano wyraźną górną granicę plastyczności, półkę plastyczną, dolną granicę plastyczności, następnie fazę wzmocnienia i zniszczenie. W przypadku próbek skorodowanych nie zarejestrowano półki plastycznej charakterystycznej dla tego gatunku stali. Stal zbrojeniowa powinna wykazywać: odpowiednie wzmocnienie zdefiniowane jako stosunek wytrzymałości na rozciąganie f t do granicy plastyczności f y oraz odkształcenie ε u przy maksymalnej sile. Współczynnik k=f t /f y zilustrowany na rys. 80 w najprostszy sposób określa stopień wzmocnienia stali. W przypadku stali zbrojeniowej odpowiednio wysoka wartość tego współczynnika przy jednocześnie dużym odkształceniu ε u jest korzystna [EN ]. Badania skorodowanej stali pochodzącej z trzonu komina wykazały znaczące zmiany tych właściwości. Wzmocnienie prętów określone współczynnikiem k, wynosi w zależności od stopnia skorodowania od 1,55 do 1,58 i przekracza zalecaną wartość graniczną (k<1.35 dla stali klasy C [EN ]). Natomiast towarzyszące temu odkształcenia ε u zmniejszają się od blisko 22% dla stali nieskorodowanej do niespełna 8% dla silnie skorodowanej próbki (rys. 79), w której stwierdzono ponad 20% ubytek przekroju. Nadmierny wzrost tak definiowanego wzmocnienia jest zapewne skutkiem obniżenia granicy plastyczności skorodowanej stali. Dodać należy, że do określenia wzmocnienia badanych próbek przyjęto wartość granicy plastyczności na tym samym poziomie tj. 0,2% wydłużenia. Do przyjęcia tej wartości skłonił fakt, że w przypadku próbki A: f y =f 0,2 =268 MPa.

99 Badania stali zbrojeniowej korodującej w trzonach kominów 99 Rys.80. Obszary ilustrujące stopień wzmocnienia stali Zmiany właściwości mechanicznych obrazuje również zróżnicowana ilość energii absorbowanej podczas odkształcenia plastycznego, schematycznie pokazana na rys. 81. Aby osiągnąć maksymalne naprężenie f t w najbardziej skorodowanym pręcie C wystarczy jedynie 32% energii potrzebnej do osiągnięcia tego samego naprężenia w nieskorodowanym pręcie A (tabl. 17). Rys.81. Ilustracja graficzna zmiany energii absorbowanej podczas odkształcenia plastycznego poszczególnych prętów 7.3. Zmiany korozyjne na powierzchni stali zbrojeniowej skorodowanej w betonie trzonu komina Kolejnym skutkiem procesu korozyjnego zbrojenia są produkty korozji, złożone zwykle z warstewek tlenków żelaza o różnym stopniu utlenienia. Produkty te jak podano w pkt. 6.4 znacznie zwiększają objętość, co prowadzi do powstaniem rys w otulinie, które ułatwiają kontakt zbrojenia z wilgocią, tlenem oraz agresywnymi (np. kwaśnymi) gazami. Rysę wzdłuż silnie skorodowanego pręta zbrojenia pionowego od wnętrza trzonu komina pokazano na rys. 77, natomiast uszkodzoną otulinę tego pręta pokazano na rys. 82.

100 Badania stali zbrojeniowej korodującej w trzonach kominów 100 Rys.82. Fragment otuliny wraz ze skorodowanym prętem zbrojeniowym pochodzące z trzonu komina Rys.83. Obraz zarejestrowany w mikroskopie optycznym mikrostruktury produktów korozji stali w strefie kontaktu zbrojenia z otuliną betonową Rys.84. Obraz zarejestrowany w mikroskopie skaningowym strefy przejściowej między skorodowaną stalą zbrojeniową a otuliną betonową. Na obrazie wskazano miejsca wykonania analiz EDS.

101 Badania stali zbrojeniowej korodującej w trzonach kominów 101 Przeprowadzone analizy EDS w pokazanej na rys.83 i 84 strefie przejścia między skorodowaną stalą zbrojeniową a betonem potwierdziły występowanie tlenków żelaza jako produktów korozji stali (rys.86). W betonie będącym w bezpośrednim kontakcie ze skorodowanym zbrojeniem zidentyfikowano chlorki (rys. 89), których nawet niewielkie ilości intensyfikują proces korozji stali [88]. Rys.85. Analiza EDS w pkt. 1 na rys.84. Zidentyfikowano żelazo metaliczne Rys.86. Analiza EDS w pkt 2 na rys.84. Zidentyfikowano tlenki żelaza będące produktami jego korozji Rys.87. Analiza EDS w pkt. 3 na rys.84. Kolejna warstwa tlenków żelaza będących produktami korozji Rys.88. Analiza EDS w pkt 4 na rys.84 Rys.89. Analiza EDS w pkt. 5 na rys.84. W otulinie pręta zidentyfikowano chlor. Rys.90. Analiza EDS w pkt. 6 na rys.84