Bogumiła Chmielewska
Pył krzemionkowy jako niezamierzone
z
ródło wodoru w betonie  analiza zjawiska
spęcherzenia mostowej izolacji przeciwwodnej
SILICA FUME AS UNEXPECTED SOURCE OF HYDROGEN IN CONCRETE
 ANALYSIS OF BLISTERING OF WATERPROOFING MEMBRANE
ON THE VIADUCT
Streszczenie
W ciągu ostatniej dekady wykonano i wbudowano z sukcesem wiele milionów metrów
sześciennych betonu modyfikowanego pyłem krzemionkowym. Opisano korzyści jakie
wynikają ze stosowania pyłu krzemionkowego i rozwiniętej w oparciu o ten modyfikator
technologii betonu wysokowartościowego. W początkowym etapie rozwoju technologii mo-
dyfikacji betonu przy użyciu pyłu krzemionkowego nie rozważano negatywnych skutków
obecności pyłu. Z upływem czasu pojawiły się symptomy wskazujące, iż pył krzemionkowy
może być z
ródłem wodoru w betonie. Występowanie zjawiska okazało się termodynamicznie
prawdopodobne i ujawniło swe znaczenie w praktyce inżynierskiej. W artykule przed-
stawiono analizÄ™ przypadku wydzielania wodoru, jako przyczynÄ™ bardzo intensywnego
spęcherzenia przeciwwodnej izolacji bitumicznej na betonowej płycie estakady.
Abstract
Many millions of cubic meters of concrete modified with silica fume have been placed
over the years. Moreover high performance concrete does not exist without microsilica
additive. The advantage of the use of silica fume in concrete technology is described in
many papers. However, concern has been raised over possible risks of hydrogen forma-
tion due to free silicon containe
dr Bogumiła Chmielewska  Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
Pył krzemionkowy jako niezamierzone z
ródło wodoru w betonie ...
1. Wstęp
Pył krzemionkowy stosowany w technologii betonu już ok. trzydziestu lat jest jednym ze
składników, które umożliwiły wytwarzanie betonów o wysokiej wytrzymałości, zwięk-
szonej trwałości i kontrolowanej płynności konsystencji mieszanki. Właściwościami pyłu,
które decydują o jego aktywnym wpływie na cechy mieszanki betonowej i stwardniałego
betonu sÄ…:
 duża, w porównaniu z cementami, powierzchnia właściwa,
 mała wielkość cząstek pyłu (rzędu 200 nm) i ich amorficzna struktura,
 duża zawartość, reaktywnego w alkalicznym środowisku zaczynu cementowego, SiO2
(80-98%)
Liczne badania nad rolą pyłu krzemionkowego w kształtowaniu właściwości betonu
wskazują [1, 2, 3, 4], iż pył wpływa na hydratację cementu, mikrostrukturę stwardniałego
zaczynu cementowego oraz obszaru przejściowego na granicy kruszywo-zaczyn. W efekcie
dodatek może zwiększyć: wytrzymałość betonu, moduł sprężystości, przyczepność betonu
do betonu starego, jak i przyczepność stwardniałego zaczynu do kruszywa lub włókien,
a także wodoszczelność, odporność na korozję, w tym wewnętrzną oraz odporność na
ścieranie. W wyniku zastosowania pyłu zmniejszeniu ulega głębokość karbonatyzacji
betonu, maleje współczynnik dyfuzji jonów chlorkowych, a ze względu na zmniejszony
współczynnik w/c maleje pełzanie.
Jednakże szereg badań wskazuje, iż skutki stosowania pyłu mogą mieć ograniczone
znaczenie, a niekiedy mogą być przyczyną wystąpienia zjawisk niekorzystnych. Persson
[5], na podstawie badań porównawczych wytrzymałości na ściskanie i rozłupywanie
betonów z pyłem i bez pyłu krzemionkowego, prowadzonych na próbkach w wieku od
1 do 90 miesięcy, zauważa, że współczynnik efektywności działania pyłu maleje z czasem
i z obniżeniem w/c. Istotny wpływ pyłu na przyrost wytrzymałości betonu obserwowa-
ny w ciągu pierwszych 3 miesięcy nie skutkuje wyższą wytrzymałością betonu po 90
miesiącach. W długoterminowych badaniach zauważono spadki wytrzymałości betonu
z pyłem, co niwelowało początkowy efekt dodatku. Ponadto, 10% dodatek pyłu powo-
dował spadek stosunku wytrzymałości na rozłupywanie do wytrzymałości na ściskanie
betonów o wysokiej wytrzymałości. Zaobserwowano również [6], że po początkowym
zagęszczeniu obszaru przejściowego kruszywo-zaczyn cementowy, na skutek działania
pyłu krzemionkowego, w dojrzałym betonie porowatość obszaru przejściowego była
wyższa od porowatości tego obszaru w betonie bez pyłu. Przyczyn upatruje się w zjawi-
sku samoosuszania betonu o niskim w/c oraz w skurczu autogenicznym, wywołującym
mikrorysy w stwardniałym zaczynie [5, 6, 7, 8]. W tym kontekście rozpatrywany jest
również wpływ opóz
nionej hydratacji cementu [9] i opóz
nionej reakcji alkalicznej aglo-
meratów pyłu i związane z tym efekty pęcznienia [10, 11].
Ujemną cechą betonów z dodatkiem pyłu krzemionkowego jest także eksplozyjne
niszczenie tych betonów w czasie pożaru [12-15]. Innym negatywnym zjawiskiem, jest
możliwość wydzielania wodoru w betonie modyfikowanym pyłem krzemionkowym.
y
ródłem gazu jest wolny krzem stanowiący zanieczyszczenie pyłu, który jest produktem
odpadowym w procesie produkcji krzemu i żelazokrzemu. Zjawisko jest odnotowane
w literaturze światowej w kilku publikacjach, lecz do tej pory szerzej nierozpoznane [16-
19]. W niniejszej pracy przedstawiono przypadek, w którym pył krzemionkowy stał się
przyczyną powstania pęcherzy  wodorowych na izolacji przeciwwodnej wiaduktu.
3
Bogumiła Chmielewska
2. Opis przypadku
W roku 2003 stwierdzono występowanie pęcherzy, zawierających gaz pod ciśnieniem, na
ponad 3000 m2 powierzchni przeciwwodnej izolacji bitumicznej ułożonej na żelbetowej
płycie estakady (fot. 1).  Poduszki gazu miały zróżnicowaną średnicę, często dochodzącą
nawet do 1 m. Po przekłuciu pęcherza wydzielający się gaz palił się charakterystycznym
bezbarwnym płomieniem. Analizy chromatograficzne wykonane w dwóch niezależnych
laboratoriach wykazały w próbkach gazu obecność głównie wodoru (około 40%) i azotu
(około 50%) oraz małe ilości węglowodorów C1-C5 i tlenu.
Fot.1. Pęcherze gazowe na
izolacji bitumicznej
Estakadę wykonano z betonu klasy C50/60 o zawartości cementu 450 kg/m3, mo-
dyfikowanego 7% dodatkiem pyłu krzemionkowego, superplastyfikatorem i domieszką
napowietrzajÄ…cÄ…. Wykorzystano kruszywo bazaltowe i piasek kwarcowy. Mikrostruktura
Fot. 2. Mikrostruktura pod-
kładu betonowego
4
Pył krzemionkowy jako niezamierzone z
ródło wodoru w betonie ...
stwardniałego betonu charakteryzowała się niewielką porowatością i dużą szczelnością
obszaru przejściowego pomiędzy matrycą cementową a ziarnem kruszywa (fot. 2). Papę
termozgrzewalną ułożono przy użyciu palników zasilanych propanem na podkład po-
kryty bitumicznym środkiem gruntującym. Prace te prowadzono w czasie gorących dni
maja i czerwca (temperatura powyżej 30°C), gdy beton miaÅ‚ od jednego do kilku mie-
sięcy. Tworzenie się pęcherzy rozpoczęło się po około dziesięciu dniach od zakończenia
prac. Należy dodać, że zjawisko powstawania  poduszek wodorowych nie wystąpiło
na drugiej nitce estakady, betonowanej w taki sam sposób, ale rok wcześniej.
3. Mechanizmy pęcherzenia izolacji bitumicznych
Rozpatrywane są cztery główne mechanizmy powstawania pęcherzy na izolacjach bitu-
micznych: termiczny, dyfuzyjny, osmotyczny i chemiczny [20].
Mechanizm termiczny występuje gdy izolacja układana jest na nierównym podłożu
(rysy, uskoki, kawerny, pory), w wyniku czego tworzÄ… siÄ™  kieszenie zawierajÄ…ce powie-
trze i wilgoć [21]. W czasie gorącego dnia uwięzione powietrze i para wodna zwiększają
swoją objętość. Rozgrzana i uelastyczniona powłoka pod wpływem ciśnienia gazów ulega
odkształceniu i tworzą się pęcherze. Nocne ochłodzenie powoduje zmniejszenie objętości
gazów, a równoczesny wzrost sztywności powłoki uniemożliwia powrót materiału do
pierwotnego kształtu. Może być to przyczyną powstania w pęcherzach podciśnienia, które
powoduje migrację wilgoci i powietrza z podłoża betonowego do pęcherza, a przez to
przy ponownym ogrzaniu powoduje wzrost pęcherza.
Mechanizm dyfuzyjny ma miejsce, gdy stosowane są środki gruntujące lub powłoki
o dużej zawartości rozpuszczalników. Składniki o niskiej lepkości penetrują głęboko w pod-
łoże betonowe. Powstanie gradientu temperatury, w wyniku ogrzania powierzchni betonu
pokrytego powłoką, powoduje dyfuzję lotnych składników do zarodków pęcherzy.
Zjawisko osmozy jako przyczyna powstawania pęcherzy występuje, gdy pod po-
włoką, na powierzchni betonu tworzy się membrana półprzepuszczalna. Jest to rodzaj
bariery o szczególnym rozkładzie porów i kapilar, która umożliwia przepływ cząsteczek
wody, a jest nieprzepuszczalna dla substancji rozpuszczonej w wodzie. Powierzchnia
betonu, a w szczególności pokryta środkiem gruntującym może stanowić rodzaj takiej
membrany. Jeśli roztwory po dwóch stronach membrany mają różne stężenie, to dążenie
układu do ich wyrównania jest możliwe jedynie przez przepływ wody przez membranę
i rozcieńczanie roztworu, nie jest natomiast możliwy odwrotny przepływ roztworu. Jest
to przyczyną powstawania ciśnienia osmotycznego, które może osiągać kilka MPa i po-
wodować delaminację [22].
Pęcherze mogą także powstawać w wyniku chemicznych reakcji między składnikami
układu. Zależnie od produktów reakcji pęcherze mogą być suche lub mokre, zawierać
gaz, żel lub roztwór.
4. Analiza przypadku
Powstawanie pęcherzy na izolacjach bitumicznych układanych na dachach, drogach czy
płytach mostów jest zjawiskiem stosunkowo częstym [23]. Pęcherze zawierają z reguły
powietrze i parę wodną lub rozpuszczalniki, a ich przyczyn upatruje się najczęściej w me-
chanizmach termicznym i dyfuzyjnym. Pęcherze osmotyczne są natomiast zwykle  mo-
5
Bogumiła Chmielewska
kre . W opinii autora najbardziej prawdopodobnym mechanizmem powstania  poduszek
wodorowych jest mechanizm chemiczny. Jest to szczególnie uzasadnione tym, że warstwa
środka gruntującego wewnątrz pęcherzy była  lepiąco-sucha tzn. wykazywała dobre
właściwości klejące. Ponadto, pęcherze tworzyły się ponownie po wykonaniu naprawy,
która polegała na wycięciu pęcherzy i bardzo starannym przyklejeniu w to miejsce łat.
Aby wyeliminować wady cała izolacja musiała być usunięta. Nową izolację ułożono na
beton po bardzo głębokim oczyszczeniu powierzchni (frezowanie, piaskowanie, lance
wodne). Po tych zabiegach zaobserwowano już tylko nieliczne pęcherze.
Jako przyczyny zjawiska rozpatrywano dwie hipotezy:  proces gorÄ…cy i  proces
zimny . Pierwsza hipoteza zakładała, że z
ródłem wodoru była degradacja składników
systemu izolacji zainicjowana podczas układania izolacji, przez przegrzanie papy i środka
gruntującego palnikami (>200oC). Arkusze papy składają się głównie z masy bitumicznej
modyfikowanej kopolimerem SBS, zbrojonej włókniną poliestrową. Środek gruntujący
stanowił natomiast roztwór bitumów modyfikowanych kopolimerem SBS w mieszaninie
rozpuszczalników organicznych.
Druga hipoteza zakładała przebieg reakcji chemicznej między składnikami betonu,
w zakresie temperatury odpowiadającej wykonywaniu, dojrzewaniu i użytkowaniu be-
tonu. Założono, ze temperatura ta nie była wyższa od 60oC. Najbardziej prawdopodob-
nymi reakcjami w tych warunkach są reakcje wolnego krzemu ze składnikami matrycy
cementowej.
5. Weryfikacja hipotez
5.1. Procesy gorÄ…ce
W celu ustalenia czy składniki izolacji mogą być z
ródłem wodoru, przeprowadzono dwa
eksperymenty. Dla czterech układów: grunt, papa, papa + grunt oraz papa wyekstraho-
wana toluenem ustalono za pomocą analizy DSC (skaningowa kalorymetria różnicowa),
że w temperaturze:
150 ÷ 170°C nastÄ™puje odparowanie rozpuszczalników z ukÅ‚adu,
255 ÷ 264°C stopieniu ulega włóknina poliestrowa,
350 ÷ 440°C makroczÄ…steczki ulegajÄ… procesom utleniania i degradacji.
W kolejnym eksperymencie próbki papy oraz papy w środowisku środka gruntującego
poddawane były oddziaływaniu wybranych temperatur, a wydzielające się gazy analizo-
wano za pomocą chromatografii gazowej (tabela 1). Celem analizy było wykrycie i ozna-
czenie wodoru w gazach, nie identyfikowano natomiast innych produktów degradacji.
W badaniach tych wodór nie został wykryty, a zatem hipotezę o  gorącym procesie jako
z
ródle wodoru uznano za nieprawdziwą.
Tabela 1. Symulacja obciążeń termicznych izolacji bitumicznej
Warunki Symulowane warunki podczas układania Stężenie wodoru
i użytkowania izolacji
60°C; 3 doby gorÄ…ce dni nie wykryto
150°C; 5 godzin ogrzewanie palnikiem bez stapiania nie wykryto
370°C; 15 minut przegrzanie powierzchni palnikiem nie wykryto
6
Pył krzemionkowy jako niezamierzone z
ródło wodoru w betonie ...
5.2. Procesy zimne
Wolny krzem w postaci proszku w alkalicznym środowisku wodnym ulega reakcji
z wydzieleniem wodoru.
Si + 2Ca(OH)2 = Ca2SiO4 + 2H2
Si + 4 NaOH = Na4SiO4 + 2H2
Pył krzemionkowy może zawierać niewielkie ilości wolnego krzemu, a stąd w reakcji
z zaczynem cementowym uwalniać gaz. Zawartości wolnego Si w pyłach pochodzących
z różnych z
ródeł szacowano [17, 18] na 0,02 do 0,60% (masowy) oraz przytoczono przy-
kłady kilkukrotnego przekroczenia tego poziomu. Dane polskie dotyczące zmienności
składu chemicznego pyłów z lat 1971-1998, ujęte w pracy [1], kwitują zagadnienie formułą
 nie podano , natomiast zestawienie danych ze z
ródeł zagranicznych podaje zawartość
Si sumarycznie z zawartością SiC i wynosi ona 0,1 do 2,3%. Według PN-EN 13263-1
dopuszczalna zawartość Si w pyle wynosi 0,4%.
Przyjmując zawartość Si w pyle, np. 0,5% można obliczyć potencjalną ilość wydzie-
lonego w betonie wodoru. Zakładając dodatek pyłu wynoszący 7% masy cement do
mieszanki betonowej o zawartości cementu 450 kg/m3, to ilość wolnego krzemu wynosi
158 gram. 1 mol krzemu powoduje powstanie 2 moli wodoru, tak więc 158 gram Si
powoduje wydzielenie 11 moli tj. 275 dm3 H2 w 1 m3 betonu (tabela 2). Ta potencjalna
objętość gazu wydaje się całkowicie wystarczająca do spowodowania powstania pęcherzy.
Wyniki obliczeń mogą się istotnie zmienić jeśli założy się mniejszą lub większą od 0,5%
zawartość Si w pyle (Tabela 2).
Tabela 2. Objętość wodoru, która może być uwolniona z 1 m3 betonu zawierającego 450
kg /m3 cementu, w zależności od zawartości pyłu krzemionkowego w mieszance oraz
zawartości wolnego krzemu w pyle (z dokładnością do liczb całkowitych)
Zawartość w betonie Zawartość Si w pyle Zawartość Zawartość Objętość
pyłu krzemionkowego, krzemionkowym, % Si w H2 w H2
% m.c. 1 m3 betonu, g 1 m3 betonu, g dm3
0,02 4 0,5 6
4
0,5 90 13 143
3 540 77 861
0,02 6 1 10
7
0,5 158 22 251
3 945 135 1507
0,02 14 2 22
15
0,5 338 48 538
3 2025 288 3238
W literaturze odnotowano przypadki emisji wodoru w betonie, w wyniku których
doszło do [17, 18] trzech wybuchów w szwedzkich wytwórniach elementów prefabryko-
wanych, a także o otrzymaniu betonu towarowego o zbyt wysokim  napowietrzeniu .
W obawie o wystąpienie kruchości wodorowej stali wstrzymano prace przy torkretowaniu
mostu we Francji i podjęto badania, w wyniku których nie stwierdzono jednak zagrożenia
dla stali. O wadze problemu świadczy także fakt, iż przytaczane publikacje są podstawą
dyskusji komitetu ACI 234 i będą uwzględniane w podejmowanych projektach.
7
Bogumiła Chmielewska
W celu potwierdzenia czy pył krzemionkowy zastosowany przy budowie wiaduktu
mógł być z
ródłem wodoru, zbadano uwarunkowania termodynamiczne reakcji wolnego
krzemu z wodą i wodorotlenkiem wapnia oraz przeprowadzono eksperyment, który
obejmował reakcje pyłu krzemionkowego w środowisku:
 stężonego roztworu wodorotlenku sodu (2 mol/dm3); przez 3 h w 60oC,
 matrycy cementowej (w/c = 1; 15% m.c. pyłu krzemionkowego); przez 10 dób w tem-
peraturach 15, 20, 40 i 60oC,
 składników betonu C50/60 (w/c 0,34; 7% m.c. pyłu krzemionkowego); przez 40 dni
cykle cieplne obejmowały temperaturę pokojową i ogrzewanie do 60oC.
Analiza chromatograficzna gazów pobieranych z izolowanego środowiska reakcji
wykazała, że we wszystkich badanych przypadkach wydziela się wodór. Wzrost tempe-
ratury z 20 do 60oC powodował istotne zwiększenie ilości uwalnianego wodoru z matrycy
cementowej. Zawartość wodoru w szczelnych workach, stanowiących opakowanie próbek,
wyniosła odpowiednio 0,5 i 4,5%. Beton badany był w postaci kostki (150x150x150 mm).
Od 7 do 25 dnia dojrzewania kostka przechowywana była w temperaturze 60oC. Przez
cały ten czas materiał wykazywał stałą emisję wodoru. Przez kolejne dni (od 26 do 37)
beton przechowywano w warunkach laboratoryjnych. Ponownie zaizolowany i ogrzany
do 60oC emitował wodór.
W dalszej części badań przeprowadzono obliczenia potencjału termodynamicznego
("G) i stałej równowagi chemicznej (K) dla reakcji krzemu z wodą i wodorotlenkiem
wapnia, które prowadzą do powstania krzemianów wapnia o różnym stopniu uwodnienia
i proporcji CaO:SiO2.
" Go(T) = " Ho(T) + T" So(T)
r r r
gdzie: " G(T)  potencjał termodynamiczny, " H(T)  standardowa entalpia, " S(T)  stan-
r r r
dardowa entropia; liczone dla temperatury reakcji T.
Dla dowolnej reakcji (Reagent 1+Reagent 2 Produkt 1+ Produkt 2), gdy "G jest
mniejsze od zera reakcja przebiega spontanicznie tzn. ze wzrostem ilości produktów, aż
do całkowitego zaniku substratów. Gdy "G jest dodatnie spontanicznie przebiega reakcja
odwrotna tzn. Produkt 1 reaguje z Produktem 2, w wyniku czego stężenie składników
po lewej stronie równania rośnie. Stan, w którym stężenia reagentów po obu stronach
równania nie ulegają zmianie jest stanem równowagi; jest osiągnięty gdy "G wynosi zero.
W stanie równowagi:
" G=0= " G0+RTlnK
r r
gdzie: K  stała równowagi reakcji, R  stała gazowa.
Ponieważ rozważane reakcje chemiczne zachodzą zgodnie z równaniem:
czyste, skondensowane substraty = czyste, skondensowane produkty + n H2(g),
to stała równowagi przyjmuje postać:
gdzie P(H2) jest ciśnieniem wodoru w układzie w stanie równowagi.
8
Pył krzemionkowy jako niezamierzone z
ródło wodoru w betonie ...
Tabela 3. Logarytm z ciśnienia równowagowego wodoru dla wybranych reakcji
Nr Reakcje log P(H2)
298,15 K 373,15 K
1 33,29 27,31
2 31,80 26,28
3 29,89 24,89
4 24,09 20,47
5 30,09 24,56
6 30,90 25,23
7 30,50 25,19
8 28,79 23,66
*
obliczenia na podstawie danych z Thermochemical properties of inorganic substances, Springer Verlag,
1973, (encl.7) by I. Barin, O. Knacke
Z obliczeń wynika (tabela 3), że równowagowe ciśnienie wodoru w zakresie tempe-
ratury 25 ÷100oC jest bardzo wysokie (1033 ÷ 1020 barów) i zależy od rodzaju reakcji i tem-
peratury [24]. Wszystkie reakcje są egzotermiczne  stała równowagi reakcji, która jest
proporcjonalna do równowagowego ciśnienia wodoru jest malejącą funkcją temperatury.
W badanym zakresie temperatury ciśnienie równowagowe wodoru jest nieporównywalnie
wyższe od atmosferycznego i nie jest możliwe, aby w zakładanych warunkach gaz osią-
gnął tak wysokie ciśnienie. Wskazuje to na samorzutny charakter analizowanych reakcji,
które przebiegają do wyczerpania produktów reakcji tzn. do zużycia wolnego krzemu.
Na podstawie powyższych badań stwierdzono, że hipoteza  zimnego procesu jako
przyczyny powstawania  poduszek wodorowych pod izolacją płyty estakady jest wy-
soce prawdopodobna. Fakt, że w modelowych badaniach pyłu krzemionkowego [17, 19]
w wydzielających się gazach, oprócz wodoru, stwierdzono duże ilości azotu i niewielkie
ilości tlenu desorbujących się z pyłu, może stanowić przyczynek do wyjaśnienia tego, że
w  poduszkach wodorowych , oprócz wodoru, znajdowała się duża ilość azotu. Obecność
azotu można w kategoriach ogólnych odnosić się do składu powietrza po zużyciu tlenu
w reakcji spalania.
6. Laboratoryjna symulacja zjawiska powstawania
 poduszek wodorowych
W celu laboratoryjnej symulacji warunków powstawania  poduszek wodorowych wyko-
nano płytę betonową (powierzchnia 1 m2, grubość 5 cm) według receptury betonu klasy
C50/60, wbudowanego na estakadzie. Po 7 dniach dojrzewania na powierzchni betonu
ułożono izolację, stosując się do zaleceń producenta. Następnie przez kilka godzin dziennie
powierzchnia płyty była nagrzewana do temperatury 60oC. Pęcherze uformowały się po
trzech dniach (fot. 3). Analiza próbek gazów z jednego z pęcherzy po 14, 20 i 24 dniach
wykazała stałą obecność wodoru, pomimo rozszczelniania układu podczas badania.
9
Bogumiła Chmielewska
Powłokę izolacyjną ułożono także na betonie C50/60, sezonowanym w laboratoriom
przez dwa lata. Pęcherze nie utworzyły się pomimo prób układania izolacji z zastosowa-
niem nadmiaru środka gruntującego, przegrzaniem materiałów izolacyjnych i zastoso-
waniu cykli cieplnych.
Fot. 3. Próba laboratoryjna symulująca procesu powstawanie  poduszek wodorowych pod
izolacją bitumiczną ułożoną na betonie modyfikowanym pyłem krzemionkowym
10
Pył krzemionkowy jako niezamierzone z
ródło wodoru w betonie ...
7. Wnioski
W wyniku przeprowadzonych badań eksperymentalnych oraz obliczeń teoretycznych
przeanalizowano dwa procesy  zimny i  gorący , mogące być przyczyną powstawania
 poduszek wodorowych na płycie żelbetowej z bitumiczną izolacją przeciwwodną.
Jako prawdopodobny uznano  proces zimny , polegający na wydzielaniu wodoru z płyty
podłoża betonowego wykonanego z betonu modyfikowanego pyłem krzemionkowym
zanieczyszczonym wolnym krzemem. Jako nieuzasadniony uznano  proces gorÄ…cy ,
polegający na rozkładzie termicznym prowadzącym do wydzielania wodoru w czasie
układania materiałów bitumicznych.
Choć znaczne ilości betonu modyfikowanego pyłem krzemionkowym ułożono bez
negatywnych czy niebezpiecznych skutków, to przedstawione zjawisko jest ważne i warte
dalszych badań. Zagadnieniem, które należałoby rozpoznać szczegółowo jest kinetyka
wydzielania oraz proces transportu wodoru w betonie. Odpowiedzi wymagajÄ… pytania: czy
normowe ograniczenia zawartości krzemu w pyle stanowią wystarczające zabezpieczenie
przed potencjalnymi awariami zwiÄ…zanymi z wydzielaniem siÄ™ wodoru w betonie, czy
też w określonych okolicznościach jak np. układanie ciągłej izolacji, szczególna geometria
elementu betonowego, sposób wentylacji w obszarach gromadzenia się gazu, powinny
zostać podjęte szczególne środki zapobiegające kumulacji gazu.
Artykuł został przygotowany w ramach grantu MNiSW Nr 4 T07E05330
Literatura
[1] Nocuń-Wczelik W.: Pył krzemionkowy  właściwości zastosowanie w betonie, Polki Cement, Kraków
2005.
[2] Giergiczny Z., Małolepszy J., Szwabowski J., Śliwiński J.: Cementy z dodatkami mineralnymi w tech-
nologii betonów nowej generacji, Górażdże Cement, Opole 2002.
[3] Aitcin P-C.: Developments in the application of high-performance concretes, Constructions and Build-
ing Material, 1 (9), 1995, 13-17.
[4] Bentz P., Jenen O.M., Coat A.M., Glasser F.P.: Influence of silica fume on diffusivity in cement-base
materials I. Experimental and computer modeling studies on cement paste, Cement an Concrete
Research, 30, 2000, 953-962.
[5] Person B.; Seven-Year study on the effect of silica fume in concrete, Advanced Cement Based Material,
7, 1998, 139-155.
[6] Bentz D., Stutzman P.: Cement an Concrete Research, 24, 1994, 1044-1050.
[7] Jenen O.M., Hanen P.F.: Autogenou deformation and change of the relative humidity in silica fume
 modified cement paste, ACI Materials Journal, 93 (3), 1996, 539-543.
[8] Hua C., Acker P., Ehrlacher A.: Analyses and models of the autogenous shrinkage of hardening cement
paste, Cem. Concr. Res. 7 (25) 1995, 1457-1468.
[9] Igarashi S., Kubo H.R., Kawamura M.: Long-term volume changes and microcracks formation in high
strength mortars, Cem. Concr. Res. 30, 2000, 943-951.
[10] Rangaraju P.R., Olek J.: Evaluation of the potential of densified silica fume to cause alkali silica reaction
in cementitious matrices using a modified ASTM C 1260 test procedure, Cem., Concr. Aggreg. 22 (2),
2000, 150-159.
[11] Diamond S., Sahu S., Thaulow N.: Reaction products of densified silica fume agglomerates in concrete,
Cem. Concr. Rese., 34, 2004, 1625-1632.
[12] Poon Ch-S, Azhar S., Anson M., Wong Y-L.: Comparison of the strength and durability performance of
normal- and high strength pozzolanic concretes at elevated temperature, Cement Concrete Research,
31, 2001, 1291-1300.
[13] Husem M.: The effects of high temperature on compressive and flexural strengths of ordinary and
high performance concrete, Fire Safety Journal, 41, 2006, 155-16.
11
Bogumiła Chmielewska
[14] Śliwiński J., Ehrenfeld W.: Zachowanie się betonu wysokowartościowego z dodatkiem mikrokrzemionki
w warunkach wysokiej temperatury, CWB, 3, 1998, 103-107.
[15] Hertz K.D.: Limits of spalling of fire-exposed concrete; Fire Safety Journal, 38, 2003, 103-116.
[16] Buil M., Witier P., Paillere A.M.: Study of the production of hydrogen gas by the silica fume in cemen-
titious materials, Laboratoire Central des Ponts et Chaussees, CANMET, September 1992.
[17] Edwards-Lajnef, M., Aitcin P.C., Wenger F., Viers, P., Galland, J.: Test Method for the Potential Release
of Hydrogen Gas from Silica Fume, Cement,Concrete and Aggregate, 2 (19), 1997, 64-69.
[18] Fidjestłl P. Jłrgensen O.: Hydrogen Evaluation in Concrete Due to Free Silicon Metal in Microsilica,
Cement,Concrete and Aggregate, 2 (19), 1997, 70-75.
[19] Zhang M-H., Malhotra V.M., Wolsiefer S.J.: Determination of free silicon content in silica fume and
its effect on volume of gas released from mortars incorporating silica fume, ACI Materials Journal,
5 (97), 2000, 576-586.
[20] Czarnecki L., A
ukowski P., Świetłow A.: Pęcherzenie powłok żywicznych i sposoby zapobiegania
temu zjawisku.  Ochrona przed KorozjÄ… , nr 10/1989.
[21] Korhonen C. J., Buska J.S., Cortez E.R., Greatorex A.R.: Procedures for the evaluation of sheet membrane
waterproofing. Special Raport 99-11. US Army Corps of Engineering,1999.
[22] Fleming D.: Shedding Lights on Osmosis in Resin Flooring. Protective Coating Europe, 2 (9), 2004.
[23] Laukkanen K., Paroll H., Pitkänen P., Vesikar E.: Prevention of bridge deck sheet membrane water-
proofing blistering. Finnish National Road Administration, Helsinki Final report 45/1998.
[24] Ufnalski W.: Analiza termodynamiczna procesów wydzielania gazowego wodoru w wyniku reakcji
krzemu z wodÄ… lub wodorotlenkiem wapnia, Politechnika Warszawska, 2004.
12