Naprawy, wzmocnienie i ochrona betonowych obiektów hydrotechnicznych
Beton wykorzystywany do budowy obiektów hydrotechnicznych powinien być materiałem charakteryzującym się odpowiednią wytrzymałością mechaniczną oraz wysoką szczelnością. Jednak długotrwałe oddziaływanie szkodliwych czynników znajdujących się, w środowisku otaczającym beton (karbonatyzacja, korozja kwasowa, siarczanowa itp.) oraz wpływ cyklicznego procesu zamarzania — odmarzania, mogą doprowadzić do zniszczeń struktury betonu.
Mechanizmy degradacji betonu w konstrukcjach hydrotechnicznych
Na niekorzystny wpływ otoczenia narażony jest przede wszystkim zaczyn cementowy i najlepszym sposobem jego zabezpieczenia jest zmniejszenie przepuszczalności betonu dla wody (lub ogólnie dla cieczy) i gazów (głównie powietrze atmosferyczne). Wejście w reakcję zaczynu z otoczeniem prowadzi niemal zawsze do pogorszenia wytrzymałości oraz trwałości betonu. Proces ten ogólnie nazywamy korozją betonu i wymaga on środowiska ciekłego lub co najmniej znacznej wilgotności atmosfery otaczającej powierzchnię betonu. Karbonatyzacja betonu dla przykładu przebiega najszybciej w zakresie od 40% do 80% wilgotności względnej powietrza, pozostającej w równowadze z wilgotnością betonu. W wodzie przebieg karbonatyzacji jest znacznie wolniejszy co wynika z faktu, że czynnik stymulujący tj. CO2 w pierwszej kolejności rozpuszcza się w wodzie a dopiero później dyfunduje w głąb betonu. Transfer CO 2 do zaczynu powoduje reakcję z najbardziej reaktywnymi składnikami jakimi są : wodorotlenek wapniowy i gliniany wapniowe. Z tego właśnie powodu uważa się, że w betonach z cementów hutniczych progres karbonatyzacji jest szybszy ze względu na mniejszą zawartość wodorotlenku wapniowego Ca(OH)2 . A to właśnie ten rodzaj cementu najczęściej stosowano w budowlach hydrotechnicznych. Można wyróżnić dwa podstawowe mechanizmy korozji tj. rozpuszczanie i reakcje ekspansywne. Rozpuszczanie, a następnie wymywanie składników zaczynu prowadzi do powstawania wolnych przestrzeni w strukturze betonu, które mogą być, a w zasadzie zawsze są wypełniane przez ciecz co powoduje przyspieszenie destrukcji np. z powodu zamarzania wody. Rozsadzanie lub pękanie betonu może być też skutkiem reakcji ekspansywnych w zaczynie, które polegają na powstawaniu związków o małej rozpuszczalności wywołujących ciśnienie krystalizacji (np. korozja siarczanowa, która prowadzi do krystalizacji gipsu czy też krystalizujące uwodnione węglany sodowe będące wynikiem agresji zasadowej). Praktycznie wszystkie procesy korozyjne betonu w tym także korozja zbrojenia, którą w jakimś sensie możemy zaliczyć do zjawisk ekspansywnych (lokalne rozsadzanie otuliny) przy założeniu, że beton został prawidłowo zaprojektowany i wykonany, mają swój początek na styku powierzchnia betonu ze środowiskiem otoczenia (fot.1). W tej warstwie kontaktowej odbywa się transfer wody lub wilgoci, czynników korozyjnych czy wymiana jonów między związkami wapnia z betonu a związkami znajdującymi się w środowisku, zatem jest to swoista granica od przekroczenia której zależy ostatecznie trwałość betonu.
Fot.1
Krytyczna rola szczelności w zapewnieniu trwałości betonu
Jak już wspomniano na początku opracowania najlepszym sposobem zabezpieczenia najważniejszego składnika betonu tj. zaczynu cementowego, jest zmniejszenie przepuszczalności betonu dla wody i to można osiągnąć na wiele sposobów np. przez odpowiednie konstytuowanie mieszanki betonowej, stosowanie dodatkowych warstw mineralnych jako otuliny betonu. Wymienione metody- co do zasady- polegają na spowolnieniu procesów korozyjnych poprzez ograniczenie transferu wody przez beton. Znajomość przepuszczalności zaczynu jest więc niezwykle ważna z racji podstawowego wpływu na odporność betonu na ciekłe środowisko niszczące. Korelacja pomiędzy przepuszczalnością i szybkością transferu a trwałością betonu, wymaga uwzględnienia wielu czynników w tym takich jak : porowatość, skład fazowy zaczynu, adhezja pomiędzy zaczynem a kruszywem i charakterystyka warstw granicznych pomiędzy składnikami. Przepuszczalność dla cieczy można wyliczyć ze zmodyfikowanego równania D’Arcy’ego :
Q=KA dh/dl
Gdzie : Q – przepływ cieczy przez próbkę (m3/s)
K – współczynnik przepuszczalności materiału próbki (m/s)
A – przekrój poprzeczny powierzchni przepływu (m2)
- gradient ciśnienia hydraulicznego
Widać z powyższego równania, że przepuszczalność betonu w stosunku do wody zależy głównie od współczynnika K, a jego wartość rośnie wraz z objętością porów w betonie (która może ulegać zmianą w czasie na skutek hydratacji) oraz od ciśnienia cieczy. Ciśnienie wywołujące przepływ przez beton można oznaczyć jako: P/ϱgl, gdzie P jest ciśnieniem przyłożonym, ϱ – gęstością próbki betonu, g -przyspieszeniem ziemskim, l – grubością próbki. Zatem, aby spowolnić przepływ cieczy przez beton można zmniejszyć ilość porów w betonie lub zwiększyć jego grubość co powinno dać podobny efekt „doszczelnienia” betonu. Szczelność betonu można jednak zagwarantować dużo łatwiejszą metodą poprzez wytworzenie na jego powierzchni warstwy wierzchniej o bardzo ścisłej zabudowie struktury wewnętrznej, która jest praktycznie nieprzepuszczalna dla cieczy i w zasadzie pozbawiona porów i zarysowań charakterystycznych dla betonu. Ta warstwa to powłoka kompozytowa, która stanowi barierę dla przenikania wody, ale także gazów takich jak opisanych wcześniej CO2 i innych jak np. SO2
Fot. 2
Powłoki kompozytowe Belzona jako bariera dyfuzji mediów korozyjnych
Taki efekt daje polimerowa powłoka kompozytowa Belzona®4151, która dzięki wysokiej zdolności do zwilżania betonu głęboko wnika w jego porowatą strukturę ( do 5mm warstwy wierzchniej betonu) powodując jego wzmocnienie (mostkowanie zarysowań i wypełnianie porów), a następnie tworzy się warstwa ochronna na powierzchni betonu (fot. 4). Beton, a w zasadzie zaczyn cementowy, zostaje w ten sposób całkowicie zabezpieczony przed przepływem szkodliwych cieczy i gazów. Jako ciekawostkę warto w tym miejscu wymienić specjalną powłokę kompozytową Belzona®5811 (fot.3.), która posiada znacząco zwiększoną szczelność na dyfuzję jonów Cl- (chlorków), najbardziej „energetycznych” cząstek zagrażających strukturze betonu. Wymienione powłoki cechuje bardzo wysoka przyczepność do betonu, a to jest również cecha innego z kompozytów tj. Belzona®4111, którego można zastosować do naprawy i reprofilacji uszkodzonego betonu (fot. 2).
Fot. 3
Naprawy konstrukcyjne i reprofilacje z użyciem kompozytu Belzona®4111
Naprawy z użyciem Belzona®4111 są niezwykle skuteczne, ponieważ oprócz bardzo wysokiej adhezji do betonu kompozyt ten posiada znacznie wyższą wytrzymałość na ściskanie tj. ok 100 MPa oraz ok. 30 MPa na rozciąganie. Wytrzymałość doraźna kompozytu naprawczego Belzona®4111 w połączeniu ze znaczną jego giętkością (bardzo niski moduł sprężystości ponad 10 razy niższy od betonu) czyni go materiałem niezawodnym w naprawach betonu. Wymienione parametry wraz z efektem pewnego umocnienia podłoża naprawianego sprawiają, że warstwa kompozytu Belzona®4111 wraz z warstwą betonową tworzą nowy niezawodny system gwarantujący zwiększenie wytrzymałości oraz trwałości betonu.
Opracował: Roman Masek BELSE