Beton i morze cz. I: Konstrukcje betonowe i żelbetowe w środowisku morskim

Beton oraz żelbet to materiały konstrukcyjne powszechnie stosowane w dzisiejszych czasach. Na przestrzeni lat nie tylko w Polsce ale również na całym świecie stosowano te materiały zarówno do realizacji obiektów kubaturowych, przemysłowych, inżynierskich, jak również hydrotechnicznych i morskich. Niestety oddziaływanie wody morskiej nie wpływa korzystnie na konstrukcję i jej poszczególne elementy wykonane z betonu czy żelbetu.

Co to jest beton, a co to jest żelbet?

Najprościej rzecz ujmując beton to mieszanina głównie cementu, kruszywa i wody, które po wymieszaniu dają materiał lepko-plastyczny, który następnie dzięki hydratacji cementu przechodzi w ciało stałe, które podczas dojrzewania zmienia swoje właściwości.

Definicja zawarta w Polskiej Normie PN-EN 206+A2:2021-08 [1] mówi, że jest to materiał powstały ze zmieszania cementu, kruszywa grubego i drobnego, wody oraz ewentualnych domieszek, dodatków lub włókien, który uzyskuje swoje właściwości w wyniku hydratacji.

Beton to materiał, którego podstawową cechą jest wytrzymałość na ściskanie i to ona często decyduje o jego przydatności do zastosowania w danej konstrukcji.

Natomiast żelbet to kompozyt składający się z betonu wzmocnionego stalowymi prętami gładkimi lub żebrowanymi. Dzięki zastosowaniu zbrojenia, żelbet oprócz dobrych wytrzymałości na ściskanie, uzyskuje również wysoką wytrzymałość na rozciąganie, zginanie oraz ściskanie mimośrodowe.

Beton pomimo wielu swoich zalet i właściwości, które niektórzy określają jako właściwości „sztucznego kamienia”[2], czy też dużej trwałości, nie jest idealny i niezniszczalny. Konstrukcje betonowe wykonywane są do różnych celów i w różnych środowiskach, co powoduje, że sam beton jako materiał konstrukcyjny poddany jest oddziaływaniu różnych czynników działających na niego niszcząco. W przypadku żelbetu działania niszczące oddziałują nie tylko na sam beton, ale również na zastosowane w nim zbrojenie.

Jednym z trudnych środowisk pracy konstrukcji betonowych i żelbetowych jest środowisko morskie.

Obiekty betonowe i żelbetowe w środowisku morskim

Beton i żelbet budowli w środowisku morskim poddany jest kumulacji oddziaływania czynników niszczących.

Do czynników niszczących należą:

  • fizykochemiczne działanie wody morskiej;
  • biologiczne działanie wody morskiej;
  • wnikanie soli i chlorków w wyniku zawilgocenia i wysychania;
  • duże amplitudy temperatur;
  • korozja zbrojenia;
  • uszkodzenia fizyczne związane z działaniem fal i materiału niesionego przez fale.

W rejonach morskich czynniki destrukcyjne oddziaływujące na konstrukcję przenikają się wzajemnie i musimy się liczyć z ich kumulacją podczas projektowania czy też naprawy konstrukcji betonowych i żelbetowych.

By w pełni zrozumieć szkodliwość działania wody morskiej przyjrzyjmy się jej składowi chemicznemu.

Woda morska zawiera następujące sole:

  • chlorek sodu – NaCl,
  • chlorek magnezu – MgCl2,
  • siarczan magnezu – MgSO4,
  • siarczan wapnia – CaSO4,
  • siarczan potasu – K2SO4.
Skład chemiczny wody morskiej według opracowania
Skład chemiczny wody morskiej według opracowania [3]

Woda morska w swoim składzie, oprócz wskazanych soli zawiera:

  • jony NO2, NO3, PO43-, SO42-,
  • sole:
    • bromu;
    • jodu
    • żelaza
    • kwasu węglowego
    • inne.

Ze względu na występowanie w morzach różnych rodzajów organizmów zwierzęcych i roślin woda morska zawiera również azotyny, fosforany i tlen. Ilość tych substancji zależy od rodzaju organizmów zwierzęcych i roślinnych, a dokładnie od ilości i rodzaju pochłanianych i wydzielanych przez nie substancji.

W konstrukcjach bezpośrednio zanurzonych w wodzie morskiej zachodzi zjawisko obrastania ich nie tylko przez rośliny, ale również przez organizmy zwierzęce. Czasami warstwy takich narostów mają znaczną grubość. Zarówno rośliny jak i organizmy zwierzęce, obrastając elementy konstrukcji, niszczą ich powierzchnię.

Ze względu na dużą zawartość chlorków i siarczanów w wodzie morskiej, w przypadku oddziaływania na konstrukcje betonowe mamy z pewnością do czynienia z korozją siarczanową oraz chlorkową. Jednak musimy pamiętać, że w przypadku oddziaływania wody morskiej na beton mamy do czynienia z wszystkimi rodzajami korozji.

Bardzo dokładnie przebieg korozji związanej z wodą morską opisany został w opracowaniu [3]:

W początkowym okresie korozji ilość wodorotlenku wapniowego w betonie jest jeszcze duża, a w porach warstw przylegających do powierzchni powstaje roztwór prawie nasycony. […] Ca(OH)2 w warstwach powierzchniowych stwarza tamę dla przenikania jonu Mg2+ do wnętrza betonu, która przepuszcza jednak jony SO42-, Cl i inne. Z rozwojem korozji posuwanie się wodorotlenku wapniowego zostaje zahamowane, a woda morska zaczyna przenikać w coraz głębsze warstwy betonu.

W betonie poddanym działaniu wody morskiej można wydzielić strefy:

Kolejność tworzenia się stref niszczenia betonu przy zetknięciu się z wodą morską
Rys. 1 Kolejność tworzenia się stref niszczenia betonu przy zetknięciu się z wodą morską )– rysunek opracowano na podstawie rysunku 10-1 zawartego w opracowaniu [3].

Bardzo szczegółowo strefy korozji betonu opisuje Henryk Stankiewicz w pracy „Zabezpieczenie budowli przed wilgocią, wodą gruntową i korozją” [3]:

„Najgłębiej położona jest strefa nr 1: wyługowania rozpuszczonych składników zaczynu cementowego. Wynoszenie tych składników na zewnątrz może odbywać się, jeśli nie zachodzi przypadek przepływu, tylko dzięki dyfuzji. Procesy korozji odbywają się wtedy powoli. Jeśli wynoszenie rozpuszczalnych składników odbywa się wskutek filtracji przez beton, wtedy korozja z powodu wyługowywania może spowodować znaczne zmniejszenie długotrwałości betonu.

strefie 2 tworzenie się kryształów gipsu (CaS04•2H20) nie jest możliwe. W strefie tej może następować tworzenie się kryształów soli Candlota, zresztą w ograniczonej ilości, wobec wysokiego stężenia NaCl.

Strefa 3 ulega głównie korozji wobec pęcznienia produktów reakcji chemicznych.

Strefa 4 ulega korozji magnezowej, która polega na wyługowaniu produktów reakcji chemicznych (związków wapnia). W stałą natomiast fazę przechodzi wodorotlenek magnezu. Najbardziej zewnętrzna część strefy 4 przedstawia warstwę betonu karbonizowanego, powstałą z powodu styczności z powietrzem. Ta zewnętrzna warstwa jest chemicznie najbardziej odporna i fizycznie bardziej trwała w porównaniu z pozostałymi warstwami betonu.”

Korozja chlorkowa jest rodzajem korozji, która postępuje z dużą szybkością. Jony chlorkowe to jony, które najszybciej wnikają w głąb betonu, powodując obniżenie pH betonu oraz powstanie związków stosunkowo ekspansywnych, co może powodować w konsekwencji spękania i odspojenia betonu. W przypadku korozji chlorkowej elementów żelbetowych jony chlorkowe oddziałują na zbrojenie powodując jego korozję. Rysunki 2-7 obrazowo przedstawiają korozję elementów żelbetowych znajdujących się w oddziaływaniu wody morskiej – poddanych korozji chlorkowej.

Inną groźną korozją wynikającą z oddziaływania wody morskiej, o której warto wspomnieć jest korozja siarczanowa. W przypadku wody morskiej niszczące działanie na beton wynika z faktu, że obok jonów siarczanowych zawiera one duże ilości jonów chlorkowych i magnezowych, co w konsekwencji przyczynia się do spotęgowania niszczenia betonu. W przypadku odziaływania siarczanów z wody morskiej na beton, zostaje on zniszczony na wskutek m.in. powstawania kryształów soli Candlota inaczej zwanej „bakcylem cementowym” [3], która rozsadza beton. W betonie poddanym oddziaływaniu wody morskiej tworzenie się wspomnianych kryształów jest ograniczone ze względu na występowanie w niej soli NaCl. Im więcej jonów chlorkowych w stosunku do jonów SO42- tym mniej powstaje kryształów soli Candlota. Między innymi obecność soli NaCl ogranicza tworzenie się kryształów soli Candlota ponieważ sól NaCl powoduje wzrost ich rozpuszczalności.

Rys. 2 Etap 1 korozji chlorkowej
Rys. 3 Etap 2 korozji chlorkowej
Rys. 4 Etap 3 korozji chlorkowej
Rys. 5 Etap 4 korozji chlorkowej
Rys. 6 Etap 5 korozji chlorkowej
Rys. 7 Etap 6 korozji chlorkowej

Źródła i literatura:

[1] Polska Norma PN-EN 206+A2 „Beton – Wymagania, właściwości użytkowe, produkcja i zgodność”

[2] „Podstawy projektowania i algorytmy obliczeń konstrukcji żelbetowych” A. Łapko, B.CH. Jensen.

[3] „Zabezpieczenie budowli przed wilgocią, wodą gruntową i korozją” H. Stankiewicz

[4] „Pełna ochrona betonu z wykorzystaniem produktów systemu Penetron. Obiekty kubaturowe i inżynierskie” Kraków 2013

[5] „Naukowcy wyjaśniają zagadkę trwałości starożytnego rzymskiego betonu” A. Popiak, historykon.pl, 5.07.2017

[6] „Naukowcy odkryli przepis na… beton, którego Rzymianie używali 2 tys. lat temu” J-P. Mauro, pl.aleteia, 3.08.2019

[7] „Antyczny beton lepszy niż portlandzki”, Rzeczpospolita, 17.08.2021, T.Nowak

[8] „Naukowiec z Indii zrealizuje swoje badania na Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie”, tu.swinoujscie.pl, 10.06.2022;

[9] „W ZUT powstanie beton zbrojony z wodą morską w składzie”, https://forumakademickie.pl/, 10.06.2022, MK

[10] Lawrence Berkeley National Laboratory: https://newscenter.lbl.gov/2017/07/03/ancient-concrete-could-teach-us-to-do-as-romans-did/

[11] Lawrence Berkeley National Laboratory: https://newscenter.lbl.gov/2013/06/04/roman-concrete/

[12] Komunikat prasowy Uniwersytetu Utah: https://unews.utah.edu/roman-concrete/

[13] „Vademecum Technologia Betonu”, karta C2 „ Korozja Chemiczna betonu”, Górażdże