Newsletter

Historia betonu
Beton określany jako sztuczny kamień, wynaleziony  i  używany  w budownicwie - najpierw w Asyrii, potem w starożytnym Rzymie, a w wiekach średnich - zapomniany. W starożytności używano mieszaniny piasku i drobnych kamieni z zaprawą wapienną do łączenia kamieni w murze i sklepieniach. Dodatek popiołu wulkanicznego czynił rzymski beton wodoodpornym. W okolicach odległych od wulkanów wykorzystywano zużyte drobno zmielone dachówki.
W gotyku  stosowano mieszaninę  zaprawy  wapiennej  z bardzo  drobnym piaskiem do wykonywania odlewów powtarzalnych elementów dekoracyjnych. W XIX wieku, po wynalezieniu cementu portlandzkiego, upowszechnił się materiał budowlany zwany betonem.

Jak powstaje beton
Beton (zwykły) powstaje w wyniku wiązania i stwardnienia mieszanki betonowej. Mieszanka betonowa to mieszanina spoiwa (cement), kruszywa, wody i ewentualnych dodatków (powyżej 5% w stosunku do masy spoiwa) i domieszek (poniżej 5% w stosunku do masy spoiwa).

Kruszywa mogą być naturalne: grube (żwir), drobne (piasek o frakcjach do 2 mm) lub sztuczne (np. keramzyt). Dodatki i domieszki poprawiają właściwości mieszanek betonowych i betonów, np. zwiększają urabialność, opóźniają proces wiązania, zwiększają mrozoodporność, wodoszczelność itd.
Nie wolno stosować wody morskiej (zasolonej), mineralnej i zanieczyszczonej (np. ściekowej, rzecznej). Bez wykonywania badań można stosować wodę wodociągową.

Skład mieszanki betonowej dobiera się na  podstawie  analiz  laboratoryjnych i obliczeń (receptura betonu) - tak, aby otrzymać beton o oczekiwanej wytrzymałości i odporności na działanie czynników zewnętrznych (np. o odpowiedniej ścieralności, wodoszczelności, kwasoodporności, żaroodporności, izolacyjności cieplnej).

Żelbet  (stalbet,  stalobeton, żelazobeton; niewłaściwie: żelbeton) to element konstrukcyjny powstały przez połączenie betonu z wkładkami stalowymi. Połączenie tych dwóch elementów jest powszechnie stosowane w budownictwie. Beton jest materiałem przenoszącym naprężenia ściskające. Jednak jego wytrzymałość na naprężenia rozciągające jest bardzo mała. Stal w elemencie żelbetowym przenosi siły rozciągające. Połączenie stali i betonu pozwala budować konstrukcje różnego typu. Do zbrojenia stosuje się wkładki w postaci prętów, lin, strun, kabli i siatek. Można spotkać także konstrukcje ze „sztywnym zbrojeniem”, tzn. takie, w których elementy stalowe o dużych przekrojach (np. dwuteowniki, ceowniki) są wykorzystane jako rdzeń, np. w słupie z betonu, lub zbrojenie na przebicie w stropie żelbetowym.

Właściwa  współpraca  betonu i  stali w konstrukcji możliwa jest dzięki zbliżonej rozszerzalności termicznej obu materiałów.

Do zalet żelbetu jako materiału konstrukcyjnego należą: ogniotrwałość, odporność na znaczne obciążenia statyczne i dynamiczne, swoboda w kształtowaniu elementów, duża odporność na korozję (przy zachowaniu właściwej otuliny wkładek stalowych i poprawnym zagęszczeniu układanej mieszanki betonowej). Odporność na wpływy atmosferyczne można podnieść wykonując stosunkowo tanie zabezpieczenie powłokowe. Stosuje się przede wszystkim w konstrukcjach mostów i wiaduktów.

Przyczyny degradacji betonu
Wskutek eksploatacji powierzchnie betonowe ulegają degradacji. Czynnikami, które ujemnie wpływają na trwałość powłok betonowych, są najczęściej:
- karbonatyzacja żelbetonu (w betonie jest to zjawisko pożądane),
- wilgoć: wody gruntowe, agresywne związki  chemiczne,  ciśnienie  wody, z atmosfery: temperatura (jej zmiany), wilgotność powietrza, kondensacja pary wodnej, mgły, agresywne  gazy i pyły, mgła solna, środki odladzające, czynniki powodujące ścieranie powłok,
- czynniki biologiczne: mikroorganizmy, rośliny, pleśnie,
- oddziaływania mechaniczne:  odkształcenia i zarysowania występujące wskutek obciążeń statycznych i dynamicznych.

W naszym artykule zajmiemy się przede wszystkim pierwszymi dwoma czynnikami,  czyli procesem  karbonatyzacji i wpływem wilgoci.

Karbonatyzacja
Karbonatyzacja jest procesem zobojętniania roztworu w porach betonu. Wysokie pH (ok.12,5) w świeżym betonie chroni stal zbrojeniową znajdującą się w warstwie żelbetu. W wyniku reakcji z gazowym CO2  rozpoczyna się proces zobojętniania, doprowadzający ostatecznie do  korozji stali zbrojeniowej. W warstwach zewnętrznych spada pH do wartości obojętnej (ok. 7-8 pH), wodorotlenek wapnia dający swoim wysokim pH ochronę zaczyna pod wpływem gazów agresywnych (CO2, SO2) przechodzić w nierozpuszczalny i obojętny węglan wapnia Ca CO3.

Stopnie korozji stali w betonie można podzielić na następujące etapy:

Etap I
Stal w betonie jest pokryta warstwą pasywną i szybkość korozji jest nieznaczna. W niezabezpieczoną warstwę betonu wnikają czynniki korozyjne (CO2  i  jony chlorkowe). Na tym etapie stężenie czynników korozyjnych przy powierzchni stali nie przekracza wartości krytycznych. Stan taki może trwać na przestrzeni wielu lat, szczególnie na powierzchniach czasowo narażonych na czynniki atmosferyczne.

Etap II
Następuje przekroczenie stężenia czynników korozyjnych i zanika warstwa pasywna. Czynniki korozyjne wnikają swobodnie w warstwę betonu, powodując pierwsze uszkodzenia, czyli punktowe lub pasmowe ogniska rdzy oraz pękanie powierzchni. Stopień uszkodzenia jest zależny od ilości czynników korozyjnych w atmosferze. Często przyśpieszenie procesów rozkładu następuje w sezonie zimowo – wiosennym.
 
                                                   
                                                                    Fot. 1. Postęp karbonatyzacji w powłoce betonu.
                                               Produktem korozji jest tlenek żelaza czyli po prostu rdza, która zwiększając
                                          swoją objętość, rozsadza beton wokół siebie, powodując uszkodzenia i pęknięcia,
                                                     przez które przedostaje się wilgoć powodując dalszą degradację.

Etap III
Stal w konstrukcji żelbetu jest całkowicie odkryta. Ogniska rdzy powodują rozepchnięcie i odpadanie kawałków konstrukcji. Czynniki korozyjne powodują znaczne przyspieszenie korozji stali. Trzeci etap stanowi poważne zagrożenie dla stabilności konstrukcji i stwarza znaczne niebezpieczeństwo dla użytkowników. Przykładem może być estakada w Szczecinie, gdzie kawałki betonu spadały na samochody parkujące pod estakadą.

Proces karbonatyzacji jest procesem dosyć wolnym, ok.0,5-1mm/rocznie, może jednak zostać przyspieszony w obszarach, gdzie warstwa  zbrojąca jest bardziej odsłonięta, np. w szczelinach dylatacyjnych, narożach, porowatym betonie lub gdy beton jest stale lub przez dłuższy czas zawilgocony. Nie bez znaczenia jest także stężenie CO2 w atmosferze, dlatego tak ważne staje się  izolowanie powierzchni betonu w miejscach szczególnie narażonych (ciągi komunikacyjne, garaże, tereny przemysłowe).

Zjawiskiem działającym równie niekorzystnie na powłoki betonowe jest wilgoć. Beton nasiąknięty wodą jest bardziej podatny na uszkodzenia chemiczne (łatwiejsze wnikanie dwutlenku węgla, przenikanie chlorków), jak i na uszkodzenia mechaniczne  spowodowane przez  działanie temperatur i  częstego  przechodzenia przez wartość „0 stopni Celsjusza”, czyli schładzania i rozgrzewania powierzchni. Gromadząca się w suchym betonie woda, w momencie zamarzania może doprowadzić do osłabienia, a następnie do rozwarstwienia i łuszczenia betonu.
Powierzchnie betonu narażone na działanie powyższych czynników wymagają właściwej i trwałej ochrony. Powłoki ochronne należy dobierać zarówno wg potrzeb projektu ochrony, jak i wymagań estetycznych stawianych powierzchniom, które chcemy zabezpieczać.

                                 
                                                                      Fot. 2. Proces korozji struktury żelbetowej


Ochrona powierzchniowa betonu w świetle norm
Dla wybranych produktów PPG Deco Polska można znaleźć odniesienie w normach wykorzystywanych jako wytyczne ochrony i napraw konstrukcji betonowych. Przede wszystkim odwoływać się tutaj będziemy do normy: PN EN 1504-2 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych Część 2: Systemy ochrony powierzchni betonu.
Norma będzie rozróżniała pojęcia, dzięki którym będzie można przyporządkować wybrane produkty PPG. Norma wydziela m.in. takie pojęcia jak:

a) Impregnacja  hydrofobowa  (hydrofobizacja): Pory betonu nie są wypełnione, a jedynie pokryte wyrobem, nie powstaje błona, a jako środek hydrofobizujący stosowane są proste związki silikonowe: silany, siloksany. Wizualnie wygląd powłoki pozostaje niezmieniony lub zmienia się w nieznacznym stopniu. Dzięki takiej impregnacji uzyskujemy powierzchnie czasowo odporną na wodę i zabrudzenia, którą należy co jakiś czas odnawiać, nanosząc ko- lejną warstwę impregnatu.
Tego typu impregnacje dobrze sprawdzają się na tzw. betonie architektonicznym, którego powierzchnia tworzy efekt dekoracyjny i nie powinno się stosować na niej powłok kryjących. Należy impregnować podłoża betonowe, których pH nie przekracza 9,5.
Preparatem, który będzie spełniał powyższe wymagania, jest Impregnat Hydrofobizujący marki  Dekoral Professional. Preparat  chroni  także inne powierzchnie mineralne, jak różne rodzaje kamienia naturalnego, cegłę klinkierową itp. Nanoszony jest za pomocą  pędzla bezpośrednio na wyschnięte i wyczyszczone podłoże, w zależności od narażenia  powłoki na  warunki  atmosferyczne Impregnat Hydrofobizujący może być nanoszony w kilku warstwach.

b) Ochrona powłokowa
Ochrona powłokowa polega na wytworzeniu na powierzchni betonu ciągłej warstewki izolacyjnej oddzielającej beton od środowiska. Jest uzyskiwana przy użyciu różnego rodzaju powłok lakierowych i izolacji. Umożliwia całkowite odcięcie konstrukcji betonu od działania wody, agresywnych gazów, chlorków i innych substancji. Warunkiem prawidłowej ochrony  jest  dobra  przyczepność do podłoża i ciągłość warstwy. Aby osiągnąć  dobrą  przyczepność,  należy dokładnie oczyścić beton ze wszystkich możliwych zabrudzeń (mleczko cementowe, wykwity solne i wapienne, produkty korozji, tłuszcze i oleje). Beton, który będzie malowany, powinien być także suchy, bez widocznych śladów wilgoci. Przystępując  do prac zabezpieczających,  musimy  także dokładnie  przeanalizować,  czy produkt i wytworzona powłoka  będzie  spełniała warunki ochrony dla danego  środowiska. W  zakresie  ochrony  betonu,  wyroby PPG  będą  spełniały funkcję  ochronną, blokując dostęp  CO2 i chlorków. Kolejnym walorem  będzie dekoracyjność  powłok - od lakieru transparentnego Sigma Clearcoat po farbę strukturalną Sigma Kwarstone.

Szczegółowe odnośniki do wartości normowych oraz rodzaje farb znajdują się w tabelce poniżej.

W tabeli wykorzystano odniesienia do normy PN EN 1062 i do jej poszczególnych rozdziałów. Norma jest uznawana jako jeden z wyznaczników parametrów wyrobów do ochrony powierzchniowej betonu. W szczególności rozdziały poniżej będą określały parametry:
PN EN 1062 - 1 Farby i lakiery i systemy powłokowe stosowane na mury i beton,
PN EN 1062 - 2 Oznaczenie i kwalifikacja współczynnika przenikania pary wodnej,
PN EN 1062 - 3 Oznaczenie i klasyfikacja współczynnika przenikania wody ( nasiąkliwości),
PN EN 1062 - 6 Część 6: Oznaczenie przepuszczalności ditlenku węgla (CO2),
PN EN 1062 - 7: 2005 Część 7: Oznaczaczanie właściwości pokrywania rys.

                   

Pamiętajmy, że dobierając powłoki ochronne na betonie musimy każdorazowe zastosowanie tych materiałów poprzedzić projektem lub wnikliwą analizą zabezpieczanej powierzchni, warunków  i środowiska, w jakich będzie funkcjonować, pracy konstrukcji itp. W przeciwnym razie system ochrony betonu polecany przez nas może okazać się niewystarczający lub wręcz nieodpowiedni.

Andrzej Sawicki
Akademia Technik Malarskich
W artykule wykorzystano materiały Instytutu Badawczego Dróg i Mostów oraz zdjęcia własne autora.