Korozja materiałów budowlanych.

Korozja (łac. corrosio – zżeranie) – procesy stopniowego niszczenia materiałów, zachodzące między ich powierzchnią i otaczającym środowiskiem. Zależnie od rodzaju materiału dominujące procesy mają charakter reakcji chemicznych, procesów elektrochemicznych, mikrobiologicznych lub fizycznych (np. topnienie i inne przemiany fazowe, uszkodzenia przez promieniowanie).

Pojęcie „korozja” jest stosowane w odniesieniu do niszczenia struktury:

• metali – mechanizm elektrochemiczny lub chemiczny

• materiałów niemetalicznych, np.:

• betonu i żelbetu – chemiczne i fizykochemiczne niszczenie spoiwa i kruszywa, elektrochemiczna korozja zbrojenia

• drewna (zgnilizna korozyjna drewna) – procesy mikrobiologiczne i chemiczne

• skał, szkła, tworzyw sztucznych – topnienie, rozpuszczanie, ługowanie

Szybkość korozyjnego niszczenia wieloelementowych konstrukcji zależy od rodzaju kontaktujących się ze sobą materiałów, od sposobu łączenia elementów i innych czynników, Jest to brane pod uwagę w czasie projektowania np. poszycia z blach nitowanych lub spawanych, rurociągów łączonych śrubami, budynków z metalową instalacją wodociągową, wykonanych np. z cegieł (kontakt cegła–spoiwo–metal), żelbetu (kontakt: kruszywo–spoiwo–metal) lub z muru pruskiego (kontakt: cegła–spoiwo–drewno).

Korozją materiału nazywamy zniszczenia materiału w czasie jego eksploatacji, wywołane działaniem czynników zewnętrznych: użytkownika i środowiska.

Korozja fizyczna:

Do fizycznych czynników odpowiedzialnych za korozję materiału (np. betonu) zaliczamy:

- siły zewnętrzne i związane z tym odkształcenia materiału,

- różnice temperatur budowli wskutek nierównomiernego nasłonecznienia,

- zmienne zawilgocenie materiału (cykliczne pęcznienie i skurcz),

- zamarzanie w szczelinach budowli i porach betonu wody pochodzącej z kondensacji pary wodnej lub opadów oraz wymywanie składników,

- mechaniczne uszkodzenia budowli przez przepływającą wodę, lód lub uderzenia wiatru.

Korozja fizyczna polega na niszczeniu materiału wskutek procesów fizycznych bez udziału reakcji chemicznych. Najbardziej typowym przykładem korozji fizycznej jest rozsadzające działanie zamarzającej wody. Im większą nasiąkliwość wykazuje kamień, tym mniejsza jest jego odporność na zamarzanie. Kamienie o strukturze warstwowej pękają zwykle w płaszczyźnie uwarstwienia. Bardzo szkodliwe jest działanie mrozu na kamienie zawierające grudki gliny i obce domieszki. Drugim przykładem korozji fizycznej jest często występujące rozluźnienie struktury kamienia wskutek zmian temperatury. Współczynniki rozszerzalności termicznej kamieni są wprawdzie nieznaczne i wynoszą , ale pomiędzy poszczególnymi minerałami wchodzącymi w skład skały różnice w rozszerzalności mogą być dość znaczne. Skały jednorodne i drobnoziarniste są odporne na zmiany temperatury, natomiast w skałach złożonych z kilku minerałów i spoiwach o różnych współczynnikach rozszerzalności, a zwłaszcza zawierających większe kryształy rozszerzające się niejednakowo w kierunku osi krystalograficznych, np. kalcyt, mika lub skaleń, zmiany temperatury powodują utratę spoistości. Objawia się to w postaci rys i odprysków. Rozluźnienie struktury poważnie zmniejsza odporność na zamarzanie i wtedy obie przyczyny powodują szybkie niszczenie kamienia.

Korozja biologiczna

Do czynników biologicznych wywołujących uszkodzenia budowli lub materiału zaliczamy obecność w środowisku organizmów żywych; bakterii, glonów i grzybów oraz korzeni roślin.

Wywołana przez organizmy żywe, korozja biologiczna ogranicza się głównie do działania roślin i bakterii. Roślinność pojawiająca się na kamieniu oddziałuje ujemnie na jego wygląd i trwałość, co objawia się głównie na wapieniach. Nawet na gładkich kamieniach osiadają mchy i porosty, których korzenie wydzielają kwasy i dwutlenek węgla niszczące kamień.

Korozja chemiczna

Do czynników chemicznych zaliczamy:

- ługujące działanie wód miękkich pochodzących z opadów atmosferycznych lub z kondensacji pary wodnej w chłodniach kominowych w przemyśle,

- działanie substancji chemicznych zawartych w wodach powierzchniowych, gruntowych, w ściekach, w gruntach oraz w atmosferze.

Korozja chemiczna jest ściśle związana z zatruciem środowiska i zasięg jej stale się zwiększa. Korozja chemiczna zachodzi niemal wyłącznie przy udziale wody, dlatego też zabezpieczenie przed wilgocią jest podstawą ochrony.

Z ważniejszych czynników powodujących korozję chemiczną należy wymienić dwutlenek węgla CO₂ , który rozpuszczony w wodzie rozpuszcza wapienie, marmury, dolomity, piaskowce o lepiszczu wapiennym. Woda deszczowa (gruntowa) zawierająca dwutlenek węgla reaguje z węglanem wapnia

CaCO₃ + H₂O +CO₂ ↔ Ca(HCO₃)₂

tworzą łatwo rozpuszczalny kwaśny węglan wapniowy. Powoduje to rozmywanie kamieni lub ich składników, co można łatwo zaobserwować na starych budowlach kamiennych dwutlenek siarki SO₂. Siarka przy spalaniu przechodzi w dwutlenek siarki, a ten z wodą łączy się w kwas siarkowy H₂SO₃ , który utlenia się częściowo do kwasu siarkowego H₂SO₄. Oba te kwasy powodują bardzo silną korozję niemal wszystkich materiałów budowlanych, a kamienie zawierające węglan wapniowy, reagując z nim:

CaCO₃ +H₂SO₄ ↔ CaSO₄ +H₂O +CO₂.

Szybkość chemicznych procesów korozyjnych betonu zależy od wielu czynników materiałowych i środowiskowych:

- składu chemicznego spoiwa - cementu (cement portlandzki, hutniczy, glinowy) i kruszywa (kruszywo kwarcowe, wapienne, zwarte, porowate),

- struktury betonu (luźna, zwarta, porowata),

- wieku betonu; istnieje optimum wieku betonu pod względem odporności korozyjnej - beton młody jest bardzo podatny na działania ługujące ze względu niezupełne stwardnienie spoiwa i wysoką zawartość wodorotlenku wapnia, beton stary natomiast podatny jest na korozję ze względu na dużą porowatość. Beton stary jest jednak dużo mniej podatny na ługowanie,

- składu chemicznego i stężenia środowiska a także jego stanu skupienia (gaz, ciecz, grunt agresywny) oraz dynamiki zmian (zmiana stężenia, przepływ, środowisko statyczne). Im większa dynamika zmian tym większa szybkość korozji.

Korozji betonu można zapobiegać w następujący sposób:

• stosując odpowiedni do składu środowiska rodzaj cementu, np.: hutniczy, glinowy,

• stosując kruszywo odporne w danym środowisku,

• stosując odpowiedni skład granulometryczny kruszywa i niski stosunek: woda/cement (wraz z ewentualnym dodatkiem superplasyfikatorów),

• stosując technologie zwiększające szczelność: wibrowanie, wstrząsanie, obróbka hydrotermalna,

• stosując powłoki ochronne organiczne i nieorganiczne,

• stosując rozwiązania konstrukcyjne zapobiegające gromadzeniu wilgoci lub okresowemu wysychaniu i zawilgacaniu materiału.

KLASYFIKACJA MOSKWINA:

Korozja I rodzaju (ługująca) - Są to procesy, przy których składniki stwardniałego zaczynu cementowego rozpuszczają się pod wpływem środowiskowej wody i ditłenku węgla i są wyługowywane z betonu. Procesy te przebiegają niezmiernie wolno lecz prowadzą do niszczenia konstrukcji budowlanych na skutek przechodzenia węglanu wapnia do roztworu pod wpływem ditlenku węgla i wody, która pełni rolę doskonałego rozpuszczalnika większości soli i niektórych składników zawartych w materiałach budowlanych.

Korozja II rodzaju (kwasowa) - Są to zjawiska związane z reakcjami wymiany między składnikami betonu a środowiskiem agresywnym oraz z powstawaniem łatwo rozpuszczalnych soli lub produktów nie wykazujących własności wiążących (działanie wielu kwasów, zasad i soli). Agresja kwasowa jest silniejsza niż korozja ługująca i może szybciej doprowadzić beton do zniszczenia. Węglan wapnia reaguje łatwo z kwasami znajdującymi się w opadzie atmosferycznym.

Korozja III rodzaju (siarczanowa) - Są to procesy związane z powstawaniem źle rozpuszczalnych soli, krystalizujących w porach betonu. Najgroźniejszą solą dla materiałów budowlanych jest siarczan sodu, który wraz ze stopniem uwodnienia zmienia objętość uwodnionej formy. Zjawisko to jest groźniejsze niż zamarzanie i topnienie wody zimą.

Tak więc według Moskwina wyróżniamy trzy typy korozji:

1) obejmuje objawy fizyczne, ługowania a także chemiczne oddziaływanie na składniki stwardniałego zaczynu z podziałem na korozję ługującą i kwasowęglową i ogólnokwasową

Korozja kruszywa jest szczególnie niebezpieczna

2) obejmuje procesy wymiany między określonymi składnikami rozpuszczalnych w wodzie soli a odpowiednimi składnikami stwardniałego zaczynu

3) polega na tym, że w porach i kapilarach betonu krystalizuje sól która zwiększa swoją objętość, co powoduje efekt mechanicznego rozsadzania betonu. Sole te związane są reakcją stwardniałego zaczynu betonowego a siarczanami znajdującymi się w wodzie.

Zagrożenia płynące z korozji materiałów budowlanych:

Problem korozji materiałów budowlanych jest znany od dawna. Dynamika tych procesów uzależniona jest od bardzo wielu różnych czynników, m. in. od ich właściwości fizycznych i chemicznych, struktury, jakości oraz korozyjności środowiska.

Wyróżnia się następujące narażenia korozyjne, definiowane jako sumaryczne działanie czynników występujących w określonym środowisku korozyjnym:

• narażenie klimatyczne, spowodowane czynnikami środowiskowymi związanymi z klimatem( roszenie, opady atmosferyczne, promieniowanie słoneczne, wilgotność )

• narażenie chemiczne, powodowane działaniami cieczy agresywnych, roztworów kwasów, zasad.

• narażenie elektrochemiczne, powodowane działaniem prądów błądzących

• narażenie biotyczne, powodowane działaniem mikroorganizmów i pleśni

• narażenie mechaniczne, powodowane naprężeniami zewnętrznym, naprężeniami zmęczeniowymi, ścieraniem, uderzeniami.