Wróć do listy publikacji

22.01.2016

Elementy betonowe – korozja siarczanowa

Beton w obiektach kanalizacji deszczowej i sanitarnej znajdując się w środowisku gruntowym z zewnątrz i przenosząc ścieki deszczowe lub sanitarne wewnątrz narażony jest na oddziaływanie różnych czynników, które mogą mieć charakter destrukcyjny.

Czynniki te to:

  1. oddziaływanie wód gruntowych i opadów atmosferycznych
  2. działanie dwutlenku węgla (karbonatyzacja),
  3. oddziaływanie szkodliwych soli zawartych w ściekach (siarczanów, chlorków, azotanów i amonu),
  4. oddziaływanie biologiczne (korozja siarczanowa) i
  5. oddziaływania mechaniczne (ścieranie, kawitacja).

Stopnie agresywnego oddziaływania wód gruntowych i gruntów określone są w normie PNEN 206-1 „Beton. Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność”. Trzy klasy ekspozycji XA1, XA2 i XA3 w zależności od stężenia poszczególnych substancji zawartych w wodach gruntowych i ściekach.

Wody gruntowe wykazują zwykle słabą agresywność w stosunku do betonu (klasa XA1 wg normy [1]), najczęściej agresywność węglanową, bardzo rzadko zdarzają się przypadki wyższej agresywności gruntów, podwyższoną agresywnością charakteryzują się np. grunty torfowe. Agresywność gruntu w stosunku do betonu zakwalifikować należy na podstawie standardowych badań geotechnicznych zgodnie z normą. Beton w obiektach kanalizacji deszczowej i sanitarnej jest z reguły silnie zawilgocony a nawet mokry, karbonatyzacja w takim betonie przebiega bardzo wolno i nie obserwuje się uszkodzeń spowodowanych karbonatyzacją.

Od strony wnętrza beton narażony jest na działanie ścieków deszczowych lub sanitarnych. Ścieki bytowo-gospodarcze są wodami silnie zanieczyszczonymi jednak ich agresywność w stosunku do betonu jest nieznaczna. Wskaźnik pH ścieków waha się od 6.5 do 7.5, zawartość szkodliwych soli (siarczanów, chlorków i azotanów) nie przekracza zwykle 0.05 %. Zarówno wskaźnik pH jak i zawartość szkodliwych w stosunku do betonu soli w ściekach jest poniżej wartości, które można uznać za agresywne. Zgodnie z normą środowisko takie zaklasyfikować należy jako słabo agresywne w stosunku do betonu (XA1). Ścieki i inne wody w obiektach kanalizacji deszczowej i sanitarnej zawierać mogą znaczne ilości substancji organicznych, w tym białkowych. 

W wyniku procesów rozkładu tych substancji powstaje siarkowodór. Siarkowodór ulegać może utlenieniu do siarki, która ze skroplinami odkłada się na powierzchni betonu ponad poziomem ścieków w najwyższych punktach konstrukcji. Wysoką agresywnością charakteryzują się przefermentowane osady, które przyklejają się do konstrukcji, strefy największych zagrożeń korozja biologiczną ilustruje rys.1.


Rys.1. Strefy zagrożeń korozją biologiczną

Tego typu, znaczne zagrożenie korozyjne pojawia się w kolektorach kanalizacyjnych niezwykle rzadko, tylko w kanałach o zbyt małych spadkach z nieskuteczną wentylacją. Szczególnie zagrożone są kanały magistralne doprowadzające ścieki do oczyszczalni, gdzie brak jest przykanalików zapewniających skuteczną wentylację. Znaczne zagrożenia korozyjne występują także na fragmentach kanałów grawitacyjnych zlokalizowanych za komorami rozprężnymi kończącymi fragment ciśnieniowy kanału. W tych szczególnych przypadkach środowisko wewnątrz kanałów zawsze uznać należy za silnie agresywne w stosunku do betonu (XA3).

W kanałach ściekowych ułożonych w spadkach zapewniających samooczyszczanie, z dobrą wentylacją nie dochodzi do fermentacji osadów, której konsekwencją jest korozja biologiczna. W tych kanałach środowisko wewnętrzne należy zakwalifikować jako słabo agresywne w stosunku do betonu (XA1). W elementach kanalizacji deszczowej i innych elementach odwodnienia dróg i placów nie stwierdza się istotnych zagrożeń dla betonu, elementy te uznać należy za pracujące w środowisku klasy XA1, a w przypadku działania chlorków z zimowego utrzymania dodatkowo elementy mogą być narażone na środowisko klasy XD3.

Wymagania w zakresie ochrony antykorozyjnej

Zgodnie z normami PN-82/B-0181, PN-EN 206-1, PN-B-03264, PN-EN 1916, PN-EN 1917 w konstrukcjach betonowych narażonych na słabe oddziaływania korozyjne (środowisko XA1 lub la) dla zapewnienia wymaganej trwałości wystarczy ochrona materiałowostrukturalna betonu, wszelkie izolacje są zbędne. Ochrona materiałowo-strukturalna to kompleks działań zapewniających odpowiednią trwałość betonu. W odniesieniu do obiektów kanalizacji deszczowej i sanitarnej przez ochronę materiałowostrukturalną w rozumieniu powyższych norm uznać należy: 

  • stosowanie do produkcji elementów betonu klasy nie niższej od C35/45,
  • stosowanie betonu o wskaźniku w/c nie większym od 0.45,
  • nasiąkliwość betonu nie powinna być większa od 6 %,
  • szerokość rozwarcia rys nie większa od 0.15 mm,
  • grubość otuliny dla elementów narażonych na środowisko klasy XD3 nie może być mniejsza od 40 mm,
  • stosowanie dla elementów narażonych na cykliczne zamrażanie i odmrażanie betonu napowietrzonego
  • o minimalnej zawartości powietrza 4%,
  • dokładne zagęszczenie betonu i właściwa pielęgnacja. 

Obiekty kanalizacji deszczowej i sanitarnej produkowane z betonu spełniającego powyższe wymagania stosowane w środowisku klasy XA1 zgodnie z aktualnymi normami nie wymagają żadnych izolacji antykorozyjnych zarówno na powierzchniach zewnętrznych jak i wewnętrznych.

Konstrukcje betonowe narażone na silne oddziaływania korozyjne (środowisko klasy XA3) dla zapewnienia wymaganej trwałości muszą być wykonane tak jak konstrukcje narażone na oddziaływanie środowiska klasy XA1 z betonu spełniającego wymagania ochrony materiałowo-strukturalnej, a ponadto powierzchnie narażone na działanie korozyjne muszą być zabezpieczone powłoką antykorozyjną trwale odcinającą dostęp środowiska agresywnego do konstrukcji. W obiektach kanalizacji deszczowej i sanitarnej narażonych na działanie silnie agresywnego środowiska na powierzchni wewnętrznej wykonać należy grubowarstwową powłokę izolacyjną. Trwałą i skuteczną izolację dla środowiska o pH > 3.5 wykonać można z materiałów mineralnych na bazie cementu o wysokiej odporności na siarczany, a dla środowisk o pH < 3.5 powłoki izolacyjne wykonywać należy z materiałów polimerowokrzemianowych lub żywic. Powłoka mineralna powinna mieć grubość nie mniejszą od 8 mm.

Natomiast dla skutecznego zabezpieczenia konstrukcji materiałami żywicznymi stosować należy laminaty (włóknina poliestrowa lub szklana + żywica). Powłoki nanoszone technikami malarskimi są niewystarczające ponieważ chropowatość powierzchni betonu praktycznie uniemożliwia uzyskanie jednorodnej, o potrzebnej grubości powłoki na całej powierzchni ilustruje rys. 2.


Rys.2. Zróżnicowanie grubości powłoki żywicznej na powierzchni betonu

Wpływ czynników korozyjnych na trwałość elementów żelbetowych i betonowych

W środowisku agresywnym na pierwszym etapie korozji siarczanowej powstające produkty korozji (siarczan wapnia i etryngit) powodują uszczelnienie struktury betonu, nieznaczny wzrost wytrzymałości betonu oraz obniżenie wskaźnika pH. Obniżenie wskaźnika pH poniżej wartości 11.8 skutkuje obniżeniem właściwości ochronnych otuliny zbrojenia, a spadek wskaźnika pH poniżej wartości 9.5 powoduje praktycznie utratę właściwości ochronnych i szybką korozję zbrojenia, co oznacza koniec możliwości eksploatacji konstrukcji. W przypadku konstrukcji betonowej pierwsza faza korozji siarczanowej może być nawet korzystna (poprawa szczelności i wzrost wytrzymałości), a neutralizacja betonu nie powoduje negatywnych skutków. W kolejnej fazie korozji siarczanowej dochodzi do uszkodzeń betonu spowodowanego rozsadzaniem struktury przez produkty korozji. W tej fazie, zbrojenie w konstrukcji żelbetowej jest już poważnie uszkodzone, a konstrukcja zagrożona katastrofą, ponieważ nośność zapewnia przede wszystkim zbrojenie. W przypadku konstrukcji betonowej następuje oczywiście pewne obniżenie nośności ale z uwagi na stosowane współczynniki bezpieczeństwa konstrukcja ciągle może być bezpiecznie eksploatowana.

W przypadku konstrukcji narażonych na działanie chlorków (np. elementy kanalizacji deszczowej w okresie zimowym) chlorki mogą spowodować przyspieszoną korozje zbrojenia. Korozja zbrojenia rozpoczyna się gdy stężenie chlorków w cieczy porowej w otulinie zbrojenia osiągnie wartość krytyczną. Po osiągnięciu krytycznej zawartości chlorków następuje uszkodzenie warstewek pasywnych na powierzchni stali i jej korozja. Ta krytyczna zawartość chlorków w zasadzie nie wywołuje uszkodzeń betonu, jest więc nieszkodliwa dla konstrukcji betonowej.

Większa podatność konstrukcji żelbetowych na korozję siarczanową i chlorkową powinna spowodować niemal całkowite zaprzestanie ich stosowania w obiektach kanalizacji deszczowej i sanitarnej. W przypadku stosowania elementów żelbetowych w wielu przypadkach zachodzić może konieczność stosowania kosztownych izolacji antykorozyjnych omówionych w pkt.2. Racjonalne projektowanie polega na takim przyjęciu wymiarów i zbrojenia danej konstrukcji, w przedmiotowym przypadku kanału lub studzienki, aby zachowane były określone współczynniki bezpieczeństwa niezależnie od zastosowanego rozwiązania (konstrukcja zbrojona lub nie), nośność elementów betonowych i żelbetowych dla określonego przypadku powinna być taka sama. Podkreślić należy, że nośność przewodu kanalizacyjnego lub kręgów studzienek żelbetowych racjonalnie zaprojektowanych nie powinna być większa od betonowych. Uszkodzenia elementów kanalizacji (zarysowania podłużne i poprzeczne, wykruszenia krawędzi) są zwykle wynikiem wad wykonawczych (przede wszystkim nie zachowaniem tolerancji wymiarowych produkowanych elementów), a nie zbyt małej nośności elementów. Tylko w szczególnych przypadkach (kanalizacja pod placami składowymi, pod budynkami, kanalizacja ułożona na bardzo dużej głębo- kości) gdy działające na elementy kanalizacji obciążenia osiągają bardzo wysokie wartości, może zaistnieć konieczność zastosowania elementów żelbetowych.

Podsumowanie

Z punktu widzenia trwałości systemów kanalizacji zarówno deszczowej jak i sanitarnej zdecydowanie korzystniejszym rozwiązaniem jest stosowanie betonu niezbrojonego. Beton w każdym przypadku powinien spełniać wymogi ochrony materiałowo-strukturalnej stosownie do klasy ekspozycji środowiska w którym pracuje dany element, a tolerancje wymiarowe powinny być zgodne z aktualnymi normami.

Literatura

  1. PN-EN 206-1: Beton, Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
  2. Fagerlung G., Trwałość konstrukcji betonowych, Arkady, Warszawa, 1977.
  3. PN-B-03264: 2002 Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Obliczenia statyczne i projektowanie.
  4. PN- 82/B-0181: Antykorozyjne zabezpieczenia w budownictwie. Konstrukcje betonowe i żelbetowe. Podstawowe zasady projektowania.
  5. PN-EN 1916: Rury i kształtki z betonu niezbrojonego, betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe.
  6. PN-EN 1917: Studzienki włazowe i niewłazowe z betonu niezbrojonego, zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe.
  7. Norma PN-B-19705 Cement specjalny. Cement portlandzki siarczanoodporny.
  8. Neville A.,M., Właściwości betonu, Polski Cement Sp. z o.o., Kraków, 2000

Sprawdź również

Trwała kanalizacja – kryteria doboru materiałów

Koszty inwestycji poniesione przez niemieckie gminy i operatorów sieci kanalizacyjnych w związku z odprowadzaniem ścieków wyniosły w latach 2002 – 2004 15,5 mld euro [1, 2], z czego 11,4 mld euro, czyli 73,5 % przypadło na samą sieć kanalizacyjną, a pozostałe 26,5 %, czyli niespełna 4,1 mld euro przeznaczone zostało na oczyszczalnie ścieków.

26.03.2012