Korozja betonu
Korozja betonu jest to stopniowe pogarszające z czasem pogarszanie się technicznych właściwości betonu, prowadzące do obniżenia jego cech użytkowych, a krańcowym przypadku do całkowitego jego zniszczenia. 1Przyczyny korozji:
a)agresywność zewnętrzna - oddziaływanie różnych czynników środowiska, w którym jest eksploatowany beton,
b)agresywność wewnętrzna - wynikająca z przebiegu w betonie procesów fizyko-chemicznych wywołanych zastosowaniem złej jakości jego składników np. wody zarobowej, kruszywa.
2Agresywność zewnętrzna może mieć charakter:
a)chemiczny (korozja chemiczna)- jest wywoływana przez: >oddziaływanie czynnika gazowego; >oddziaływanie wodnych roztworów związków chemicznych,
b)fizyczny (korozja fizyczna) - może być wywołana czynnikami: >naturalnymi (opady atmosferyczne, mróz, wiatr), >nienaturalnymi (temp pożarowe),
c)mechaniczny (korozja mechaniczna) - jest wywoływana przez naprężenia mechaniczne przekraczające wytrzymałość betonu,
d)biologiczny (korozja biologiczna) - jest powodowana przez oddziaływanie (roślin - mchy, bakterii, mięczaków - wpływ środowiska wodnego).
3Agresywność wewnętrzna może wynikać z zastosowania:
a)niewłaściwej jakości spoiwa np. cementu o zbyt dużej zawartości alkalitów, wolnego CaO bądź MgO,
b)niewłaściwej jakości kruszywa np. kruszywa wykazującego tzw. reaktywność alkaliczną spowodowana obecnością w kruszywie takich składników jak: opal, chalcedon, trydymit, c)niewłaściwej jakości wody zarobowej np. o zbyt dużym stężeniu jonów siarczanowych (SO4)-2.
4Korozję chemiczną wywoływaną oddziaływaniem na beto wodnych roztworów dzielimy ze względu na:
a)rodzaj czynnika wywołującego korozję: >korozję ługującą, >k kwasową, >k węglanową, >k siarczanową, >k spowodowaną reakcjami wymiany jonów wapniowych,
b)mechanizm niszczenia betonu: >k rodzaju I, >k rodzaju II, >k rodzaju III.
5K rodzaju I - polega na wymywaniu rozpuszczalnych składników betonu, głównie Ca(OH)2, bądź składników wtórnych betonu tj. składników powstałych w wyniku wcześniejszego oddziaływania środowiska z betonem np. CaCl2 powstającego wg reakcji Ca(OH)2+2Cl-=CaCl2+2(OH)-. Wymywanie składników pierwotnych lub wtórnych wywołuje w betonie procesy fizyko-chemiczne prowadzące do jego niszczenia.
6K rodzaju II - polega na reakcjach zachodzących pomiędzy czynnikami środowiska a składnikami stwardniałego betonu w wyniku, których powstają nowe związki, które:
a)są nierozpuszczalne (pozostają w betonie),
b)są z reguły bezpostaciowe,
c)są nie wiążące. Powstawanie powyższych związków z pierwotnych składników betonu (produktów uwadniania cementu) prowadzi do spadku wytrzymałości betonu.
7K rodzaju III - polega na reakcjach w wyniku, których powstają słabo rozpuszczalne związki, które krystalizując zwiększają objętość powodują pęcznienie i rozkruszanie betonu.
8Korozja ługująca - czynniki wywołujące korozję:
a)zachodzi pod wpływem oddziaływania na beton wód miękkich,
b)o stopniu agresywności ługującej wody decyduje jej twardość określana w stopniach, im stopień twardości jest mniejszy tym woda jest bardziej agresywna,
c)agresywność ługującą wykazują głównie miękkie wody naturalne lub przemysłowe kondensacyjne,
d)korozja ługująca zachodzi szczególnie intensywnie w betonach poddanych działaniu wody miękkiej wywierającej jednostronne parcie (przesączająca się przez beton) lub intensywnie omywającej konstrukcję.
9K ługująca - istota korozji:
a)istota k ługującej polega na wymywaniu (ługowaniu) wodorotlenku wapniowego Ca(OH)2 z betonu, b)w pierwszej fazie korozji następuje obniżenie stężenia jonów Ca+2 i (OH)- w cieczy występującej w porach betonu (tzw. cieczy porowej), a co za tym idzie obniżenia jej pierwotnie wysokiego pH>12, wysoka zawartość cieczy porowej jest uwarunkowana obecnością rozpuszczonego w niej Ca(OH)2, c)w drugiej fazie następuje rozpuszczenie się w cieczy porowej, zubożałej o jony Ca+2 i (OH)-, stałego Ca(OH)2 (portlandytu) obecnego na zewnątrz betonu przez przesączającą się przez niego wodę.
10K ługująca - skutki ługowania Ca(OH)2 z betonu:
a)proces ługowania Ca(OH)2 z betonu prowadzi do: >wzrostu porowatości betonu, >trwałego obniżenia pH cieczy porowej.
11K ługująca - konsekwencja wzrostu porowatości betonu:
a)intensyfikacja procesu ługowania Ca(OH)2 z uwagi na łatwiejszy dostęp wody do wnętrza betonu, b)powstanie sprzyjających warunków do zachodzenia korozji fizycznej (np. działanie mrozu) oraz biologicznej (np. porastanie betonu przez rośliny).
12K ługująca - konsekwencja spadku pH cieczy porowej betonu. Spadek wartości pH cieczy zawartej w porach betonu poniżej wartości krytycznej powoduje hydrolizę faz CSH, która prowadzi do tworzenia się uwodnionych krzemianów wapniowych o niższej zasadowości i Ca(OH)2. Okazuje się, bowiem, że warunkiem stabilności produktów uwadniania głównych minerałów klinkieru (alitu i belitu), którymi są tzw. fazy CSH jest to, aby ciecz porowa wykazywała wysokie pH. Ten warunek jest praktycznie spełniony, gdy ciecz porowa stanowi nasycony roztwór wodorotlenku wapniowego.
13K ługująca - konsekwencja spadku pH cieczy porowej:
a)spadek wartości pH cieczy zawartej w porach betonu poniżej wartości krytycznej powoduje hydrolizę faz CSH prowadzącej do tworzenia się uwodnionych krzemianów wapniowych o niższej zasadowości i Ca(OH)2, zgodnie z reakcją CSH+H2O→CSH'+ Ca(OH)2,
b)w przypadku długotrwałego oddziaływania wody miękkiej na beton a zwłaszcza w przypadku omywania betonu lub przesiąkania wody przez beton następuje ponowne wyługowanie powstałego w wyniku hydrolizy Ca(OH)2 i spadek pH cieczy porowej,
c)to oczywiście prowadzi do ponownej hydrolizy uwodnionych krzemianów wapniowych CSH'+H2O→CSH''+ Ca(OH)2,
d)proces taki powtarza się cyklicznie, co prowadzi do całkowitego rozkładu CSH i zupełnej utraty wytrzymałości mechanicznej betonu.
14Korozja kwasowa. Cement jest materiałem o charakterze zasadowym, a więc łatwo reagującym z kwasami. Procesy zachodzące w betonie pod wpływem oddziaływania na niego środowiska kwasowego uzależnione są od:
a)rodzaju powstających produktów reakcji,
b)ich oddziaływania na beton. Wyróżnić można 4 podstawowe przypadki oddziaływania kwasu na beton.
15K kwasowa - przypadek 1. Produktami reakcji betonu ze środowiskiem kwasowym tj. wodnymi roztworami kwasów (lub ich soli) są związki rozpuszczalne, które są następnie wypłukiwane z betonu. W tym przypadku dominującym mechanizmem niszczenia betonu jest mechanizm odpowiadający korozji rodzaju 1. Z takim mechanizmem mamy do czynienia w przypadku oddziaływania np. kwasu solnego HCl na beton. Tworzący się w wyniku reakcji 2HCl+Ca(OH)2→CaCl2+2H2O chlorek wapnia ma rozpuszczalność równą 74500mg/l, podczas gdy Ca(OH)2 tylko 1230mg/l. Ok. 605x większa rozpuszczalność CaCl2 w porównaniu do Ca(OH)2 powoduje, że ten ostatni związek bardo szybko jest z betonu wyprowadzony na zewnątrz. Konsekwencje tego zjawiska są takie same jak w przypadku korozji ługującej. W tym przypadku zjawiska w czasie zachodzi szybciej, efektem, czego jest szybsza utrata wytrzymałości przez beton.
16K kwasowa przypadek 2. Produkty reakcji składników betonu ze środowiskiem kwasowym są: a)trudno rozpuszczalne i pozostają w betonie,
b)nie wykazują właściwości wiążących. Przykładem takiego oddziaływania jest działanie tzw. kwasów tłuszczowych jak np. kwasu palmitynowego, stearynowego, oleinowego. Kwasy te należą do organicznych kwasów karboksylowych. Kwasy tłuszczowe występują w rozkładających się tłuszczach. Reagują one z Ca(OH)2 bez uprzedniego rozpuszczania go, tworząc miękkie nierozpuszczalne mydła wapniowe będące solami wapniowymi tych kwasów jak np. sterynian wapniowy, palmitynian wapniowy, oleinian wapniowy. Jeżeli dopływ kwasów tłuszczowych do betonu jest ciągły, to po wyczerpaniu się zapasu Ca(OH)2 w betonie dochodzi do rozkładu CSH, co powoduje znane już konsekwencje dla betonu. Dominujący mechanizm niszczenia betonu występujący w tym przypadku odpowiada korozji 2 rodzaju.
17K kwasowa przypadek 3. Reakcja składników betonu ze środowiskiem kwasowym prowadzi do tworzenia produktów trudno rozpuszczalnych i krystalicznych a ich powstawaniu towarzyszy wzrost objętości fazy stałej. W tym przypadku mechanizm niszczenia betonu odpowiada korozji 3 rodzaju. Mamy z nim do czynienia przy działaniu kwasu siarkowego i jego soli. Ponieważ korozja betonu zachodząca pod wpływem kwasu siarkowego i jego soli jest bardzo powszechna, a przy tym z uwagi na jej intensywny przebieg, bardzo groźna, wyodrębnia się ja z korozji kwasowej i określa się mianem korozji siarczanowej.
18K kwasowa przypadek 4. Produkty reakcji składników betonu z kwasem są trudno rozpuszczalne w wodzie i nie pęczniejące. Umiarkowana objętość takich związków w betonie jest nieszkodliwa, bowiem uszczelniają one beton czyniąc go bardziej odpornym na procesy korozyjne zachodzące pod wpływem czynników atmosferycznych. Przykłady kwasów o takim oddziaływaniu: H3PO4 - kwas ortofosforowy, H3PO4+ Ca(OH)2 tworzy się CaHPO4 (wapniowy fosforan dwuzasadowy) o rozpuszczalności 200mg/l, H2SiF6 - kwas fluorokrzemianowy, H2SiF6+ Ca(OH)2 tworzy się CaF2 (fluorek wapniowy) o rozpuszczalności 16mg/l, H2C2O4*2H2O - kwas szczawiowy, H2C2O4*2H2O+Ca(OH)2 tworzy się CaC2O4 (szczawian wapniowy) o rozpuszczalności 6,7mg/l.
19Fluatowanie - polega na poddawaniu powierzchni betonu działaniu wodnych roztworów tzw. fluatów tj. fluorokrzemianów metali; MeSiF6 (Me=Mg,Zn,Pb,Fe,Cu). Związki te oddziaływując z składnikami betonu (gł. z Ca(OH)2) powodują tworzenie się CaF2, co prowadzi do uodpornienia betonu na niektóre rodzaje korozji (fizyczną - wywołaną czynnikami naturalnymi, ługującą i węglanową). MeSiF6+2 Ca(OH)2=2CaF2+MeF2+SiO2+2H2O.
20Korozja siarczanowa - czynniki wywołujące korozje, atakowane składniki betonu:
a)jest to najczęściej spotykana i najgroźniejsza w skutkach korozja,
b)czynnikiem wywołującym tę korozję są jony siarczanowe SO42-, mogą one pochodzić nie tylko od kwasów, ale także od soli kwasu siarkowego H2SO4,
c)składnikami atakowanymi w betonie są: Ca(OH)2, C4AH19, C2AH8, C3AH6, faza Aft, faza Afm, d)składniki powyższe reagujące z jonami siarczanowymi SO42- tworzą związki pęczniejące, jest to, zatem korozja 3 rodzaju,
e)korozja siarczanowa może przebiegać w różny sposób, różnice mogą mieć charakter ilościowy i jakościowy,
f)sposób przebiegu korozji siarczanowej zależy od: >stężenia jonów SO42- w wodzie środowiskowej, >zawartości glinianów i glinożelazianów w cemencie, >rodzaju kationów Me, towarzyszących jonom SO42-,
g)Me - Me+ (K,Na,NH4), - Me2+ (Zn,Fe,Cu), - Me3+ (Al.,Cr,Fe).
21K siarczanowa - podstawowe reakcje. Niezależnie od wspomnianych wyżej różnic, z pośród wielu reakcji towarzyszących korozji siarczanowej, wyróżnić można następujące:
a)reakcję tworzenia się gipsu zgodnie z: Ca(OH)2+H2SO4→CaSO4*2H2O, (CH+Cs=CsH2),
b)reakcję pomiędzy uwodnionymi glinianami wapnia a wcześniej powstałym gipsem: 4CaO*Al2O3*19H2O+3(CaSO4*2H2O)+8H2O =3CaO*Al2O3*3CaSO4*32H2O+ Ca(OH)2, (C4AH19+3(CsH2)+8H→C3A*3CsH32+8CH).
22K siarczanowa - reakcja tworzenia się gipsu. Cechy reakcji:
a)reakcja przebiega przez roztwór (następuje krystalizacja gipsu z cieczy porowej),
b)towarzyszy jej wzrost objętości (o 130%) produktów stałych,
c)w pierwszym okresie wytrącanie się gipsu następuje w porach betonu w warstwie powierzchniowej. Przy niskim stężeniu SO42- w środowisku betonu i braku odnawialnego źródła ich powstawania, przebieg powyższej reakcji w betonie jest nieszkodliwy. Wynika to z faktu krystalizacji gipsu z roztworu, co powoduje, że powstaje on w porach betonu, co przy ograniczonej ilości jego tworzenia się (z uwagi na małe stężenie SO42-) nie następuje efekt pęcznienie betonu, związany z wzrostem objętości fazy stałej towarzyszącym reakcji powstawania gipsu. Jeżeli jednak dopływają dalsze ilości jonów SO42-, powstają coraz większe ilości gipsu, który po wypełnieniu porów zaczyna rozpychać beton powodując jego pękanie i łuszczenie się ułatwiając wnikanie agresywnego środowiska w głąb betonu, co prowadzi do jego dalszej destrukcji.
23K siarczanowa - reakcje pomiędzy uwodnionymi glinianami wapnia a wcześniej powstałym gipsem. Druga bardo istotna reakcja zachodząca podczas korozji siarczanowej betonu polega na reakcji pomiędzy uwodnionymi glinianami wapnia a wcześniej powstałym gipsem np. 4CaO*Al2O2*19H2O +3(CaSO4*2H2O) +8H2O =3CaO*Al2O3*3CaSO4*32H2O + Ca(OH)2. Produktami tych reakcji są:
a)etryngit (sól Candlotta, trójsiarczanoglinian) - C3A*3Cs*H32,
b)i Ca(OH)2. Przebieg tych reakcji jest bardo groźny dla betonu.
24K siarczanowa - przyczyny niszczenia betonu w wyniku przebiegu reakcji uwodnionych glinianów wapnia a wcześniej powstałym gipsem: przyczyna 1: etryngit krystalizuje w postaci długich igieł często skupionych promieniście na drodze reakcji topochemicznej w fazie stałej stąd wywiera bezpośredni nacisk na najbliższe otoczenie; parcie tworzących się kryształów etryngitu jest bardzo duże z uwagi na: >duży wzrost objętości fazy stałej produktów tych reakcji ok. 227%, >igłowy kształt kryształów etryngitu.
25K siarczanowa - przyczyny niszczenia betonu w wyniku przebiegu reakcji uwodnionych glinianów wapnia a wcześniej powstałym gipsem: przyczyna 2: tworzący się Ca(OH)2 reaguje z jonami SO42- i jest źródłem nowych ilości gipsu; w efekcie krystalizacja etryngitu (soli Candlotta) wywołuje wewnętrzne naprężenia w betonie i następuje jego rozsadzenie od wewnątrz; w miarę upływu czasu i pod działaniem dalszych ilości SO42- następuje: >etryngit zanika - ulega hydrolizie i przekształca się w wodorotlenek glinowy (Al.(OH)3) i gips powodując dalszą destrukcję betonu, >zużywanie Ca(OH)2 i tworzenie warunków do rozkładu (hydrolizy) CSH.
26K siarczanowa. Zwiększenie odporności cementu na agresję siarczanową uzyskuje się przez stosowanie cementu o małej zawartości: >C3A (do 5%), >C3S (poniżej 50%). Uodpornienie cementu na siarczany przez obniżenie zawartości C3A, która odbywa się głównie kosztem wzrostu ilości C2(AF), tłumaczy się mniejszą reaktywnością produktów reakcji uwadniania fazy C2(AF) (tym mniejszą im jest mniejszy stosunek A/F w fazie ferytowej).
27Korozja węglanowa:
a)jest odmianą korozji kwasowej, połączonej z procesami ługowania; wyługowanie Ca(OH)2 jest w tym przypadku szczególnie intensywne z uwagi na bardzo dobrą rozpuszczalność produktów reakcji, b)czynnikiem agresywnym w tym wypadku jest CO2 rozpuszczony w wodzie,
c)reakcja, między CO2 a betonem w środowisku wodnym zachodzi dwuetapowo, zgodnie z równaniami,
d)mechanizm niszczenia odpowiada korozji I rodzaju.
28K węglanowa. Etap 1. Ca(OH)2 +CO2 +H2O =CaCO3 +2H2O. Reakcja nieszkodliwa dla betonu z uwagi na:
a)niewielki wzrost objętości fazy stałej reakcji, 6%,
b)małą rozpuszczalność CaCO3. Rozpuszczalność CaCO3 =14mg/l. Rozpuszczalność CaOH =1230mg/l. Reakcja prowadzi do powierzchniowego uszczelnienia betonu.
29K węglanowa. Etap 2. CaCO3 +CO2 +H2O =Ca(HCO3)2 +H2O. Reakcja bardo szkodliwa z uwagi na dużą rozpuszczalność Ca(HCO3)2 =165000mg/l, co prowadzi do:
a)bardzo szybkiego wyługowania Ca(OH)2,
b)obniżenie pH i hydrolizę CSH (rozkład CSH), podobnie jak to omówiono w przypadku korozji ługującej.
1