Korozja zbrojenia w konstrukcjach betonowych Beton zbrojony, popularne zwane żelbetem jest kompozytem zbudowanym z betonu i stali. Jego historia zaczyna się w połowie XIX wieku, gdy zaczęto eksperymentować łącząc metalowy szkielet z camentową zaprawą. W muzeum w Brignoles można oglądać łódź, którą Joseph Louis Lambot zbudował w 1848 roku z siatki metalowej zatopionej w cementowej zaprawie. Tworzywo konstrukcyjne nazwane przez wynalazcę żelazocementem (franc. ferciment ) zostało opatentowane w 1851 roku a łódź pokazana na Światowej Wystawie w 1855 r. wzbudziła ogromne zainteresowanie. Nowy materiał budził duże zainteresowanie w branży budowlanej. Pierwszy budynek z betonu zbrojonego prętami żelaznymi powstał w miejscowości Portchester (koło Nowego Yorku) w 1876 r 1. Janowski, Beton Monolityczny] Na intensywne zastosowanie żelbetu czekać jeszcze przyszło do momentu gdy mieszkający we Francji Francois Hennebique połączył pionowe i poziome elementy konstrukcyjne w jedną całość dopasowując układ prętów zbrojeniowych do rozkładu naprężeń powstających w konstrukcji betonowej. Był on autorem pierwszej książki w której przedstawił podstawy teoretyczne konstrukcji żelbetowych (1892 r.). Jako materiał konstrukcyjny o doskonałych własnościach wytrzymałościowych żelbet stosowany jest od końca XIX wieku. W 1894 roku w Viggen w Szwajcarii zbudowano most z betonu zbrojonego. Z początkiem XX stulecia żelbet zaczyna być coraz powszechniej stosowany w całej Europie i na świecie. W Warszawie w drugiej poł. XIX w. powstał betonowo żelazny bazar Lesserów przy ul. Rymarskiej a w 1900 roku obok budynku Arsenału rozpoczyna się budowa Galerii handlowej tzw. Pasażu Simonsa 2. Znakomita większość budynków budowanych w centrum Warszawy tuż przed 1914 roku to konstrukcje żelbetonowe. Niestety, tylko niektóre z nich (kamienica Goldstanda, Dom Towarowy Braci Jabłkowskich, Dom Pod Orłami, kamienica Metodyków) przetrwały zniszczenia II wojny światowej1 34. Najstarszy zachowany budynek żelbetowy w Polsce zbudowano w 1913 roku w Łodzi jako siedzibę fabryki włókienniczej Schweikerta. Obecnie mieści się w nim biblioteka Główna Politechniki Łódzkiej. Ryc 1. Budynek dawnej fabryki Schweikerta w Łodzi, obecnie siedziba Politechniki Łódzkiej. (źródło: Wikipedia) Żelbet znalazł szerokie zastosowanie w budowie umocnień wojskowych. Pierwsze fortyfikacje żelbetowe w okolicach Warszawy zaczęli budować Rosjanie w 1913 r (?). Po zajęciu Warszawy w sierpniu 1915 roku Niemcy zaczęli budować linie fortyfikacji zabezpieczającą miasto 1 Janowski Zbigniew, Beton monolityczny w renowacji obiektów zabytkowych, Czasopismo Techniczne z. 19. Budownictwo z. 3-B, http://suw.biblos.pk.edu.pl/resourcedetailsrpk&rid=5866 2 Jerzy S. Majewski, Żelbet - odkrycie XIX wieku, www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=61515] 4 J.S.Majewski j.w.
od wschodu tzw. Brückenkopf Warschau. Do połowy 1918 r. wzniesiono na prawym brzegu Wisły ok 150 żelbetonowych schronów (znaczna część na obszarze gminy Wiązowna i Zagóźdź). Część z nich przetrwała do dziś, większość jednak rozebrano w latach 1918-1920 5. Łatwo można obecnie spotkać rozsiane po terenie całej Polski żelbetonowe umocnienia i bunkry pozostałe po II wojnie światowej. Ryc 2 bunkier w Siędlęcinie (k. Jel.Góry) Ryc 3. Bunkier na dworcu w Szreniawie Ryc 4 bunkier przy drodze krajowej 136 (Wędrzyn) Żelbet używany jest powszechnie w budownictwie cywilnym i wojskowym, chętnie stosowany bywa jako przez rzeźbiarzy oraz wykonawców małych form architektonicznych (np. nagrobki). Intensywny rozwój jego zastosowań wynika z wielu zalet: wysokiej wytrzymałości, doskonałego przenoszenia obciążeń statycznych i dynamicznych, odporności na korozję oraz dużej możliwości kształtowania form przestrzennych. Zalety betonu monolitycznego sprawiły, że obecnie jest on często stosowany w naprawie i rekonstrukcji architektonicznych obiektów zabytkowych 6 Stworzenie z żelaza i betonu materiału konstrukcyjnego możliwe było dzięki temu, że oba materiały mają podobny współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz dobrą wzajemną przyczepność. Beton zbrojony wykorzystywany jest powszechnie już ponad sto lat nic więc dziwnego że coraz więcej obiektów wykonanych w tej technologii ma charakter zabytkowy toteż wymaga szczególnej opieki i ochrony. Żelbet tak samo jak każdy inny materiał podlega procesom starzenia, korozji i niszczącym wpływom środowiska. Niszczenie konstrukcji betonowej może być powodowane 5 l. Królikowski, Warszawa, dzieje fortyfikacji str 198-200, wyd. Trio, W-wa, 2011. 6 Janowski Zbigniew, Beton monolityczny w renowacji obiektów zabytkowych, Czasopismo Techniczne z. 19. Budownictwo z. 3-B, http://suw.biblos.pk.edu.pl/resourcedetailsrpk&rid=5866
wuszkodzeniami betonu (czynniki mechaniczne, chemiczne lub fizyczne) oraz uszkodzeniami będącymi efektem korozji zbrojenia. Ryc. 5. Zależność własności środowiska (wody porowej) na proces korozji żelaza. Charakterystyczna cechą świeżego żelbetu jest jego wysoka odporność korozyjna związana z zasadowym charakterem betonu. Płyn wypełniający pory betonu (tzw. woda porowa) ma charakter zasadowy (w skali ph powyżej 12). Powoduje to spasywowanie prętów zbrojeniowych zatopionych w masie betonowej i zahamowanie procesów korozji. Jednakże procesy chemiczne zachodzące w masie betonowej mogą doprowadzać do zmiany jej zasadowego charakteru umożliwiając proces korozji żelaza (ryc 5 ). Początkowo, pod wpływem CO₂ zachodzi powolna korozja otuliny betonowej. Gdy zmiany dotrą głębszych warstw przestaje ona spełniać swoją ochronną rolę i rozpoczyna się proces korozji żelaza. Powstające produkty korozji są przyczyną powstawania naprężeń, spękań i odprysków fragmentów betonowej otuliny odsłaniając całkowicie żelazne zbrojenie (ryc. 6 według 7 ). CO₂ SO₂ Cl H₂O Beton zbrojeniowe Obszar zmian 7 Zbigniew. Ścislewski Ochrona konstrukcji żelbetowych, wyd Arkady,
Korozja Ryc. 6. Schemat procesu niszczenia betonu w wyniku korozji zbrojenia (według Z. Ściślewskiego) Proces niszczenia betonowej otuliny zbrojenia zależy od rodzaju oddziaływującego środowiska. Może być wynikiem procesu korozji siarczanowej, chlorkowej lub węglanowej. Korozja siarczanowa zachodzi w roztworach wodnych zawierających siarczany. Powstające związki chemiczne mogą powodować duże naprężenia mechaniczne niszczące beton. Powstawanie soli Candlota (etrygnitu) o wzorze: 3CaO Al₂O₃ 3CaSO₄ 2H₂O powoduje wzrost objętości tworzywa aż o 168%. Korozja zbrojenia stalowego powoduje obniżenie wytrzymałości konstrukcji, a w konsekwencji jej zniszczenie. Dlatego warto w wielu badaniach i publikacjach naukowych poświęcono temu zagadnieniu wiele miejsca. Korozja zbrojenia w otulinie betonowej jest procesem złożonym, zależnym od wielu czynników. Najważniejszym z nich jest proces karbonatyzacji betonu. Karbonatyzacja betonu polega na zmianie własności masy betonowej pod wpływem dwutlenku węgla zawartego w powietrzu. Reaguje on z wodorotlenkiem wapnia znajdującym się w twardym zaczynie cementowym zgodnie z reakcją 8 : CO₂+ H₂O H₂CO₃ H₂CO₃ +Ca(OH) ₂ Ca CO₃ + H₂O Skutkiem tego procesu jest zmniejszenie alkaliczności betonu i obniżenie jego własności ochronnych zbrojenia. W mocno alkalicznym środowisku jakie panuje w świeżym betonie (ph 12-12,5) na powierzchni żelaza powstaje tlenkowa warstwa ochronna (pkt 1 na ryc. 5). W wyniku obniżenia zasadowości betonu następuje zniszczenie ochronnych warstewek i zapoczątkowanie korozji. Procesy korozji zaczynają się gdy zasadowość betonu obniży się poniżej ph 10. Im bardziej kwaśny odczyn osiągnie otulina betonowa tym intensywniejszy będzie proces korozji zbrojenia. Szybkość karbonatyzacji jest zmienna i początkowo może wynosić nawet 1mm/rok. Obecność chlorków w betonie powoduje depasywację warstw tlenkowych i korozję przy zasadowości wyższej niż te uznane za wartości graniczne. Korozja chlorkowa ma miejsce w roztworach zawierających znaczną zawartość jonów Cl. Takim mechanizmem korozji szczególnie zagrożone są konstrukcje mające kontakt z wodą morską (np. betonowe nabrzeża) lub konstrukcje drogowe (narażone działanie soli szczególnie zimą). Chlorki reagują z produktami hydratacji cementu, oraz przyspieszają procesy korozyjne stali. Wniknie chlorków w głąb masy betonowej następuje stosunkowo szybko. Dostają się one wraz z wodą w procesie technologicznym lub w czasie 8 L. Czarnecki, P.H. Emmons, Ochrona i naprawa konstrukcji betonowych Wyd Polski Cement Sp.z o.o, Kraków 2000, str. 41
użytkowania konstrukcji betonowej wraz z aerozolami wodnymi pochodzącymi z zanieczyszczonego środowiska. Szybkość dyfuzji chlorków w betonie zależne jest od jego nasiąkliwości i wilgotności: jest wysoka w porach wypełnionych wodą i niska w betonie osuszonym. Uszkodzenia konstrukcji betonowej sprzyjają penetracji wody wgłąb konstrukcji (ryc.7). Ryc.7 pęknięcia betonu ułarwiające penetrację wody i powietrza wgłąb konstrukcji. Pozbawienie zbrojenia ochronnych warstewek pasywnych powoduje powstanie szczególnego środowiska korozyjnego. Zmienność parametrów środowiska wzdłuż pręta zbrojeniowego powoduje powstanie na jego powierzchni różnicy potencjałów elektrycznych a w konsekwencji korozyjnych ogniw elektrochemicznych. Pojawiają się obszary katodowe i anodowe(na których zachodzi rozpuszczanie się żelaza). Ogniwa takie mogą mieć charakter ogniw Stężeniowych i zmiennego napowietrzenia (różne stężenia tlenu, i elektrolitów wewnątrz masy betonowej), Ogniw naprężeniowych (w wyniku zmiennych i stałych naprężeń konstrukcji. Dokładna znajomość wymienionych mechanizmów destrukcji zbrojenia ma istotne znaczenie w procesie planowania prac konserwatorskich budowli betonowych uznanych za zabytkowe. Otrzymywanie betonu o wysokiej odporności korozyjnej oraz postępowanie zabezpieczające zniszczone konstrukcje zelbetonowe będą tematem oddzielnego opracowania.