2010-12-PB-41_Blaszczynski.pdf

konstRukcje – elementy – mateRiały

Diagnostyka korozyjna obiektów

żelbetowych

dr hab. inż. tomasz błaszczyński, dr hab. inż. aldona łowińska-kluge, Politechnika

Poznańska, prof. dr hab. inż. leonard Runkiewicz, instytut techniki budowlanej,

Politechnika warszawska

1. Wprowadzenie

ryjnego i rozważyć możliwości

naprawy.

Coraz powszechniejsze staje się

występowanie rys i spękań żel-

betowych elementów nośnych

na całej wysokości przekroju beto-

nowego w okresie do kilku dni

od ich wykonania, pomimo prawi-

dłowego wykonawstwa, właściwej

pielęgnacji i braku oddziaływań

dynamicznych. Najczęściej dotyczy

to płyt stropowych [1, 2]. To samo

zjawisko obserwuje się również

w przypadku innych żelbetowych

elementów konstrukcyjnych [3, 4].

Jako jedną z przyczyn niszcze-

nia betonu uznaje się destrukcję

wewnętrzną spowodowaną nie-

właściwym doborem składników

mieszanek betonowych (tj. wcho-

dzących ze sobą w niepożądane

reakcje prowadzące do zniszczenia

struktury betonu). Zjawiska te nasi-

liły się szczególnie od roku 2003,

czyli po wejściu nowej normy okre-

ślającej skład, wymagania i kryteria

zgodności dotyczące cementów

powszechnego użytku [5]. Norma

ta wprowadziła nowe rodzaje i skła-

dy cementów. Niestety wytwórcy

betonu nie zawsze uwzględniają

te dane stosując nadal wypełnie-

nia i dodatki jak dla niemodyfiko-

wanych cementów. Nie kontrolują

przy tym efektów takich receptur

i nie analizują niepożądanych reak-

cji pomiędzy składnikami, które

mogą mieć miejsce.

Ponadto beton z litery prawa bu -

dowlanego nadal nie jest wyrobem

w rozumieniu ustawy o wyrobach

budowlanych (Dz. U. Nr 92, poz.

881, 2004, z późn. zm.), co powo-

duje, że za jego jakość i bezpie-

czeństwo zgodnie z art. 5 Prawa

budowlanego (Dz. U. Nr 89, poz.

414, 1994, z późn. zm.), odpowiada

kierownik budowy, a nie producent.

W przypadku kierownika budowy

jedynym narzędziem diagnostycz-

Ostatnio w trakcie realizacji obiek-

tów żelbetowych występują spę-

kania elementów nośnych na całej

wysokości przekroju. Takie spę-

kania oznaczają, że elementy te

tracą swą sztywność i nie pracu-

ją jako pełny przekrój żelbetowy.

Konieczne staje się wtedy okre-

ślenie przyczyn powstania takich

uszkodzeń, do czego niezbędna

jest odpowiednia diagnostyka.

Za jedną z przyczyn takiego stanu

rzeczy można uznać destrukcję

wewnętrzną betonu spowodowa-

ną niewłaściwym doborem skład-

ników mieszanek betonowych.

W związku z tym diagnostyka taka

powinna być oparta na badaniach

na obiekcie i badaniach laborato-

ryjnych oraz badaniach struktu-

ralnych (SEM, XRD, DTA). Na tej

podstawie można przeanalizować

przyczyny zaistnienia stanu awa-

Rys. 1, 2. Przykładowe zarysowania powstałe na stropie I i II (widok od dołu)

PRzeglĄd budowlany 12/2010

konstRukcje – elementy – mateRiały

Rys. 3, 4. Przykładowe zarysowania powstałe na stropie I i II (widok od dołu)

nym są badania wytrzymałościowe,

w celu sprawdzenia projektowanej

klasy betonu. Dzisiaj w niektórych

przypadkach się to sprawdza, jed-

nakże coraz częściej zdarzają się

przypadki spełnienia wymaganej

klasy betonu, przy postępującym

procesie korozji wewnętrznej.

W związku z tym, w celu prawidło-

wej oceny korozyjnej elementów

żelbetowych, niezbędne jest opra-

cowanie odpowiedniej metodologii

diagnostycznej.

Proponowana diagnostyka opie-

ra się na wieloetapowym egza-

minowaniu analizowanego beto-

nu. Rozpoczyna się ona etapem

oceny makroskopowej na obiekcie

i na pobranych próbkach, która

już umożliwia określenie zaryso-

wań i spękań oraz niektórych przy-

czyn i skutków (tj. nadmiernej ilości

niezwiązanych popiołów i innych

wypełniaczy, wewnętrzne mikro-

zarysowania, lokalny brak przy-

czepności pomiędzy kruszywem

i matrycą cementową lub pomiędzy

zbrojeniem i otaczającym mikrobe-

tonem, rodzaj i granulację zastoso-

wanego kruszywa itp.). Następnie

proponuje się ocenę wybranych

cech mechanicznych i fizycznych

(tj. gęstości objętościowej, nasią-

kliwości wagowej, pH oraz wytrzy-

małości na ściskanie itp.). W kolej-

nym etapie powinno się wykonać

bardziej szczegółową analizę opar-

tą na wybranych badaniach struk-

turalnych (tj. SEM – skaningowa

mikroskopia elektronowa, XRD –

rentgen i DTA – derywatografia).

Całość wieloetapowego egzami-

nowania powinna być zakończona

badaniami chemicznymi. Dopiero

tak pogłębiona wiedza umożliwia

przeprowadzenie pełnej diagno-

styki korozyjnej elementu żelbeto-

wego.

Opracowana metoda diagno-

styczna przedstawiona zostanie

na przykładzie jednego z obiek-

tów budowlanych, gdzie w trakcie

realizacji stropów doszło do samo-

czynnego zarysowania się dwóch

obszarów stropów. Jeden strop

zarysował się w czerwcu (strop

I na poz. +0,90 m – temp. 26–

30°C, brak opadów), a drugi we

wrześniu (strop II na poziomie

+4,20 m – temp. 6–22°C brak opa-

dów). Na całej grubości przed-

miotowych stropów, po kilkunastu

godzinach od zabetonowania, po -

jawiły się rysy i spękania o układzie

nieregularnym, wielokierunkowym,

tworząc w efekcie rodzaj siatki rys

(rys. 1–4). W związku z istniejącymi

warunkami pogodowymi, po zabe-

tonowaniu stosowano pielęgnację

w postaci bezpośredniego stałego

polewania wodą.

od strefy), które zostały prze-

badane w laboratoriach ITB,

Politechniki Krakowskiej i AGH.

Na podstawie obserwacji makro-

skopowych stwierdzono wystę-

powanie pęknięć o rozwarciu

od 0,32 mm do 3,4 mm, na całą

wysokość próbek betonowych.

W próbkach wywierconych z nie-

zarysowanych stref stropów zary-

sowanych, stwierdzono także rysy

wewnętrzne, które nie objawiły się

na żadnej z powierzchni. Beton

we wszystkich próbkach zbrojony

był dołem, zbrojenie górą wystę-

powało jedynie lokalnie.

W analizowanym betonie stwier-

dzono obecność kruszywa węgla-

nowego. Dodatkowo w betonach

z obu ocenianych stropów widocz-

ne były niewielkie kawałki cegieł.

Na przełomach próbek betonu

wszystkich ocenianych stropów

stwierdzono zmiany barwy od sta-

lowoszarej poprzez jasnobeżową

do ciemnobeżowej oraz niezwią-

zany, osypujący się popiół lotny

i opiłki metalowe. Stwierdzono też,

że w ramach każdego z badanych

stropów stosowano betony o róż-

nym składzie. Chcąc to sprawdzić

próbki przedmiotowych betonów

z różnych miejsc tych samych

stropów poddano działaniu roz-

tworu wodnego kwasu solnego

(1:3), w taki sposób jak przy okre-

ślaniu kruszywa i cementu wg [6].

Otrzymane w ten sposób kruszy-

wa wysuszono w temperaturze

105°C. Składały się one w dużej

2. Badania makroskopowe

Z zarysowanych stropów wycięto

po 6 próbek, w tym 3 w stre-

fach zarysowanych i 3 w strefach

niezarysowanych, które zostały

przebadane w ośrodku poznań-

skim oraz 6 próbek (niezależnie

PRzeglĄd budowlany 12/2010

konstRukcje – elementy – mateRiały

Rys. 5, 6. Kruszywo otrzymane po ekstrakcji z próbek betonów, pobrane z ocenianych stropów

mierze z mielonej ceramiki i innych

zanieczyszczeń (rys. 5, 6).

We wszystkich ocenianych beto-

nach zaobserwowano także brak

właściwej przyczepności więk-

szych ziaren kruszywa do matrycy

cementowej. Betony z obu stro-

pów, od spodu płyt stropowych,

były skarbonatyzowane na głębo-

kość od 0,6 do 0,8 mm. Beton

o kolorze beżowym nie miał odczy-

nu zasadowego. Pomimo, że zbro-

jenie w stropach znajdowało się

jeszcze w betonie o zasadowym

pH, to na zbrojeniu obserwowano

już ślady rdzy.

i 2400 kg/m 3 jest gęstością dobrze

charakteryzującą większość beto-

nów konstrukcyjnych [7]. Dla oce-

nianych betonów określono także

nasiąkliwość wagową, która wyno-

siła dla betonu ze stropu I – 6,9%,

a ze stropu II – 6,1%. Badane

stropy pod względem nasiąkli-

wości spełniały wymagania dla

betonów osłoniętych przed bez-

pośrednim działaniem czynników

atmosferycznych (nasiąkliwość

wagowa < 9%). Odczyny wyciągu

wodnego rdzenia próbek beto-

nu ze stropów I i II, oszacowane

w ośrodku poznańskim, wynosiły

odpowiednio: dla stropu I – 12,00,

a dla stropu II – 11,96. Badania

przeprowadzone w ośrodku kra-

kowskim (Politechnika Krakowska)

potwierdziły te wyniki ocenia-

jąc pH odpowiednio jako 11,90

i 12,15. Przedstawione wartości

odczynów pH świadczą o różnym

stopniu hydratacji spoiw użytych

do wykonania badanych stropów.

Wartości te są niższe od typowych

pH dla normalnych betonów (pH

~ 12,5).

mikroskopowe miały również słu-

żyć ocenie ewentualnych możli-

wości i kierunków zachodzenia

dalszych reakcji w analizowanych

betonach [8]. Na podstawie anali-

zy obserwowanych obszarów, jak

i zdjęć stwierdzono, że w bada-

nych próbkach betonu występo-

wały: portlandyt, fazy tobermory-

towe żelowe i wykrystalizowane

krótkowłókniste, niewielkie ilości

węglanu wapniowego i żużel wiel-

kopiecowy (rys. 7a, 7b). W całej

objętości widoczne były ziarna

popiołu lotnego. W betonie ze stro-

pu I występowało mniej żużla wiel-

kopiecowego, niż w pozostałych

betonach.

W betonie ze stropu II wystę-

powały znaczne ilości „luźnego”

popiołu lotnego, sferoidy tlenków

żelaza i opiłki metaliczne połą-

czone z matrycą cementową (rys.

7c i 7d). Wykonane przy użyciu

mikrosondy rentgenowskiej mikro-

analizy bezwzorcowe EDX obser-

wowanych, w betonie ze stropu

II, produktów reakcji wykazywały

w nich obecność wapnia, krzemu,

glinu, tlenu, węgla, magnezu, siar-

ki i żelaza.

Badania rentgenowskie wykona-

no na preparacie proszkowym

uzyskanym z wyekstraktowanego

„kruszywa czerwonego”, przy uży-

ciu skomputeryzowanego dyfrak-

tometru rentgenowskiego (rys. 8).

Na dyfraktogramie dla tego kru-

szywa stwierdzono następujące

3. Badania wybranych cech

mechanicznych i fizycznych

W celu określenia wybranych

cech mechanicznych i fizycznych

przeprowadzono badania gęsto-

ści objętościowej, nasiąkliwości

wagowej oraz pH. Badanie gęsto-

ści objętościowej przeprowadzo-

no na wszystkich próbkach walco-

wych określając średnią gęstość

objętościową dla zastosowanego

betonu w każdym ze stropów.

W efekcie badań wykonanych

w ośrodku poznańskim ocenio-

no, że beton ze stropu I posiada

gęstość 2256 kg/m 3 , a ze stropu

II – 2446 kg/m 3 . Wyniki te potwier-

dziły badania w laboratorium ITB,

gdzie średnią gęstość oszaco-

wano jako 2340 kg/m 3 . Gęstość

objętościowa pomiędzy 2300

4. Wybrane badania

strukturalne

W celu określenia struktury

i rodzaju powstałych związków

oraz rodzaju dodatków dodanych

do betonu, dla próbek pobranych

ze stropów, wykonano badania

mikroskopowe (rys. 7). Badania

PRzeglĄd budowlany 12/2010

konstRukcje – elementy – mateRiały

Rys. 7.

Obraz mikroskopowy

betonu ze stropu II:

a) i b) widoczne nie -

wielkie ilości ettryn -

gitu, portlandytu, faz

tobermorytowych,

znaczne ilości nie -

przereagowanych zia -

ren popiołu lotnego,

mączka mineralna,

żużel wielkopiecowy,

sferoidy tlenków żela -

za; luźna struktura, c)

osypujące się ziarna

kruszywa, d) osypują -

ce się opiłki metalowe

fazy: kwarc, α -Fe 2 0 3 , mulit, kaoli-

nit. Odpowiadało to w przybliże-

niu składowi ceramiki, rdzy oraz

naturalnemu kwarcowi.

Aby określić czy w betonach były

dodatki wapienia oraz by określić

zawartość związków przyłączo-

nych w trakcie wiązania i tward-

nienia cementu, dla próbek beto-

nów pobranych z analizowanych

stropów przeprowadzono badania

derywatograficzne. Próbki bada-

no metodą termograwimetryczną

na derywatografie w atmosferze

N 2 w zakresie temperatur od 20

do 900°C.

Ubytek masy przy ogrzewaniu

do temperatury 580°C dla próbek

z betonu stropów nr I i II, wyno-

sił odpowiednio: 9,50% i 9,45%.

Całkowity ubytek masy wynosił

dla próbek betonu ze stropów I i II,

odpowiednio: 15,05% i 13,63%.

Po badaniu próbki nie zmieni-

ły swej proszkowej postaci. Nie

zauważono nadtopień.

kach zmielonych betonów z bada-

nych stropów wykonano analizy

chemiczne zgodnie z normami [5,

9÷11].

Oznaczone w ośrodku poznańskim

ilości SO 3cał. dla betonu z analizo-

wanych stropów wahały się w gra-

nicach od 9,31 do 9,75% w odnie-

sieniu do masy cementu. W labo-

ratorium ITB wielkość ta wahała się

od 12,53 aż do 24,21% (w odniesie-

niu do masy cementu). Otrzymane

wielkości nie spełniały wymagań

normy [5] dla cementu CEM II

32,5, która to wielkość zgodnie

z normą nie może przekroczyć

wartości 3,5% oraz dla cementu

CEM III 32,5, która to wielkość

zgodnie z normą nie może prze-

kroczyć wartości 4,0%.

5. Badania chemiczne

W celu dokładnego określenia

ilości związków mogących wywo-

ływać spękania i w przyszłości

podczas eksploatacji mogących

być przyczyną „korozji wewnętrz-

nej”, a mianowicie SO 3cał. , MgO,

Na 2 O, K 2 O oraz Cl – wykonano ana-

lizy chemiczne próbek betonów

pobranych z ocenianych stropów.

Na pobranych metodą kwartowa-

nia o odpowiedniej wielkości prób-

PRzeglĄd budowlany 12/2010

konstRukcje – elementy – mateRiały

Oznaczona w badaniach ilość Cl –

(ośrodek poznański i AGH) w cało-

ści betonów spełniała wymagania

normy [7].

Oznaczona w ośrodku poznańskim

ilość MgO, wynosząca od 14,61

do 19,97% w odniesieniu do masy

cementu przekraczała według

[12] wartość dopuszczalną wyno-

szącą 4%. Przez wiele lat w nor-

mach większości krajów dopusz-

czano zawartość MgO w cemen-

cie do 5%. Jednakże przypadki

destrukcji wielu obiektów w USA

i innych krajach, a także wyniki

długotrwałych badań wykazały,

że niezbędne są dodatkowe gwa-

rancje.

Oznaczona w ośrodku poznań-

skim ilość alkaliów (Na 2 O eq ) wyno-

siła od 9,31 do 11,03% w stosun-

ku do masy cementu. W labora-

torium ITB wielkość tę określono

na poziomie od 20,34 do 32,23%,

w ośrodku krakowskim od 11,46

do 16,33%, a w laboratorium AGH

o wartości około 19% (w stosun-

ku do masy cementu). Wszystkie

określone wartości znacznie prze-

kraczały wartość dopuszczalną,

wynoszącą według [12], 0,6 %.

Związki siarki przeliczone na

siarkę całkowitą mogły pocho-

dzić od cementu i zastosowanego

wypełnienia (kruszywa wolne są

od związków siarki). Natomiast

zawartość MgO i Na 2 O eq w ocenia-

nych betonach pochodzić mogły

z kruszyw i ich zanieczyszczeń,

z cementu oraz zastosowanego

wypełnienia.

Dodatkowo zgodnie z [6] doko-

nano oceny kruszywa węglano-

wego (z wapienia), którego ilość

określono na podstawie badań

derywatograficznych. Z badań

wyniknęło, że zastosowane kru-

szywo zawierało ok. 10% kruszy-

wa węglanowego.

Rys. 8. Dyfraktogram „kruszywa czerwonego” wykrytego w betonie ocenianych

stropów

cie, badań laboratoryjnych oraz

badań strukturalnych (SEM, XRD,

DTA) przeanalizowano przyczy-

ny zaistnienia stanu awaryjnego

i rozważono możliwości napra-

wy. Stwierdzono, że do betonu

użyto oprócz kruszyw naturalnych

kruszywo węglanowe oraz kru-

szywo z recyclingu. Zastosowany

rodzaj cementów jak i kruszyw

wywołał podwyższoną zawartość

magnezu, alkalii i związków siarki

w uśrednionych (reprezentacyj-

nych) próbach badanych beto-

nów. Niewłaściwy dobór skład-

ników do wytworzenia mieszan-

ki betonowej wywołał spękania

spowodowane odkształceniami

skurczowymi i stwarzał możliwość

wystąpienia „korozji wewnętrznej”

betonu stropów w trakcie później-

szej eksploatacji, bowiem wystą-

piły warunki do zaistnienia korozji

siarczanowej. Niestety nie dałoby

się tego określić tylko na pod-

stawie badań wytrzymałościo-

wych, szczególnie gdy te wypadły

poprawnie. Tylko proponowana

diagnostyka elementów żelbe-

towych była w stanie popraw-

nie określić przyczyny i zakres

powstałych zjawisk.

BiBliografia

[1] Błaszczyński T., Łowińska-Kluge A.,

Durability assessment of RC floors based on

concrete properties, AMCM 2008, Łódź

[2] Runkiewicz L., Błaszczyński T., Łowińska-

-Kluge A. Trwałość współczesnych stropów

monolitycznych. Współczesne metody napraw-

cze. DWE, Wrocław, 2009, s. 324–337

[3] Błaszczyński T., Łowińska-Kluge A., Zgoła

B., Wpływ wykonawstwa na degradację beto-

nu, Materiały Budowlane, Nr 9/2004

[4] Błaszczyński T., Łowińska-Kluge A.,

Zgoła B., Błędy wykonawcze jako przyczyna

zagrożeń korozyjnych betonu na przykładzie

fundamentów hali sportowej, XXII Konferencja

Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane, maj

17–20, 2005 Szczecin – Międzyzdroje

[5] PN-EN 197–1:2002. Cement. Część 1.

Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczą-

ce cementów powszechnego użytku

[6] ITB nr 277/86 Instrukcja określania składu

stwardniałego betonu

[7] PN-EN 206–1:2003. Beton. Wymagania,

właściwości, produkcja i zgodność

[8] Łowińska-Kluge A., Jóźwiak K., A study of

the resistance of concrete to corrosion using

SEM and microanalysis, Microscopy and

Analysis, vol. 20, No. 1, 2006

[9] PN-EN 196–2:1996. Metody badania

cementu. Analiza chemiczna cementu

[10] PN-EN 196–21:1997. Metody badania

cementu. Oznaczenie zawartości chlorków,

dwutlenku węgla i alkaliów w cemencie

[11] PN-EN 196–21/Ak:1997. Metody badania

cementu. Oznaczenie zawartości chlorków,

dwutlenku węgla i alkaliów w cemencie

[12] Peukert S., Cementy powszechnego

użytku i specjalne, Polski Cement Sp. z o.o.,

Kraków 2000

6. Podsumowanie

W celu określenia przyczyn spę-

kania żelbetowych stropów w cza-

sie ich realizacji przeprowadzono

szczegółową diagnostykę korozyj-

ną. Na podstawie badań na obiek-

PRzeglĄd budowlany 12/2010

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: