03_Gawlicki_M_i_inni_Uszkodzenia_konstrukcji_betonowych_jako_rezultat_tworzenia_thaumasytu.pdf

XXIV

awariebudowlane

Dr hab. inŜ. M AREK G AWLICKI , gawlic@agh.edu.pl

Dr inŜ. R ADOSŁAW M RÓZ , rmroz@agh.edu.pl

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Wydział InŜynierii Materiałowej i Ceramiki

Katedra Technologii Materiałów Budowlanych

USZKODZENIA KONSTRUKCJI BETONOWYCH JAKO REZULTAT

TWORZENIA THAUMASYTU

THE CONCRETE CONSTRUCTION DAMAGE AS RESULT OF THAUMASITE FORMATION

Streszczenie ZagroŜenia betonów w wyniku tworzenia się w nich thaumasytu są mało znanym typem korozji,

której konsekwencje są trudne do przewidzenia i w określonych warunkach mogą doprowadzić do zniszczenia

całej konstrukcji. W pracy opisano mechanizmy powstawania thaumasytu w zaprawach i betonach cementowych

oraz przedstawiono wyniki badań wpływu, jaki na tworzenie się thaumasytu wywierają zmiany zawartości

w cementach powszechnego uŜytku glinianu trójwapniowego – 3CaO

Abstract The hazards for concretes as a results of thaumasite formation are no well know corrosion type.

The consequences are difficult to predict, and in specified conditions they can provide to total construction

destruction. In this work the thaumasite formation mechanisms in cement mortars and concretes are described.

There are presented the results of influence of 3CaO×Al 2 O 3 and calcium carbonate content changing in common

cements on thaumasite formation. Also there are showed the examples of constructions damages, which were

results of “thaumasite corrosion”.

1. Wprowadzenie

Jednym z zagroŜeń, na jakie naraŜone są konstrukcje betonowe jest utrata projektowych

właściwości uŜytkowych betonów spowodowana oddziaływaniem agresywnych czynników

zewnętrznych lub niepoŜądanych przemian i reakcji chemicznych następujących wewnątrz

betonów. W początkowej fazie procesy te przebiegają z niewielką szybkością, lecz ich konse-

kwencje, zwłaszcza, gdy zmiany właściwości uŜytkowych betonów nie zostaną zauwaŜone

dostatecznie wcześnie, mogą doprowadzić do uszkodzenia, a nawet zniszczenia konstrukcji

naraŜonej na takie działania. Sytuacja jest groźna szczególnie wtedy, gdy przyczyny i mecha-

nizm zaistniałych zagroŜeń są mało znane lub, co gorsza, powodujące je czynniki zostały źle

zidentyfikowane.

Czy jednak, niemal 200-letnia historia cementu portlandzkiego i wytwarzanych z jego

udziałem betonów, nie stanowi gwarancji, Ŝe wszystkie tego typu niebezpieczeństwa, realnie

zagraŜające konstrukcjom betonowym zostały poznane w sposób co najmniej dostateczny?

OtóŜ, odpowiedź na to pytanie nie jest ani prosta, ani jednoznaczna, gdyŜ na przestrzeni

lat, jakie minęły od daty zgłoszenia historycznego patentu przez Josepha Aspdina [1], wielora-

XXIVKonferencjaNaukowoTechniczna

SzczecinMiędzyzdroje,2629maja2009

Al 2 O 3 oraz węglanu wapnia. Zaprezento-

wano równieŜ przykłady uszkodzeń konstrukcji budowlanych, będących rezultatem „korozji thaumasytowej”.

Materiałowe aspekty awarii, uszkodze ń i napraw

kim przeobraŜeniom ulegał zarówno cement portlandzki, jak teŜ zmieniły się warunki eksplo-

atacji konstrukcji betonowych.

W okresie ostatnich kilku lat obserwuje się znaczne przyspieszenie tempa zmian cemen-

tów powszechnego uŜytku. Restrykcyjne ustawodawstwo Unii Europejskiej zmusza producen-

tów cementu do coraz większego ograniczania emisji dwutlenku węgla. Konsekwencją takich

działań jest między innymi postępujące zmniejszanie się udziału cementu portlandzkiego

CEM I w całkowitej masie produkowanych cementów oraz wzrost ilości cementów miesza-

nych zawierających obok klinkieru portlandzkiego inne składniki główne (dodatki mineralne)

– popioły lotne, granulowany ŜuŜel wielkopiecowy oraz wapień. Nie moŜna wykluczyć, Ŝe do

cementów zostaną wprowadzone równieŜ wapienne popioły lotne, które nie były dotychczas

stosowane w Polsce, mimo, Ŝe norma PN-EN 197-1 [2] zezwalała na ich wykorzystywane

jako składnika głównego cementów powszechnego uŜytku (cementy CEM II W). Wzrośnie

zapewne równieŜ produkcja cementów wieloskładnikowych oraz portlandzkich cementów

wapiennych CEM II LL i CEM II L. Cementy te na rynkach państw trzecich nie budzą

zastrzeŜeń, jednak wykonane z nich betony eksploatowane są w odmiennych warunkach kli-

matycznych niŜ warunki panujące w Polsce. Nie moŜna wykluczyć, Ŝe dokonujące się zmiany

składu cementów mogą zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpienia w betonach zjawisk,

które dotychczas w Polsce nie były identyfikowane. Jednym z takich zjawisk jest „korozja

thaumasytowa”, stanowiąca mało dotychczas znaną formę korozji siarczanowej betonów.

Destrukcja betonów w wyniku tworzenia się thaumasytu [3] ma inny charakter niŜ

niszczenie betonu na skutek powstania w nim wtórnego ettringitu i gipsu – „typowych”

produktów zaawansowanej korozji siarczanowej betonów cementowych. Dobrze wykształ-

cone krystaliczne formy ettringitu i gipsu zajmują znacznie większe objętości niŜ substraty

reakcji chemicznych prowadzących do ich powstania. W wyniku tych róŜnic następuje gene-

rowanie napręŜeń rozciągających, które obniŜając wytrzymałość betonu, mogą doprowadzić

do zniszczenia konstrukcji. W przypadku tworzenia się thaumasytu nie obserwuje się znaczą-

cych napręŜeń w betonie, następuje natomiast przekształcanie się stwardniałego zaczynu

cementowego w niespójną masę, co jest równoznaczne z zanikiem podstawowych funkcji,

jakie w betonie spełnia stwardniały zaczyn cementowy. Początkowo wzrasta porowatości

betonu, następnie beton traci spójność, łatwo się wykrusza, odsłaniając swe głębsze warstwy

i zbrojenie, co dodatkowo przyspiesza procesy destrukcyjne. O tym, Ŝe obecność thaumasytu

w betonie stanowi waŜny problem, a zagroŜeń wynikających z korozji thaumasytowej nie

naleŜy lekcewaŜyć świadczą między innymi raporty powołanej w Wielkiej Brytanii specjalnej

grupy badawczej – Thaumasite Expert Group (TEG) [4, 5].

W Polsce nie udokumentowano dotychczas przykładów zniszczeń konstrukcji betonowych

w wyniku utworzenia się w nich znaczących ilości thaumasytu. Wydaje się jednak, Ŝe warunki

klimatyczne w naszym kraju na tyle sprzyjają korozji tego typu, Ŝe pozostaje to kwestią czasu

i odpowiednio rozbudowanego systemu monitoringu.

Celem referatu jest prezentacja mechanizmów powstawania thaumasytu oraz omówienie

wpływu, jaki na jego tworzenie wywierają węglan wapnia – CaCO 3 oraz glinian trójwapniowy

– 3CaO×Al 2 O 3 (C 3 A) zawarte w zaczynach cementowych. W pracy przedstawiono równieŜ

szereg przykładów korozji thaumasytowej.

2. Mechanizm tworzenia si ę thaumasytu w betonach cementowych

Większość autorów określa thaumasyt jako złoŜoną sól wapniową – uwodniony siarcza-

no-węglano-krzemian wapnia, przypisując mu wzór: Ca 3 [Si(OH) 6 ]

CO 3

SO 4

12H 2 O lub

Ca 6 [Si(OH) 6 ] 2 (CO 3 ) 2 (SO 4 ) 2

24H 2 O [3]. W warunkach naturalnych thaumasyt występuje

430

Gawlicki M. i inni: Uszkodzenia konstrukcji betonowych jako rezultat tworzenia thaumasytu

3H 2 O (C-S-H), z węglanami i siarcza-

nami wapnia lub drogą pośrednią poprzez sukcesywne przekształcanie się w thaumasyt wood-

fordytu stanowiącego roztwór stały ettringitu i thaumasytu. Proces tworzenia się thaumasytu

przebiega w zawilgoconych betonach i zaprawach cementowych w temperaturze poniŜej

15 o C, przy pH wyŜszym niŜ 10,5 [3]. W zaleŜności od warunków, thaumasyt moŜe powstać

w betonie w ilościach identyfikowalnych rentgenograficznie, juŜ po kilku tygodniach, lub

dopiero po kilku latach. Z największą intensywnością procesy tworzenia się thaumasytu

przebiegają w zakresie temperatur 0÷5 o C [6].

Utworzenie thaumasytu w wyniku bezpośredniej reakcji chemicznej uwodnionych krze-

mianów wapnia z siarczanem i węglanem wapnia moŜna zapisać następująco:

Ca 3 Si 2 O 7

3H 2 O + 2(CaSO 4

2H 2 O) + 2CaCO 3 + 24H 2 O

Ca 6 [Si(OH) 6 ] 2 (CO 3 ) 2 (SO 4 ) 2 ·24H 2 O + Ca(OH) 2

Substratami reakcji chemicznej prowadzącej do powstania thaumasytu na „drodze wood-

fordytowej” są: „ettringitowy składnik” woodfordytu – Ca 6 [Al(OH) 6 ] 2 (SO 4 ) 3 ·26H 2 O, uwod-

nione krzemiany wapnia – Ca 3 Si 2 O 7 ·3H 2 O, oraz węglan wapnia, dwutlenek węgla i woda.

Przebieg procesu opisuje równanie:

Ca 6 [Si(OH) 6 ] 2 (CO 3 ) 2 (SO 4 ) 2 ·24H 2 O + CaSO 4 ·2H 2 O + Al 2 O 3 ·xH 2 O + 3Ca(OH) 2

Tworzenie się thaumasytu w betonach zachodzi zazwyczaj obydwiema drogami, w wyni-

ku rekcji bezpośredniej oraz poprzez przekształcanie się woodfordytu. O przewadze jednego

lub drugiego sposobu powstawania thaumasytu, decyduje w duŜej mierze skład fazowy

i chemiczny zaczynu cementowego [4]. Szybkość tworzenia się thaumasytu uzaleŜniona jest

od wielkości stosunku molowego CaO:SiO 2 w uwodnionych krzemianach wapnia – C-S-H [7]

Przekształcaniu się woodfordytu w thaumasyt sprzyja wzrost zawartości w zaczynie wodoro-

tlenku wapnia oraz uwodnionych glinianów, uwodnionych glinoŜelazianów wapnia oraz

ettringitu [6]. Ograniczenie w środowisku reakcji zawartości ettringitu powoduje, Ŝe thauma-

syt powstaje głównie w sposób bezpośredni.

Przeprowadzone badania wykazały, Ŝe thaumasyt moŜe się tworzyć równieŜ w wyniku

przebudowy struktury ettringitu pozostającego w kontakcie z roztworami zawierającymi

znaczne ilości jonów wapnia i jonów węglanowych. Proces tworzenia się thaumasytu w takich

warunkach zachodzi jednak bardzo wolno.

3. Wpływ 3CaO

Al 2 O 3 i CaCO 3 na powstawanie thaumasytu

Odporność betonów na działanie siarczanów jest w znacznej mierze kształtowana przez

porowatość zaczynów cementowych oraz skład fazowy produktów hydratacji cementów,

431

bardzo rzadko. Tworzy drobnokrystaliczne Ŝyłki zbudowane ze „spilśnionej masy thaumasy-

towej” lub formy igłowe. Jako produkt korozji betonów thaumasyt opisany został po raz

pierwszy w roku 1965. Występuje zazwyczaj obok innych produktów korozji – ettringitu,

kalcytu, brucytu i gipsu. Pierwszy przypadek „korozji thaumasytowej” w Europie odnotowano

w Anglii w roku 1969 w zaprawach cementowych zawierających znaczne ilości węglanu

wapnia i pozostających w kontakcie z tynkiem gipsowym w warunkach niskich temperatur

i duŜej wilgotności [5].

Thaumasyt moŜe powstać w wyniku bezpośredniej reakcji produktów hydratacji cementu,

głównie uwodnionych krzemianów wapnia – Ca 3 Si 2 O 7 ×

Ca 6 [Al(OH) 6 ] 2 (SO 4 ) 3 ·26H 2 O + Ca 3 Si 2 O 7 ·3H 2 O + CaCO 3 + CO 2 + xH 2 O

Materiałowe aspekty awarii, uszkodze ń i napraw

a zwłaszcza udział w zaczynie uwodnionych glinianów wapnia, które w opinii szeregu

autorów kontrolują postęp korozji siarczanowej betonów. Wprowadzenie do układu cement –

woda węglanu wapnia moŜe w znacznym stopniu zmienić przebieg tworzenia się produktów

korozji siarczanowej [8].

Chcąc dokonać oceny wpływu zawartości 3CaO

Al 2 O 3 . Natomiast cementy serii II uzyskano z klinkieru portlandzkiego o zawartości

10% 3CaO

Al 2 O 3 . Węglan wapnia wprowadzono do cementów w ilości 20% i 40%. Składy

cementów podano w tablicy 1.

Tablica 1. Skład cementów uŜytych do badań

Skład cementu [% mas.]

Seria

Oznaczenie

próbki

cementu

klinkier

portlandzki

3CaO

klinkier portlandzki

3CaO

CaCO 3

o pow. właściwej

wg Blaine’a

S = 3500 cm 2 /g

gips

Stosunek

w/c

Al 2 O 3 ~ 10%

Al 2 O 3 < 3%

–

0,5

–

0,5

–

0,5

–

0,5

Przedmiot badań stanowiły zaczyny i zaprawy przygotowane z cementów opisanych w ta-

blicy 1. Próbki przechowywano w 5% roztworze siarczanu sodu oraz w wodzie w tempera-

turze 5 o C i 20 o C. Badania obejmowały analizy fazowe wykonane metodą dyfraktometrii

rentgenowskiej XRD oraz obserwacje mikroskopowe SEM i analizę chemiczną w mikro-

obszarach EDS.

Po roku przechowywania w temperaturze 5 o C zaczyny cementowe o niskiej zawartości

3CaO

Al 2 O 3 , przetrzymywanych w 5%

roztworze siarczanu sodu. Najwyraźniej zniszczenia zaznaczały się w zaczynach przygotowa-

nych z cementu C4. Na odspojonych, przypowierzchniowych warstwach zaczynów i zapraw

produkty korozji, tworzyły gniazdowe skupienia białej, spilśnionej masy. Analizy produktów

korozji wykonane metodami XRD oraz SEM-EDS potwierdziły występowanie w nich,

znacznych ilości thaumasytu przemieszanego z ettringitem.

Gniazdowe skupienia ettringitowo-thaumasytowe występujące w zaczynach serii C3 i C4

charakteryzowały się róŜną wielkością ziaren, osiągających wymiary od kilkunastu do kilku-

dziesięciu m. Wyniki analizy EDS sugerują, Ŝe w badanych konglomeratach ziarnowych

dominuje thaumasyt. Rentgenowska analiza dyfraktometryczna XRD wykazała natomiast

istnienie roztworów stałych, których skrajnymi członami są ettringit i thaumasyt. W próbkach

przechowywanych w temperaturze 20 o C, niezaleŜnie od ilości wprowadzonego do nich

węglanu wapnia, nie stwierdzono obecności thaumasytu. Produktami korozji tych próbek były

ettringit i gips. Przykłady zdjęć omawianych produktów korozji (SEM) oraz wyniki badań

EDS przedstawiono na rys.1–3.

432

Al 2 O 3 i CaCO 3 w cementach na tworzenie

się thaumasytu w zaczynach cementowych przygotowano dwie serie próbek. Serię I stanowiły

cementy, do przygotowania których uŜyto klinkieru portlandzkiego zawierającego 3%

3CaO

Al 2 O 3 (3%), niezaleŜnie od ilości wprowadzonego do nich węglanu wapnia (próbki C1,

C2), zarówno te dojrzewające w wodzie, jak i przechowywane w roztworze siarczanu sodu

nie wykazywały obecności produktów korozji siarczanowej.

Produkty zaawansowanej korozji obserwowano natomiast w zaczynach cementowych

uzyskanych z klinkierów zawierających około 10% 3CaO

Gawlicki M. i inni: Uszkodzenia konstrukcji betonowych jako rezultat tworzenia thaumasytu

Rys. 1. SEM-EDS. Zaczyn cementowy C4 po

360 dniach dojrzewania w roztworze Na 2 SO 4

w temperaturze 5 o C

Rys. 2. SEM-EDS. Zaczyn C4

po 360 dniach dojrzewania

w roztworze Na 2 SO 4 w tempe-

raturze 5 o C

Rys. 3. SEM-EDS. Zaczyn C3

po 360 dniach dojrzewania

w roztworze Na 2 SO 4 w tempe-

raturze 5 o C

4. Przykłady zniszcze ń betonu w wyniku korozji thaumasytowej

W literaturze opisane są stosunkowo liczne są przykłady zaawansowanej korozji thaumasy-

towej betonów wykonanych na kruszywach węglanowych oraz korozji fundamentów

budynków posadowionych na gruntach wapiennych, poddanych penetracji wód gruntowych.

Znaczna liczba informacji dotyczy równieŜ obecności thaumasytu w materiałach stosowanych

w budownictwie drogowym oraz stabilizacji gruntów [9].

Bickley [10] podał szereg przypadków korozji thaumasytowej fundamentów budynków na

północy Kanady, których część miała zaledwie 2 lata. Fundamenty tych budynków, wykonane

z betonów na kruszywie węglanowym, były naraŜone na kontakt z woda gruntową w okresie

arktycznego lata i długotrwałe okresy oddziaływania niskich temperatur.

433

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: