Wpływ formowania w deskowaniu selektywnie przepuszczalnym na wybrane aspekty trwałości betonu

Marek WĘGLORZ*

Politechnika Śląska

WPŁYW FORMOWANIA W DESKOWANIU SELEKTYWNIE PRZEPUSZCZALNYM NA WYBRANE ASPEKTY TRWAŁOŚCI BETONU

S treszczen ie. W referacie opisano skuteczność form owania w deskow aniu selektyw nie przepuszczalnym w stosunku do tradycyjnego deskow ania ze sklejki w aspekcie w yników badań postępu procesów korozyjnych zbrojenia oraz ilości substancji agresyw nych (jonów chlorkow ych i siarczanow ych), które w niknęły w warstwę pow ierzchniow ą.

FORMING EFFECTS OF CONTROLLED PERMEABLE FORMWORK ON SOME DURABILITY PROBLEMS OF CONCRETE

S u m m ary. The paper describes the efficiency o f form ing against controlled permeable formwork w ith com parison to standard formwork made from p lyw ood in v ie w o f the tests results o f the progress o f reinforcem ent corrosion and the amount o f the aggressive media (chloride and sulphate ions) w hich penetrated into near-surface layer o f concrete.

1. Wprowadzenie

Trwałość konstrukcji je s t cechą, która gwarantuje zachow anie dobrych parametrów konstrukcji w całym okresie jej użytkowania. Trwałość konstrukcji żelbetow ych jest uwarunkowana zd o ln o ścią w arstwy pow ierzchniow ej do zabezpieczenia stali zbrojeniowej przed dostępem substancji agresyw nych z e środow iska atm osferycznego.

W przypadku surow szych warunków środow iska oraz trudności z zapew nieniem odpowiedniej pielęgnacji dla zw ięk szen ia trw ałości należy sięgnąć po now oczesn e materiały i technologie. R elatyw nie n ow oczesnym rozwiązaniem technicznym jest technologia deskowań selektywnie przepuszczalnych (D SP).

’ Opiekun naukowy: Prof. dr inż. Andrzej Ajdukiewicz

W deskow aniu selektyw nie przepuszczalnym , klasyczne deskow anie jest w yposażone w matę syntetyczną o grubości około lm m . Składa się ona z warstwy drenującej w odę i powietrze ze św ieżego betonu oraz błony półprzepuszczalnej zatrzymującej ziarna cementu.

Mata jest przym ocow yw ana odpow iednio do pionow ych i dennych płaszczyzn deskowania.

Najbardziej istotnym efektem działania deskow ań selektyw nie przepuszczalnych jest obniżenie stosunku w odno-cem entow ego (w /c) w strefie pow ierzchniow ej o grubości ok. 20 mm i uzyskanie warstwy pow ierzchniow ej o zwartej mniej przepuszczalnej strukturze.

Problem deskow ań selektyw nie przepuszczalnych w Europie był badany głów nie na Politechnice w Stuttgarcie, w p o ło w ie lat dziew ięćdziesiątych [2],

W 2002 roku rozpoczęto badania D SP z mat syntetycznych na W ydziale Budownictwa Politechniki Śląskiej w G liw icach. Prowadzone są badania w łaściw ości fizycznych, m echanicznych oraz badania pod kątem w pływ u D SP na cechy wytrzym ałościow e konstrukcji (nośność i rysoodpom ość) [5], W e współpracy z Katedrą Konstrukcji B etonow ych i M ostów prow adzone są badania postępu procesów korozyjnych zbrojenia. Z kolei Instytut C hem ii, T echnologii N ieorganicznej i Elektrochem ii Politechniki Śląskiej współpracuje przy badaniach strukturalnych, w tym przy oznaczeniu ilości substancji agresywnych (jonów chlorkow ych i siarczanowych) w w arstw ie pow ierzchniow ej [4], Wybrane wyniki tych w spólnych badań są prezentowane w referacie.

2. Przedmiot badań - charakterystyki betonów

Próbki do badań pobierano z bloku betonow ego o wymiarach 300 x 1 2 0 0 x 2 6 0 0 mm. Blok wykonano w deskow aniu z impregnowanej sklejki, którego jed n ą z pow ierzchni w yłożono matą syntetyczną. W badaniach wykorzystano matę syntetyczną duńskiej firmy Fibertex.

Tablica 1 Charakterystyki mieszanek betonowych

Symbol mieszanki betonowej

Cement [kg/m3]

CEM I

Woda [kg/m3]

Kruszywo fkg/m3] SP [kg/m3]

fcm(28)

[MPa] w/c piasek kwarcyt

32,5R* 0+2 2+8 8+16

1 2 4 5 6 7 8 9

BI 335,0 201 792 265 706 - 25 0,60

B2 375,0 175 662 400 727 3 33 0,47

* Nominalne oznaczenie cementu - C EM I 32,5R (Górażdże) o f28 = 43,4 MPa

Badania wykonano dla d w óch m ieszanek o różnych składach i w artościach stosunku w /c podanych w tablicy 1, przy czym blok wykonano z betonu B I , natom iast elem enty próbne do badania postępu procesów korozyjnych zbrojenia z betonu B 2 z dom ieszką superplastyfikatora w ilo ści 0,8% m asy cementu.

3. Metoda i przebieg badań

Prowadzone badania m ają na celu potw ierdzenie korzyści stosow ania deskowań selektyw nie przepuszczalnych dla m ateriałowo - strukturalnej ochrony betonu.

Badania chem iczne betonu ograniczono do przeanalizowania pow ierzchniow ej warstwy betonu o grubości do 20 m m . Program badań obejm ow ał m iędzy innym i określenie ilości jo n ó w chlorkow ych i siarczanow ych, które w niknęły w strukturę betonu podczas jego kontaktu z w odnym i roztworam i chlorku sodu i siarczanu sodu.

Z kolei badania postępu procesów korozyjnych zbrojenia elem entów próbnych wykonano stałoprądową m etodą polaryzacji liniow ej, adoptowaną do w arunków w ystępujących w żelbecie. Badaniom poddano b eleczki żelbetow e ze zbrojeniem o różnych wartościach otulenia, przechow yw anych w roztw orze chlorku sodow ego i w w o d zie w odociągow ej.

Rys. 1. Układ do badań polaryzacji liniowej zbrojenia elementu z betonu: a) widok stanowiska pomiarowego, b) głowica pomiarowa. 1 — elektroda badana, 2 - elektroda odniesienia, 3 - metal odporny na korozję, 4 - zewnętrzne źródło prądu, 5 - głowica pomiarowa przykładana do powierzchni betonu, 6 - wilgotna przekładka

Fig. 1. Layout for linear polarization examination o f concrete element reinforcement

Elem enty próbne przechow yw ano od chw ili stwardnienia w roztw orze N aC l i w w odzie w odociągow ej, a następnie poddawano pomiarom po 2 m iesiącach.

Badania szybkości korozji wykonano za pom ocą kom puterowego potencjostatu wyposażonego w elektroniczne karty firmy Gamry z oprogramowaniem . G łow icę z chloro- srebrową elektrodą odniesienia i tytanową elektrodą p om ocniczą w postaci pozłacanej siatki przykładano w środku rozpiętości belek w osi pręta zbrojeniowego.

Po podłączeniu elem entu próbnego do zestawu przez okres 30+ 60 minut ustalano potencjał stacjonarny (korozyjny). N astępnie, zgodnie z programem pomiarowym, polaryzowano zbrojenie (elektrodę badaną) w zakresie potencjałów zm ieniających się około

± 5 0 m V od potencjału stacjonarnego, przesuwając wartość potencjału z szybkością 0,5 m V / s.

W każdym punkcie przyłożenia elektrody porównawczej otrzym ywano przebieg zależności potencjał - natężenie prądu w postaci wykresu. Poniew aż badania m iały charakter porównawczy, określający zm ianę szybkości procesów korozyjnych na pow ierzchni zbrojenia elem entu próbnego, nie określano polaryzowanej pow ierzchni elektrody badanej, lecz arbitralnie przyjm owano w każdym badaniu jej pole pow ierzchni równe 1 cm 2.

W badaniach korozyjnych elem entów próbnych zdecydow ano, że parametrem określającym postęp procesów korozyjnych na powierzchni zbrojenia jest opór polaryzacji Rp.

dE - zmiana potencjału, i - gęstość prądu.

Opór polaryzacji jednoznacznie określa szybkość procesów elektrodowych na powierzchni zbrojenia i zależy tylko od nachylenia krzywej polaryzacji. G ęstość prądu korozyjnego i kor oraz liniow a szybkość korozji Vp s ą pochodnym i oporu polaryzacji zależnym i także od innych parametrów procesu elektrochem icznego.

Równanie Stema-Geary'ego w iąże opór polaiyzacji Rp z gęstością prądu korozyjnego /w za pośrednictwem stałej B zależnej od współczynników Tafela.

i —*Q,E—*Ec

(

)

gdzie:

B

'kor

(

)

G ęstość prądu korozyjnego ik0r zgodnie z prawem Faradaya jednoznacznie definiuje szybkość korozji Vp na podstaw ie zależności:

gdzie:

M -m a sa m olow a żelaza, z - liczba ładunkowa reakcji roztwarzania żelaza, F - stała Faradaya, p - gęstość żelaza.

Próbki do badania w nikania jo n ó w chlorkow ych i jo n ó w siarczanow ych w strukturę betonu pobrano z całej grubości płyty, rozcięto na połow ę, zaizolow ano ży w icą epoksydow ą Epidian 5, ograniczając w nikanie m ediów korozyjnych do pow ierzchni czołow ej elementu.

N astępnie p oszczególn e próbki u m ieszczono w roztworach 3% N aC l i 10% NazSO,*. Po upływ ie m iesiąca próbki w yjęto z roztworów i odkuto z nich warstwy betonu 0+5 mm i 5-^10 mm. Finalnie, m etod ą argentom etryczną i w agow ą oznaczono ilości jon ów , które w niknęły do betonu.

4. Wyniki badań

Po m iesiącu działania 3% N aC l na pow ierzchnię betonu od strony D SP w warstwie 0+5 m m zaobserw ow ano nieco w ięk sze stężenie jo n ó w Cl” niż w tej samej w arstw ie od strony sklejki. Spow odow ane jest to w ięk szą porow atością otwartą i n asiąkliw ością betonu od strony DSP. Już w warstw ie głębszej (5+ 10 mm ) ilość jo n ó w C F, które w niknęły od strony D SP, jest dużo m niejsza w porównaniu do tych, które w niknęły na tę sam ą głębokość od strony sklejki.

W iększość jo n ó w Cl” została w ię c zatrzymana w warstwie przypow ierzchniow ej (0+5 mm) betonu od strony D SP. Przykładow e wyniki dla spodu bloku podano na rys. 2.

Dolna część płyty od strony DSP Dolna część płyty od strony sklejki

0.6

Rys. 2. Zawartość jonów chlorkowych w spoiwie Fig. 2. Chloride ions content in binder

Po m iesiącu działania 10% N a2SC>4 na beton na głębokość (H-5 m m od strony DSP wniknęło mniej jo n ó w SO42' niż na tę sam ą głębokość od strony szczeln ego deskowania. Od strony D SP jony SO42' w niknęły do głębokości 5 mm. W w arstw ie 5-^10 m m stwierdzono ilość jo n ó w SO42', która m ogła być wprowadzona wraz z regulatorem w iązania cementu. Od strony deskow ania szczeln ego do głębokości 10 mm stwierdzono w ięk sze stężenie jonów SO42'. Przykładowe porów nanie dla spodu bloku podano na rys. 3.

Dolna część płyty od strony DSP Dolna część płyty od strony sklejki

Rys. 3. Zawartość jonów siarczanowych w spoiwie Fig. 3. Sulfate ions content in binder

N a podstawie przeprowadzonych badań po 2 m iesiącach ekspozycji w roztworach wodnych stwierdzono, że zasadnicze znaczenie na zaaw ansowanie procesów korozyjnych na powierzchni stali zbrojeniowej m iał sposób formowania. W yniki badań korozyjnych elem entów próbnych przedstawiono w tablicy 2.

W przypadku układania m ieszanki betonowej w form ie w yłożonej matą syntetyczną wartość oporu polaryzacji była około dwukrotnie w iększa n iż przy układaniu mieszanki betonowej w form ie wykonanej ze sklejki, niezależnie od rodzaju środow iska agresywnego.

Taka różnica wartości oporu polaryzacji św iadczy, że około dwukrotnie w iększe zaawansowanie procesów korozyjnych w ystąpiło przy braku maty syntetycznej podczas formowania. W pływ rodzaju stali zbrojeniowej oraz grubości otulenia był mniej istotny.

Tablica 2 Wartości potencjału korozyjnego i oporu polaryzacji na podstawie badań polaryzacji liniowej w elementach próbnych po 2 miesiącach ekspozycji w roztworach wodnych (T - formowane w DSP, S -

formowane w sklejce) opór polaryzacji

Nr belki Stal Otulina Formowanie Namaczanie Eter [mV] Rp [kncm]

1. T/G/0,5/1 Gładka

DSP -251,9 1170 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

2. T/Z/0,5/1 Żebrowana

5 mm -120,6 1360 mmmmmmmmm

3. S/G/0,5/1 Gładka

Sklejka -468,7 570 ■ ■

4. S/Z/0,5/1 Żebrowana -423,3 200 ■ i

5. T/G/1.0/1 Gładka DSP -229,0 570 mmmm

6. T/Z/1,0/1 Żebrowana Solanka -105,4 1100 mmmmmm

7. S/G/1,0/1 Gładka Sklejka -466,8 750 mmmmm

8. S/Z/1,0/1 Żebrowana -212,1 250 mm

9. T/G/1,5/1 Gładka

DSP -36,9 1150 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

10. T/Z/1,5/1 Żebrowana 47,0 1250 mmmm^mmm

11. S/G/1,5/1 Gładka 15 mm

Sklejka -309,0 720 mmmm

12. S/Z/1.5/1 Żebrowana -97,3 210 m

13. T/G/0,5/2 Gładka

5 mm 5,1 1360 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

14. T/Z/0,5/2 Żebrowana -99,9 1280 m m m m ^^m

15. T/G/1,0/2 Gładka

10 mm DSP -161,1 1290 ■ ■ ■ ■ ■

16. T/Z/1,0/2 Żebrowana -102,2 890 w

17 T/G/1,5/2 Gładka

15 mm -163,0 1400 mm^mmmmmm

18. T/Z/1.5/2 Żebrowana -93,7 1050

5. Wnioski

W referacie om ów ion o wybrane w yniki badań parametrów trw ałości elem entów żelbetow ych. Z am ieszczono badania postępu procesów korozyjnych zbrojenia w kąpieli solankowej oraz oznaczenia ilości substancji agresywnych (jonów chlorkow ych i siarczanowych) w w arstw ie pow ierzchniow ej.

Badania potw ierdziły skuteczność D SP w zabezpieczeniu warstwy pow ierzchniow ej betonu przed w nikaniem substancji agresywnych. W dalszym ciągu konieczne jest jednak potwierdzenie skuteczności D SP w dłuższym przedziale czasow ym .

LITERATURA

1. N ev ille A . M.: W łaściw ości betonu. Polski Cement, Kraków 2 0 0 0 , s. 874.

2. B am ew old R.: Saugende Schalungsbahnen. Eine Technik zur Verbesserung der Betorandzone. Praca inżynierska, Fachhochschule, Stuttgart 2000.

3. A jdukiew icz A.: K orzyści betonowania w now oczesnych deskowaniach przepuszczalnych. XVIII Konferencja N aukow o-Techniczna “B eton i prefabrykacja - Jadw isin’2 0 0 2 ”, 10-12 kw ietnia 2002, Popow o k.W arszawy, COBRPB “CEBET”, Warszawa, 2002 t.2, s.7-14.

4. Ludwikowski M. : W pływ jednostronnego odwadniania m ieszanki betonowej na proces w iązania oraz strukturę i w łaściw ości betonu. Praca magisterska, Instytut Chemii, Technologii N ieorganicznej i Elektrochem ii Politechniki Śląskiej w G liw icach, 2003.

5. A jdukiew icz A ., K liszczew icz A ., W ęglorz M.: W pływ m odyfikacji formowania pow ierzchni betonu na rysoodpom ość elem entów żelbetow ych. Pięćdziesiąta Konferencja N aukow a K om itetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PA N i K om itetu N auki PZITB „Krynica 2 0 0 4 ”, 12-17 w rześnia 2004.

6. Zybura A.: Z abezpieczanie konstrukcji żelbetow ych metodami elektrochemicznymi.

M onografia, W ydaw nictw o Politechniki Śląskiej, G liw ice 2003.

7. Corrosion and corrosion monitoring. Cement&Concrete C om posites, Special Issue, vol.

24, no. 1, 2002.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. M ieczysław Król