PRZYCZYNY I SKUTKI POSTĘPUJĄCEJ DESTRUKCJI BETONU W TRZONACH KOMINÓW PRZEMYSŁOWYCH.pdf

Dr hab. inŜ. Maria FIERTAK, prof. PK, mfiertak@imikb.wil.pk.edu.pl

Politechnika Krakowska

InŜ. Stanisław KAŃKA, skanka@imikb.wil.pk.edu.pl

Politechnika Krakowska

Mgr inŜ. Mariusz KĘDZIERSKI, biuro@emka.krakow.pl

EMKA Usługi Specjalistyczne

PRZYCZYNY I SKUTKI POST Ę PUJ Ą CEJ DESTRUKCJI BETONU

W TRZONACH KOMINÓW PRZEMYSŁOWYCH

THE CAUSES AND EFFECTS OF ADVANCING CONCRETE DESTRUCTION

IN THE TRUNKS OF ENERGETIC CHIMNEYS

Streszczenie W referacie przedstawiono wyniki badań postępu destrukcji betonu trzonu komina energetycznego

na podstawie badań i analiz przeprowadzonych w latach 1995-2006. Badania obejmują okres, w którym komin

pracował jako typowy tzw. „gorący” oraz po wprowadzeniu IOS, a takŜe po wykonaniu remontu powierzchni

zewnętrznej. Stwierdzono, iŜ mechanizm destrukcji nie uległ zmianie, a istotne przyspieszenie zasięgu skaŜenia

związane jest z wykonaniem naprawy polegającej na uszczelnieniu powierzchni zewnętrznej trzonu komina.

Abstract In this paper there were presented the results of research on the progress of concrete destruction in

the trunk of energetic chimney on the basis of research and analysis, which had been carried out from 1995 to

2006. The research include period of time in which the object worked as a typical, so called, „hot” chimney and

after introducing sulphur removal installation (SRI) and renovation of the outer surface. It was stated that the

mechanism of destruction hadn’t changed, and the significant acceleration of contamination range was connected

with sealing of the outer surface of the chimney trunk.

1. Wprowadzenie

Wymogi ekologiczne spowodowały, iŜ w ostatnich latach liczne zakłady

elektroenergetyczne wprowadzają instalacje odsiarczania spalin (IOS), co w zasadniczy

sposób wpływa na parametry fizyko-chemiczne gazów odprowadzanych dotychczas przez

kominy tzw. gorące. MoŜna generalnie biorąc stwierdzić, Ŝe bez względu na konkretnie

zastosowaną technologię odsiarczania, charakterystyka gazów odlotowych zmienia się

w stopniu znaczącym. Ma to istotny wpływ zarówno na parametry ciągu kominowego, jak

i na charakter zagroŜenia korozyjnego materiałów występujących w kominie. ZagroŜenie to

zmienia się zwłaszcza wtedy, gdy przez dłuŜszy czas uŜytkowane „gorące” kominy zostają

zaadaptowane, bez modyfikacji warstw wewnętrznych, do odprowadzania gazów

odsiarczonych.

Środowisko pracy kominów energetycznych moŜna więc ze względu na rodzaj

odprowadzanych spalin podzielić na:

1° środowisko spalin „suchych”

2° środowisko spalin „mokrych”.

819

Spaliny odprowadzane z kotłów parowych lub wodnych opalanych węglem (spaliny suche)

charakteryzują się stosunkowo wysoką temperaturą, przeciętnie powyŜej 120°C, maksymalnie

do 240°C, niską zawartością wilgoci oraz znaczną zawartością związków siarki. Takie

warunki zazwyczaj nie powodują spadku temperatury poniŜej punktu rosy, choć wpływają na

powolne i systematyczne skaŜenie betonu związkami siarki.

Wprowadzanie zmian w elektrowniach i elektrociepłowniach polega na budowie Instalacji

Odsiarczania Spalin (IOS), zamianie kotłów tradycyjnych na fluidalne oraz coraz

powszechniejsze stosowanie tzw. „biopaliw”, głównie biomasy w postaci trocin. KaŜde z tych

rozwiązań wpływa korzystnie na środowisko poprzez ograniczenie emisji czynników

szkodliwych, a w szczególności obniŜenie zawartości siarki w spalinach (SO 2 ≤500 mg/Nm 3 ).

WiąŜe się to jednak ze znaczącą zmianą parametrów spalin tj. obniŜeniem ich temperatury do

70-110°C przy jednoczesnym wzroście ich wilgotności w granicach 7-12%. W przewodach

odprowadzających tego rodzaju spaliny, gazy stale lub okresowo mają temperaturę niŜszą od

punktu rosy, co wpływa na wykraplanie się kondensatu i pomimo niŜszego stęŜenia SO 2

powoduje zwiększenie agresywności środowiska w stosunku do tworzyw cementowych.

2. Wpływ sposobu eksploatacji i przeprowadzanych remontów

na zró Ŝ nicowanie uszkodze ń betonu trzonu kominów

2.1 Nieremontowane kominy odprowadzające spaliny gorące

Główne uszkodzenia i degradacja betonu związane są z wadami wykonawczymi oraz

agresją czynników środowiskowych. Do wad wykonawczych naleŜą: raki

i niedobetonowania, odkryte pręty zbrojeniowe, szczeliny i pęknięcia w miejscach szwów

roboczych uskoki na styku ułoŜenia płyt szalunkowych. Wady wynikające z oddziaływań

środowiskowych to głównie odspojenia betonu związane z korozją zbrojenia, wycieki wzdłuŜ

rys oraz wycieki punktowe (korozja rozpuszczania), ubytki i odspojenia betonu związane

z korozją pęcznienia (siarczanową i chlorkową) oraz rysy i pęknięcia pionowe związane

z oddziaływaniami termicznymi.

Wieloletnia eksploatacja i zmiany parametrów fizykochemicznych betonu, w szczególności

w otulinie zbrojenia mogą powodować w pewnym momencie gwałtowne przyspieszenie

destrukcji betonu.

2.2 Kominy po wprowadzeniu IOS

Szczególne uszkodzenia wykazują kominy „mokre” pracujące bez odpowiedniego

przystosowania przewodów spalin. Eksploatacja tych konstrukcji powoduje powstawanie:

intensywnych wycieków wapna wzdłuŜ rys i szwów roboczych oraz wycieków

punktowych w miejscach uszkodzonego betonu

ługowanie Ca(OH) 2 przez rysy i pęknięcia pionowe pochodzenia termicznego

odspojenia lica betonu wraz z naniesionymi warstwami naprawczymi.

Na obraz destrukcji betonu mają wpływ: zmiana parametrów odprowadzanych gazów

(obniŜenie temperatury przy wzroście wilgotności), silne skaŜenie chemiczne przekroju

betonowego na wskutek wieloletniej eksploatacji komina odprowadzającego spaliny silnie

zasiarczone oraz brak zabezpieczenia wewnętrznej powierzchni trzonu Ŝelbetowego przed

przenikaniem wilgoci i gazów.

820

2.3 Kominy po przeprowadzonym remoncie

Silne uszkodzenia betonu trzonu komina mogą występować równieŜ po przeprowadzonym

remoncie. Przyczynami ich mogą być: błędnie dobrana technologia warstw naprawczych,

wykonanie remontu jedynie od zewnątrz bez eliminacji przyczyn uszkodzeń (brak

odpowiedniej izolacji termicznej, co wpływa na powiększające się pęknięcia termiczne, brak

ochrony betonu od wnętrza przy agresywnym, mokrym środowisku) lub złe przygotowanie

powierzchni i niedbała aplikacja materiałów.

O ile zastosowanie po stronie zewnętrznej nowoczesnych materiałów ochronnych betonu

zatrzymuje procesy jego destrukcji pod wpływem czynników atmosferycznych, to wpływa

niekorzystnie na pracę cieplo-wilgotnościową trzonu jako przegrody budowlanej.

Zatrzymanie wody wewnątrz przekroju znacznie przyspiesza procesy rozkładu spoiwa

zapoczątkowane wcześniej. Woda jest środowiskiem w którym szybkość reakcji znacznie

wzrasta, co moŜe doprowadzić do całkowitej degradacji materiału w ciągu zaledwie kilku lat.

PoniŜej przedstawiono wyniki badań betonu trzonu komina, eksploatowanego przez 20 lat

jako typowy komin tzw. „gorący”. Następnie w ciąg odprowadzania spalin włączono IOS. Po

roku pracy komina w zmienionych warunkach przeprowadzono badania pozwalające

stwierdzić, czy i w jakim stopniu zmiany w sposobie odprowadzania spalin wpłynęły na silnie

zasiarczony beton.

W 2000 r. wykonano remont powierzchni zewnętrznej polegający na nałoŜeniu warstw

naprawczych i polimerowej powłoki uszczelniającej beton. W 2006 r. zaobserwowano silne

zniszczenia polegające na rozwarstwieniu betonu, odpadaniu otuliny i destrukcji głębszych

warstw betonu. Uszkodzenia zewnętrznej powierzchni trzonu i ich nasilanie się

przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Uszkodzenia zewnętrznej powierzchni trzonu

(kolorem czerwonym oznaczono nowe i powiększone ubytki w okresie pomiędzy kolejnymi przeglądami)

821

3. Opis i wyniki bada ń

Autorzy prowadzili badania betonu pobranego w formie odwiertów przelotowych. Stan

betonu oceniono na podstawie następujących badań i oznaczeń:

odczynu (pH) wyciągu wodnego

zawartości spoiwa i kruszywa

zawartości jonów SO 4 2– i Cl –

gęstości pozornej, nasiąkliwości i wytrzymałości na ściskanie

badań strukturalnych w mikroskopie skaningowym wyposaŜonym w analizator

rentgenowski.

Rolę poszczególnych oznaczeń i dopuszczone normami ich wartości graniczne omówiono

wcześniej w innych publikacjach [1], [2], [3] i [4].

W tablicy 1 przedstawiono porównanie wyników badań uzyskanych kolejno po 20 latach

eksploatacji komina bez instalacji IOS, po rocznym okresie odprowadzania spalin

odsiarczonych oraz po wykonaniu remontu powierzchni zewnętrznej. Porównanie to dotyczy

skrajnych zawartości odczynu (pH), jonów siarczanowych i chlorkowych w betonie. Badano

beton warstw zewnętrznych i beton kontaktujący się z materiałem izolacji termicznej.

Wyniki badań przedstawione w tablicy 1 wskazują, iŜ o ile w ciągu 20 lat pracy komina

w warunkach duŜego stęŜenia SO 2 i wysokiej temperatury wystąpiło znaczne skaŜenie betonu

jonami SO 4 2– i Cl – , to w ciągu tylko 1 roku pracy komina z IOS, zwłaszcza minimalne

stęŜenia tych jonów znacznie wzrosły. Po wykonaniu remontu wystąpiło silne

odalkalizowanie spoiwa w betonie, które objęło strefę zbrojenia zewnętrznego.

W badaniach strukturalnych potwierdzono opisaną w [3] strefowość destrukcji

w poziomym przekroju płaszcza. W betonie (20 lat pracy bez IOS i 12 miesięcy z włączoną

instalacją odsiarczania) pobranym w formie rdzeni występowały trzy warstwy róŜniące się

zasięgiem i rodzajem produktów korozji. W warstwie o grubości 3-4 cm od wnętrza komina,

beton był silnie zniszczony, z krystalizującym gipsem wtórnym (patrz rys.2). Kolejną

warstwą o grubości 1-2 cm stanowił beton, którego spoiwo zawierało znaczne ilości ettringitu

(rys.3) oraz zasadowego chlorku wapnia (rys.4). Poza opisanymi warstwami, beton

wykazywał prawidłowy odczyn oraz zawartość jonów SO 4 2– nie przekraczającą 2,5% masy

spoiwa. Nie stwierdzono w nim równieŜ obecności jonów Cl – .

Tablica 1 Zawartości jonów siarczanowych i chlorkowych w betonie trzonu komina

Wartości skrajne odczynu i oznaczanych jonów [% masy spoiwa]

Warstwy zewnętrzne

Warunki pracy

komina

Warstwy wewnętrzne

SO 4 2–

Cl –

SO 4 2–

Cl –

20 lat pracy bez

IOS

12,0–11,0

2,5–5,2

0,08–0,30

10,9–10,4

2,5–7,2

0,18–0,50

1 rok pracy z IOS

SO 4 2–

11,8–10,6

3,5–6,4

0,08–0,40

10,8–8,6

3,5–7,4

0,22–0,72

Po remoncie

i uszczelnieniu

powierzchni

zewnętrznej

10,6–7,8

3,5–6,8

0,08–0,50

9,6–7,8

3,5–8,2

0,28–0,72

Przyczyny i skutki degradacji betonu trzonu komina po wykonanym remoncie powierzchni

zewnętrznej trzonu pozwoliły określić wyniki badań, których analiza wykazała, Ŝe:

beton jest silnie odalkalizowany i rozwarstwiony, wykazuje zarówno w warstwach

wewnętrznych jak i zewnętrznych obecność pęczniejącego ettringitu wtórnego

822

32H 2 O), który jest produktem korozji siarczanowej. W betonie

tym występuje równieŜ zawyŜona zawartość jonów chlorkowych związanych w sól

Friedela (3CaO×Al 2 O 3 ×CaCl 2 ×10H 2 O). Jony chlorkowe występują takŜe w warstwie

z bezpośredniego kontaktu ze zbrojeniem

Al 2 O 3

3CaSO 4

Rys. 2. Gips jako produkt korozji siarczanowej betonu w warstwach wewnętrznych trzonu

Rys. 3. Ettringit jako produkt korozji siarczanowej betonu wraz z analizą EDS w zaznaczonych punktach

spoiwo badanych betonów uległo w znacznej mierze rozkładowi, którego głównymi

produktami są węglan wapniowy i krzemionka (rys.5 i 6)

szczególnie intensywny rozkład spoiwa występował pod warstwami naprawczymi

w warstwach zewnętrznych betonu

823

(3CaO

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: