Beton w infrastrukturze komunalnej
CONCRETE FOR MUNICIPAL INFRASTRUCTURE
Streszczenie
W pracy omówiono zagrożenia korozyjne dla betonowych budowli komunalnych.
Określono graniczne wartości pH oraz stężeń występujących czynników korozyjnych,
zaprezentowano przykłady uszkodzeń oraz przeanalizowano przyczyny przyspieszonej
destrukcji betonu. Dla przeanalizowania tych zagadnień wykorzystano obszerne wyniki
własnych badań przeprowadzonych na licznych obiektach na terenie całego kraju. Wy-
korzystując zgromadzone dane oraz obowiązujące normy sformułowano wymagania dla
betonu w budowlach infrastruktury komunalnej przyjmując, że podstawowym kryterium
dla takiego betonu jest jego długoletnia trwałość w warunkach występujących w tych
budowlach zagrożeń korozyjnych.
Abstract
Corrosion threats to concrete municipal structures, particularly sewers, have been
discussed in the paper. Limit pH factors and concentrations of corrosive agents were
determined herein. In the discussion of the corrosive threats extensive range of author’s
own test results carried out in numerous structures was used. Some examples of concre-
te structural damages resulting from corrosion were presented in the paper. Factors of
accelerated corrosive deterioration were determined on the basis of author’s own results.
On the basis of valid standards and results of author’s tests requirements for concrete in
municipal structures were formulated, assuming that long-term durability in conditions
of corrosive agents is the main criterion.
Cezary Madryas
Leszek Wysocki
prof. dr hab. inż. Cezary Madryas – Instytut Inżynierii Lądowej Politechniki Wrocławskiej
dr inż. Leszek Wysocki – Instytut Inżynierii Lądowej Politechniki Wrocławskiej
Beton w infrastrukturze komunalnej
3
Beton w infrastrukturze komunalnej
3
1. Podstawowe zagrożenia korozyjne dla betonowych
budowli komunalnych
Beton w obiektach infrastruktury komunalnej narażony jest na liczne destrukcyjne od-
działywania, do najważniejszych zaliczyć można:
• oddziałanie wód gruntowych i z opadów atmosferycznych,
• działanie dwutlenku węgla (karbonatyzacja),
• oddziaływanie szkodliwych soli (siarczanów, chlorków, azotanów i amonu),
• oddziaływania mechaniczne (ścieranie, kawitacja).
Mechanizmy karbonatyzacji oraz korozji ługującej powodowanej przez wody grunto-
we i z opadów atmosferycznych są takie same jak dla innych obiektów, natomiast działanie
szkodliwych soli w obiektach gospodarki wodno-ściekowej ma swoją specyfikę. Wody
gruntowe wykazują zwykle słabą agresywność w stosunku do betonu. Niedopuszczalne
jest jednak przyjmowanie takiego założenia a priori – zawsze konieczne jest badanie
agresywności wód. Doświadczenia własne autorów [3] wskazują, że wskaźnik pH wód
gruntowych osiągać może wartości około 3,0, a takie wody gruntowe wykazują silne
korozyjne działanie w stosunku do betonu. Przykładem są wody gruntowe o wskaźniku
pH = 3,0 i znacznej zawartości siarczanów stwierdzone na długości około 100 m w oto-
czeniu jednego z badanych kolektorów, którego trasa przebiegała w pobliżu rozległej
soczewki nawodnionych gruntów torfowych.
Ścieki bytowo-gospodarcze są cieczami silnie zanieczyszczonymi jednak ich agre-
sywność w stosunku do betonu jest zazwyczaj nieznaczna. Skład przeciętnych ścieków
z dwóch dużych miast polskich zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Przykładowe zestawienie składu ścieków bytowo-gospodarczych
Miasto A
Miasto B
Wskaźnik pH
6,9
7,1
Zawartość siarczanów [%]
0,02
0,004
Zawartość chlorków [%]
0,02
0,01
Zawartość azotanów
0,03
0,01
Analizując dane zawarte w tabeli 1 stwierdzić można, że zarówno wskaźnik pH jak
i zawartość szkodliwych w stosunku do betonu substancji w tych ściekach jest poniżej
wartości, które można uznać za agresywne. Zgodnie z normą PN-EN-206 środowisko
takie zaklasyfikować należy jako słabo agresywne w stosunku do betonu (XA1).
Na powierzchni materiałów nieorganicznych takich jak beton, zwłaszcza w środowi-
sku wewnątrz kanałów rozwijają się drobnoustroje, które wydzielają do otoczenia rodniki
kwasów i innych substancji, które powodują typowe procesy korozji. Ścieki i inne wody
w obiektach komunalnych zawierać mogą znaczne ilości substancji organicznych, w tym
białkowych. W wyniku redukcji siarczanów przez bakterie beztlenowe i biologicznego
rozkładu białek powstaje siarkowodór. Siarkowodór ulega w środowisku kanału utlenieniu
do siarki, która odkłada się na powierzchni betonu ponad poziomem ścieków. Bakterie
z rodzaju Thiobacillus utleniają siarkę do kwasu siarkowego [7]. Kwas siarkowy atakuje
wodorotlenek wapnia w wyniku tej reakcji powstaje siarczan wapnia (gips). Powstający
gips krystalizuje z dwoma cząsteczkami wody, zwiększając przy tym swoją objętość
o 130%. Gips może łączyć się z glinianem trójwapniowym tworząc sól Candlota, która
4
Cezary Madryas, Leszek Wysocki
Beton w infrastrukturze komunalnej
5
krystalizuje ze zwiększeniem objętości o 227%. Krystalizujący gips i sól Candlota wywo-
łują wewnętrzne naprężenia powodujące w pierwszej fazie rysy i pęknięcia, a następnie
całkowite zniszczenie struktury betonu. Ciśnienie krystalizacyjne przy przejściu CaSO
4
w CaSO
4
x 2H
2
O wynosi około 110 MPa (wytrzymałość betonu zwykłego na rozciąganie
wynosi od 2 do 6 MPa).
Badania symulacyjne przeprowadzone przez Sanda [6] wykazały, że przy pobieraniu
siarki z siarkowodoru pH środowiska spadło do wartości około 1,5. Autorzy referatu
przeprowadzili własne badania, których celem było określenie zakresu wskaźnika pH
w środowisku kanałów ściekowych. Do badań pobrano próbkę osadów z kanału ście-
kowego, która została umieszczona na selektywnej pożywce dla bakterii Thiobacillus.
Wskaźnik pH pobranych osadów wynosił około 4,5. Po dziesięciu dniach przebywania
na pożywce wskaźnik ten ustabilizował się na poziomie około 1,5. Wyniki tych badań
potwierdziły, że w niesprzyjających warunkach (wysokie stężenie siarkowodoru, pod-
wyższona temperatura) beton w kanałach ściekowych może być narażony na środowisko
o wskaźniku pH nawet około 1,5.
2. Badania betonu i betonowych kanałów ściekowych
Autorzy niniejszego referatu prowadzą badania żelbetowych obiektów gospodarki ście-
kowej już od ponad 25 lat. Na podstawie doświadczeń zdobytych w trakcie tych badań,
za szczególnie ważną na etapie projektowania nowych inwestycji, uważamy analizę
warunków pracy kolektorów ściekowych. Warunki pracy i zagrożenia korozyjne w
zbiornikach oczyszczalni ścieków są znacznie lepiej poznane i są w zasadzie takie same
dla poszczególnych klas obiektów. Pozwala to na przyjmowanie pewnych standardowych
rozwiązań zabezpieczeń antykorozyjnych dla tych obiektów. Natomiast w przypadku
kolektorów ściekowych, w zależności od takich czynników jak:
• skład ścieków,
• temperatura ścieków,
• spadek kinety przewodu i związane z tym możliwości samooczyszczania,
• możliwości wentylacji przewodu.
Zagrożenia korozyjne dla konstrukcji przewodu mogą się znacznie różnić. Jak już
napisano, skład ścieków bytowo-gospodarczych w poszczególnych miastach Polski jest
zbliżony i ścieki te wykazują zwykle słabą agresywność w stosunku do betonu (środo-
wisko klasy XA1 wg EN 206). Jednak obserwowane, znaczne zmniejszenie ilości ścieków
w przewodach kanalizacyjnych, jakie nastąpiło w ostatnim okresie, skutkuje wzrostem
stężenia zanieczyszczeń oraz wzrostem temperatury ścieków. Wzrost stężenia zanieczysz-
czeń ścieków w zasadzie nie zmienia klasy środowiska, środowisko wewnątrz kanałów
mimo wzrostu stężenia zanieczyszczeń pozostaje środowiskiem słabo agresywnym
w stosunku do betonu. Znacznie większe zagrożenie, wynikające ze zmniejszenia ilości
ścieków, powoduje natomiast zmniejszenie prędkości ich przepływu oraz wzrost ich
temperatury. Zmniejszenie prędkości przepływu może spowodować odkładanie się osa-
dów, ich fermentację oraz wydzielanie siarkowodoru, którego obecność inicjuje korozję
biologiczną. Dodatkowo wyższa temperatura ścieków przyspiesza tempo korozji biolo-
gicznej. W przewodach dla których nie ma możliwości ich ułożenia w spadku zapew-
niającym samooczyszczanie, należy szczegółowo przeanalizować możliwości skutecznej
wentylacji, zwłaszcza przez przykanaliki. Brak możliwości pewnej, skutecznej wentylacji
4
Cezary Madryas, Leszek Wysocki
Beton w infrastrukturze komunalnej
5
w takich warunkach spowoduje powstanie w przewodzie środowiska o silnej agresyw-
ności (środowisko klasy XA3 wg PN-EN 206), co powinno być uwzględniane na etapie
projektowania. W tabeli 2 zestawiono wyniki badań świadczące o zakresie uszkodzeń
korozyjnych betonowych lub żelbetowych przewodów kanalizacyjnych prowadzących
ścieki bytowo-gospodarcze o zbliżonym składzie [1, 2, 3, 4].
Tabela 2. Zestawienie wyników badań betonu w wybranych kanałach ściekowych
Obiekt
Wskaźnik
pH
Zawartość
siarczanów
[%]
Zawartość
chlorków
[%]
Zawartość
azotanów
[%]
Klasa
betonu
Kolektor żelbetowy
1
2,6
4,95
0,78
0,102
B15, B20
Kolektor betonowy
2
7,5
-
0,02
0,04
B15, B20
Kolektor żelbetowy
3
3,1
3,97
0,09
0,07
B15
Kolektor żelbetowy
4
4,1
2,43
0,06
0,05
B50
1
– kolektor ogólnospławny eksploatowany około 30 lat zlokalizowany w jednym z dużych miast
na południu Polski, charakteryzujący się bardzo małym spadkiem, z wewnętrznymi izolacjami
bitumicznymi,
2
– kolektor ogólnospławny, eksploatowany około 80 lat zlokalizowany w jednym z dużych miast
na północy Polski, ułożony w spadku zapewniającym samooczyszczanie, z dobrą wentylacją
zapewnioną przez przykanaliki, bez izolacji,
3
– kolektor ogólnospławny eksploatowany około 35 lat zlokalizowany w jednym z dużych miast
na południu Polski, charakteryzujący się małym spadkiem
4
– kolektor ogólnospławny eksploatowany około 4 lat, zlokalizowany w jednym z dużych miast
środkowej Polski.
Wyniki badań zestawione w tabeli 2 jednoznacznie wskazują na bardzo duże zróżni-
cowanie zagrożeń korozyjnych w poszczególnych przewodach, w zależności od opisanych
powyżej warunków. W najlepszym stanie technicznym spośród zestawionych w tabeli
2 znajdował się przewód najstarszy, eksploatowany ponad 80 lat. Z uwagi na znaczne
spadki i dobrą wentylację w przewodzie tym nie dochodziło do gromadzenia się siar-
kowodoru, nie wystąpiły więc warunki dla powstania korozji biologicznej. Stosunkowo
dobry stan techniczny tego przewodu może wynikać ponadto z zastosowania dodatku
do betonu trasu reńskiego. Fakt stosowania trasu jako dodatku do betonów lub zapraw
potwierdzają materiały archiwalne z tamtego okresu. Autorzy niniejszego referatu,
w trakcie badań murowanych kolektorów, stwierdzili w bardzo wielu przypadkach
praktycznie brak uszkodzeń korozyjnych zaprawy, także w przewodach o znacznym
zagrożeniu korozyjnym, w których doszło do powierzchniowego uszkodzenia korozyjnego
cegły kanalizacyjnej. Przykład doskonale zachowanej spoiny w kolektorze z przełomu XIX
i XX wieku przedstawiono na fotografii 1.
Fakt ten świadczyć może o stosowaniu trasu reńskiego także jako dodatku do
zapraw cementowych. Wyniki badań własnych autorów wskazują na duże znaczenie
rodzaju stosowanego betonu na jego trwałość w warunkach korozji biologicznej, w której
podstawowym zagrożeniem są siarczany. W tabeli 3 zestawiono wyniki badań autorów
dotyczące wpływu rodzaju betonu na jego trwałość w warunkach korozji siarczanowo-
magnezowej. Próbki poddano działaniu 3% roztworu siarczanu magnezu przez okres
13 miesięcy [5].
6
Cezary Madryas, Leszek Wysocki
Beton w infrastrukturze komunalnej
7
Fot. 1. Przykład doskonale zachowanych spoin w kolektorze ceglanym z przełomu XIX i XX
wieku (fot. autorska)
Tabela 3. Zestawienie wyników badań tempa korozji siarczanowo-magnezowej betonu
Rodzaj betonu
Średnia wytrzyma-
łość na ściskanie
próbek „świad-
ków”
[MPa]
Średnia wytrzymałość
na ściskanie próbek
poddanych działaniu
siarczanu magnezu
[MPa]
Stosunek wytrzymało-
ści na ściskanie próbek
poddanych działaniu
siarczanu magnezu do
próbek „świadków”
[MPa]
CEM II B-V 32,5
w/c = 0,65
46,52
29,14
0,63
CEM II B-V 32,5
w/c = 0,45,
1 % FM 38
46,00
37,00
0,80
CEM IIIA 32,5
w/c = 0,45,
1 % FM 38
50,77
46,67
0,92
CEM IIIA 32,5
w/c = 0,65
34,67
23,72
0,68
CEM II B-S 42,5
w/c = 0,45,
1 % FM 38
47,78
41,67
0,87
CEM II B-S 42,5
w/c = 0,65
34,07
27,02
0,79
CEM II B-S 42,5,
w/c = 0,45,
53 kg popiołu
63,78
57,17
0,90
6
Cezary Madryas, Leszek Wysocki
Beton w infrastrukturze komunalnej
7
Badania potwierdziły, że zdecydowanie duży wpływ na trwałość betonu ma wskaźnik
w/c, który bardzo istotnie wpływa na wodoszczelność betonu oraz rodzaj zastosowanego
cementu. Podkreślić należy także, że zastosowane do badań cementy charakteryzują się
znacznie wyższą odpornością na korozję siarczanową od zwykłych cementów portlandz-
kich (CEM I).
3. Wymagania dla betonu w infrastrukturze komunalnej
Beton narażony na działanie środowiska korozyjnego powinien spełniać wymogi ochro-
ny materiałowo-strukturalnej, a dla środowisk klasy XA2 i XA3 dodatkowo konieczne
jest zaprojektowanie odpowiednich (skutecznych) zabezpieczeń powierzchniowych. Na
fotografii 2 przedstawiono przykład nieskutecznej izolacji.
Fot. 2. Nieskuteczna izolacja wewnętrznej powierzchni kolektora (fot. autorska)
Najważniejsze wymagania w zakresie ochrony materiałowo-strukturalnej zestawiono
w tabeli 4.
8
Cezary Madryas, Leszek Wysocki
Beton w infrastrukturze komunalnej
9
Tabela 4. Zestawienie wymagań dla betonu narażonego na agresję chemiczną
Wymagania
Klasa środowiska wg PN-EN 206
XA1
XA2
XA3
Minimalna grubość
otuliny [mm]
25
30
40
Maksymalny wskaź-
nik w/c
0,55
0,5
0,45
Wodoszczelność
W4 do W6
W6 do W8
W8
Dopuszczalna szero-
kość rozwarcia rys
[mm]
0,2
0,1
0,1
Minimalna klasa
betonu
C30/37
C30/37
C35/45
Minimalna zawartość
cementu [kg/m
3
]
300
320
360
W powyższej tabeli nie zawarto wymagań w zakresie rodzaju cementu. Wyniki
badań własnych autorów wskazują na szczególną przydatność do budowy obiektów
infrastruktury komunalnej betonów na cemencie hutniczym. Cement ten poza zwiększo-
ną odpornością na korozję siarczanową pozwala uzyskać beton o większej szczelności.
Podobne zalety wykazuje beton na cemencie portlandzkim popiołowym CEM II B-V.
Wyniki badań nowo realizowanych obiektów wskazują na bardzo częste przypadki sto-
sowania zbyt małej grubości otuliny w obiektach lub elementach obiektów gospodarki
komunalnej. Na fotografii 3 przedstawiono przykład destrukcji spowodowanej zbyt małą
grubością otuliny (około 20 mm).
Fot. 3. Korozja zbrojenia spowodowana niedostateczną efektywnością ochronną otuliny (fot.
autorska)
8
Cezary Madryas, Leszek Wysocki
Beton w infrastrukturze komunalnej
9
W wielu przypadkach produkuje się elementy prefabrykowane o grubości otuliny
około 20 mm, przeznaczone do pracy w środowiskach klasy XA2 i XA3. Stosunkowo
niska cena betonu sprawia, że koszt zwiększenia grubości otuliny o 10 mm praktycznie
nie ma wpływu na koszt realizacji inwestycji, a może przedłużyć trwałość obiektu nawet
o kilkanaście lat.
Bardzo ważny dla betonów narażonych na korozję biologiczną jest wskaźnik w/c.
Rozwój technologii betonu i chemii budowlanej pozwala obecnie produkować betony
o niskim wskaźniku w/c i dobrej urabialności. Dlatego też dla betonów narażonych na
korozję biologiczną wskaźnik w/c nie powinien być wyższy od 0,4.
Badania wskazują, że korzystnie na odporność betonu na korozję biologiczną wpły-
wa dodatek naturalnej pucolany jaką był tras reński lub dodatek pyłu krzemionkowego
w ilości około 8 do 10% masy cementu. Pucolanowość pyłów krzemionkowych w środo-
wisku zaczynu cementowego powoduje przechodzenie wodorotlenku wapnia w żelową
fazę C-S-H. Fakt ten powoduje istotne zwiększenie szczelności betonu a zatem także jego
trwałości.
4. Podsumowanie
Specyfiką obiektów infrastruktury komunalnej jest możliwość wystąpienia w całym
obiekcie lub jego fragmencie korozji biologicznej. W wyniku procesów mikrobiologicz-
nych powstać może środowisko o bardzo wysokiej agresywności w stosunku do betonu,
wskaźnik pH takiego środowiska może osiągać wartość 1,5. Stąd wynika konieczność
bezwzględnego przestrzegania wymagań dla betonu omówionych w punkcie 3. Rozwój
technologii betonu i chemii budowlanej sprawia, że dobrze zaprojektowany i wykonany
beton jest bardzo dobrym tworzywem dla większości obiektów infrastruktury komunalnej.
Podkreślić jednak należy, konieczność szczegółowej analizy warunków pracy konstrukcji
i stosownie do wyników tej analizy dobór ewentualnych zabezpieczeń powierzchniowych
betonu.
Literatura
[1] Grosel J., Madryas C., Wysocki L.: Badania i ekspertyza stanu technicznego betonowych kolektorów
w Szczecinie. Raport Instytutu Inżynierii Lądowej Politechniki Wrocławskiej serii SPR – 128/2003.
[2] Kolonko A., Madryas C., Wysocki L.: Badania i ekspertyza stanu technicznego kolektora kanaliza-
cyjnego doprowadzającego ścieki do oczyszczalni ścieków w Kucharach. Raport Instytutu Inżynierii
Lądowej Politechniki Wrocławskiej serii SPR –34/2004.
[3] Madryas C., Szot A., Wysocki L.: Badania i ekspertyza żelbetowego kolektora “Odra”. Raport Instytutu
Inżynierii Lądowej Politechniki Wrocławskiej serii SPR – 10/2003.
[4] Madryas C., Szot A., Wysocki L.: Badania i ekspertyza stanu technicznego kolektora “Północnego”.
Raport Instytutu Inżynierii Lądowej Politechniki Wrocławskiej serii SPR-39/2001.
[5] Madryas C., Wysocki L.: Badania tempa korozji siarczanowej betonu. Raport Instytutu Inżynierii
Lądowej Politechniki Wrocławskiej serii SPR – 130/2002.
[6] Microbially Influenced Corrosion of Materials. Ed. E. Heitz, H.-C. Flemming, W. Sand. Springer, Berlin,
Heilderberg 1996.
[7] Zyska B.: Zagrożenia biologiczne w budynkach. Arkady, Warszawa 1999.