T E C H N O L O G I E

I N F R A S T R U K T U R A

T R A N S P O R T U

6 / 2 0 1 1

30

Omawiając przyczyny zniszczenia
betonu, trzeba rozróżnić dwie grupy
zagadnień: korozję zewnętrzną, w tym
głównie siarczanową, chlorkową, kar-
bonatyzację i działanie mrozu, oraz
korozję wewnętrzną, związaną z re-
akcją niektórych kruszyw z alkaliami
zawartymi w cemencie oraz opóźnione
powstawanie ettringitu. Lepiej poznana
jest korozja zewnętrzna, szczególnie
siarczanowa, lecz i w tej grupie zagad-
nień mało uwagi zwraca się na dzia-
łanie agresywne wód miękkich, które
poprzez wypłukiwanie wodorotlenku
wapnia powodują powolne osłabianie
i niszczenie betonu. Najwięcej uwagi
w zakresie korozji wewnętrznej poświę-
ca się reakcji kruszyw z alkaliami, a cza-
sem, analizując przyczyny pojawienia
się spękań betonu, wysuwa się jako
przyczynę przekroczenie zawartości
siarczanów. To ostatnie zagadnienie
wiąże się z pobieraniem za małej
próbki betonu do badań kontrolnych,
w której w związku z tym przeważa za-
czyn, co stanowi przyczynę obecności
w tej próbce za dużej ilości SO

3

.

Do mało znanych, nawet w gronie

specjalistów, form degradacji betonu

Skład fazowy

i chemiczny

cementu

a długowieczność betonu

Trwałość i związana z nią długowieczność betonu mają
podstawowe znaczenie w technologii tego kompozytu. Dlatego
zagadnienie przyczyn zniszczenia betonu należy do problemów
bardzo często dyskutowanych i poświęcono mu wiele prac
badawczych.

należy opóźnione powstawanie ettrin-
gitu, w związku z czym w tym artykule
poświęcimy mu trochę miejsca.

Znaczenie
składu fazowego cementu

Dla trwałości betonu duże znaczenie
ma jego przepuszczalność, decydująca
o szybkości migracji zewnętrznych
wód do wnętrza betonu, które wnoszą
ze sobą agresywne składniki w formie
jonów siarczanowych, chlorkowych
i towarzyszących im kationów. Z tych
ostatnich najbardziej negatywny wpływ
mają magnez i kation amonowy. Brak
kapilar w betonie, a przede wszystkim
kapilar „przelotowych” (przepuszczal-
ność!), które stanowią drogi szybkiej
migracji roztworów do wnętrza beto-
nu, powoduje, że proces korozyjny
jest znacznie wolniejszy i wiąże się
z transportem jonów agresywnych,
głównie drogą dyfuzji. Stąd tak wielkie
znaczenie mają mały stosunek wod-
no-cementowy i duży udział cementu
w betonie.

Powolny transport składników agre-

sywnych do betonu prowadzi jednak
w końcu do przebiegu niekorzystnych

reakcji z jego matrycą cementową.
Z tych względów dla trwałości betonu
podstawowe znaczenie ma także skład
fazowy cementu, przede wszystkim
zawartość glinianu trójwapniowego.

Korozja siarczanowa i chlorkowa

Niekorzystne oddziaływanie roztwo-
rów siarczanowych na beton jest znane
od dawna, a jego intensywność zależy
od rodzaju kationu towarzyszącego
anionom siarczanowym. Do najbar-
dziej agresywnych należą siarczan
amonowy i magnezowy. Korozja prze-
biega szybko, gdy do produkcji beto-
nu stosuje się cement o przeciętnej
zawartości glinianu trójwapniowego,
to znaczy około 8%. Z tego względu
cementy odporne na korozję siarcza-
nową powinny zawierać tej fazy mniej
niż 3%. Odporność betonu wzrasta
wówczas, gdy do jego wytwarzania
stosuje się cement z dodatkami żużla
wielkopiecowego lub popiołu lotnego.
Jednak cementy te mają wolniejszy
przyrost wytrzymałości, co wyklucza
ich stosowanie wtedy, kiedy w grę
wchodzą betony o dużej wytrzymałości
po dwóch dniach, a tym bardziej gdy

prof. dr hab. inż. Wiesław Kurdowski,

dr inż. Henryk Szeląg

Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych,

oddział w Krakowie

T E C H N O L O G I E

W W W

.

I N F R A S T R U K T U R A

.

E L A M E D

.

P L

31

ważna jest ona już po 12 godzinach, jak
ma to miejsce w wypadku podkładów
kolejowych.

Mechanizm korozji siarczanowej

polega na reakcji jonów siarcza-
nowych z wodorotlenkiem wapnia
z utworzeniem gipsu, który z kolei
reaguje z glinianami, dając ettringit.
Gips oraz ettringit są fazami ekspan-
sywnymi i ich krystalizacja prowa-
dzi do powstawania spękań, a więc
do zniszczenia betonu. Gips dodat-
kowo obniży pH roztworu w porach
betonu, co narusza trwałość wszyst-
kich hydratów powstających w wyniku
reakcji cementu z wodą. Obniżenie
pH powoduje także zniszczenie otocz-
ki pasywnej stali, co pociąga za sobą
korozję zbrojenia.

Korozja chlorkowa jest rzadziej

spotykana, a polega ona na powsta-
waniu zasadowych chlorków wapnia
i magnezu, które są ekspansywne.
Ważne jest także obniżenie pH. Z kolei
odwapnienie fazy C-S-H, która nie jest
trwała przy stosunku CaO/SiO

2

< 0,63,

jest niebezpieczne.

Trzeba stwierdzić, że także duża

zawartość alitu nie jest korzystna
z uwagi na odporność korozyjną,
bowiem powstający w wyniku reakcji
tej fazy wodorotlenek wapnia bierze
udział we wszystkich procesach koro-
zyjnych i zmniejsza odporność betonu
na te procesy. Alit jest jednak niezbęd-
ny dla zapewnienia szybkiego wzro-
stu wytrzymałości betonu. Pozostaje
więc tylko możliwość maksymalnego
obniżenia przepuszczalności betonu
poprzez stosowanie małego w/c i dużej
ilości cementu w betonie – nie mniej-
szej niż 400 kg/m

3

.

Wewnętrzna korozja betonu

Są dwa rodzaje wewnętrznej korozji
betonu: reakcja alkaliów z kruszywem
oraz opóźnione powstawanie ettringitu.
W obu tych procesach niezwykłe zna-
czenie ma nie skład fazowy cementu,
lecz zawartość sodu i potasu, to znaczy
jego skład chemiczny.

Jak wiadomo, ettringit jest fazą po-

wstającą bardzo szybko w zaczynie
cementowym i tworzącą kryształy
wykrywalne metodą rentgenowską już
po godzinie hydratacji. Jego zawartość
osiąga stałą wartość po około czterech
minutach, która utrzymuje się do około
sześciu godzin, po czym wzrasta sto-
sunkowo szybko, aby po jednej dobie

osiągnąć maksimum, utrzymujące się
do około 48 godzin.

Z początkiem lat 80. ubiegłego wieku

nastąpił szereg przypadków pękania
strunobetonowych podkładów kole-
jowych w Niemczech oraz w Stanach
Zjednoczonych. Jakie zmiany dopro-
wadziły do tej sytuacji? Główną rolę
odegrały dwa czynniki: wzrost potasu
w cemencie w wyniku zastosowania
krótkich pieców z wymiennikami
cyklonowymi do produkcji klinkieru
oraz zmniejszenie stosunku w/c w be-
tonie w związku z zastosowaniem
superplastyfi katorów. Heinz i Ludwig
wykazali, że przyczyną pękania pod-
kładów kolejowych było opóźnione
powstawanie ettringitu. Brak trwało-
ści ettringitu wyjaśnił Wieker, który
wykazał, że wzrost stężenia NaOH
i KOH w roztworze w porach betonu,
w połączeniu ze wzrostem temperatury
jego obróbki cieplnej, powoduje brak
trwałości ettringitu. Równocześnie oka-
zało się, że wielkość ekspansji i czas jej
wystąpienia zależą od temperatury, któ-
rej poddaje się beton w trakcie obróbki
cieplnej, szczególnie gdy przekracza
ona 70°C.

Z danych zawartych w pracy Wie-

kiera wynika, że w sytuacji gdy stę-
żenie NaOH w roztworze w porach
betonu wynosi 400 mmol/l, ettringit
nie jest już trwały w temperaturze
75°C. Zatem w betonie obok glinianu
C

3

ACa(OH)

2

·12H

2

O występuje portlan-

dyt. Wynika stąd, że w temperaturze
75°C zmieniają się warunki równowagi
w roztworze pomiędzy siarczanami
sodu i potasu a wodorotlenkiem wap-
niowym. Nie będą powstawały wodoro-
tlenki sodu i potasu, co Wieker ujmuje
w formie równania:

[Ca(OH)

2

]s + [2M

+

]c + [SO

4

2-

] 

 [CaSO

4

]s + [2M

+

]c + [2OH

-

]c.

W temperaturze 75°C i wyższej rów-
nowaga ta będzie przesunięta w lewo,
to znaczy że Na

2

SO

4

i K

2

SO

4

pozosta-

ną w formie jonów w roztworze i nie
będą reagowały z jonami wapniowymi.
Stąd także zmiany składu roztworu
w porach betonu, obejmujące przede
wszystkim jony siarczanowe. Nato-
miast portlandyt pozostanie głównie
w fazie stałej.

Co oznacza 400 mmoli NaOH

w litrze roztworu w porach betonu?
Załóżmy, że w/c w betonie wynosi

0,5, stąd w 1 kg cementu będziemy
mieli 200 mmoli Na, czyli 4,6 g Na.
Przeliczając to na podawane w ana-
lizie cementu Na

2

O, uzyskujemy

6,2 g Na

2

O w 1 kg cementu, to zna-

czy trochę więcej niż wynosi do-
puszczalna zawartość sumy tlenków
sodu i potasu zabezpieczająca beton
przed ekspansywną reakcją kruszywa
z wodorotlenkami tych pierwiastków.
A więc także w razie niebezpie-
czeństwa wystąpienia opóźnionego
powst awania ettringitu Na

2

O

e

≤

0,6% stanowi bezpieczną zawartość.
Dodatkowe zabezpieczenie dotyczy
niepełnego przejścia sodu i potasu
do roztworu w trakcie obróbki ciepl-
nej, związanej z pozostającym po tej
obróbce niezhydratyzowanym cemen-
tem w betonie.

Rozważania te pokazują równocze-

śnie, jak duże znaczenie ma w/c w be-
tonie na skład roztworu w jego porach,
a przede wszystkim na stężenia typo-
wych jonów przechodzących stosunko-
wo łatwo do tego roztworu.

Podsumowanie

Omówione zagadnienia pozwalają
na wyciągnięcie następujących wnio-
sków końcowych, mających przede
wszystkim najważniejsze znaczenie
w wypadku betonów o dużej wczesnej
wytrzymałości:
1. Opóźnione powstawanie ettringitu

może być przyczyną zniszczenia
konstrukcji betonowych, przy czym
występuje ono przede wszystkim
w wypadku prefabrykatów poddawa-
nych obróbce termicznej. Zapobiec
zniszczeniu betonu może stosowanie
cementu o małej zawartości alkaliów,
mniejszej od 0,6% ekwiwalentu sodo-
wego.

2. Reakcji kruszyw z alkaliami zapobie-

ga mała zawartość alkaliów w cemen-
cie, mniejsza od 0,6% ekwiwalentu
sodowego.

3. Oporność betonu na korozję siarcza-

nową wymaga stosowania cementu
o małej zawartości glinianu trójwap-
niowego, mniejszej niż 3%.



Summary

Durability and longevity of the concrete are
essential in the technology of that compos-
ite. Therefore, the problem of causes of dam-
age to the concrete is very often discussed
and is a subject of many research.