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.

W wyniku karbonatyzacji betonu następują zmiany w stanie zbrojenia.  Stopnie korozji stali w betonie można podzielić na następujące etapy (rys.1):

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.

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.

Rys.1 .Proces korozji konstrukcji żelbetowej [2]

Produktem korozji jest tlenek żelaza (rdza), która zwiększając swoją objętość, rozsadza beton wokół siebie, powodując uszkodzenia i pęknięcia przez które przedostaje się wilgoć powodując dalszą degradację.

Na rys.2. zilustrowano proces karbonatyzacji betonu. Proces ten jest dość powolnym(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).

Rys. 2 Proces karbonatyzacji w otuleniu betonem [2]

Oddziaływanie wilgoci

Zjawiskiem działającym równie niekorzystnie na konstrukcje żelbetowe jest wilgoć, a w istocie zmiany stopnia zawilgocenia lub zmiany temperatury. 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.

Środowisko chemicznie agresywne

Środowiska o silnej agresji chemicznej, to zwykle roztwory wodne lub rozpuszczalnikowe różnych substancji chemicznych o odpowiednio wysokich stężeniach lub ciekłe chemikalia. W większości przypadków silnie agresywne środowiska ciekłe wywierają na konstrukcję parcie (zbiorniki, baseny, kanały, tace ociekowe). W środowiskach tych, niezależnie od jakości betonu, konstrukcja żelbetowa jest nietrwała.

Ochrona betonu przed korozją

Ochrona materiałowo-strukturalna

Ochrona materiałowo-strukturalna polega na stosowaniu różnych zabiegów przeprowadzanych w trakcie wznoszenia obiektu, a zwłaszcza przed stwardnieniem betonu, skutkujących zwiększeniem odporności konstrukcji.

Do podstawowych sposobów ochrony materiałowo-strukturalnej należą: stosowanie betonów o podwyższonej szczelności; stosowanie, o ile jest to możliwe, cementów i kruszyw o zwiększonej odporności na działanie agresywnych substancji chemicznych; stosowanie odpowiednio dobranej stali zbrojeniowej; odpowiednie, geometryczne ukształtowanie konstrukcji; zwiększenie grubości betonowej otuliny zbrojenia itp.

Obecnie, zgodnie z  [3] oceniamy głębokość penetracji wody pod ciśnieniem poprzez wywieranie na próbkę ciśnienia 0,5 MPa przez okres 72 godzin (3 doby). Następnie próbkę się rozłupuje i jeżeli penetracja wody jest mniejsza niż 50 mm beton uznaje się za wodoszczelny. Minimalny wymiar boku lub średnicy próbki nie powinien być mniejszy niż 150 mm.

Różnicę między stosowaną dawniej wodoszczelnością a klasą szczelności mierzoną penetracją podano w artykule Wodoszczelność betonu.

Ochrona powierzchniowa betonu

Norma [4] jako metody ochrony powierzchniowej betonu definiuje impregnację i ochronę powłokową.

Impregnacja  hydrofobowa (H) (hydrofobizacja)

Metody imperegnacji hydrofobowej (hydrofibizującej) (H) oznaczono niebieską czcionką w tab.2.

Występuje ona w kilku zasadach, a polega na tym, że pory betonu nie są wypełnione, a jedynie pokryte wyrobem, nie powstaje błona, a jako środek hydrofobizujący stosowane są proste związki silikonowe (zawierające  w składzie żywice krzemoorganiczne): silany, siloksany.

Preparat hydrofobowy wnika w przypowierzchniową warstewkę betonu i adsorbuje się na powierzchniach porów i kapilar. Nie uzyskuje się powłoki o skończonej grubości, a wygląd powierzchni betonu pozostaje zwykle bez zmian lub ulega nieznacznemu ściemnieniu. W wyniku impregnacji hydrofobizującej powierzchnia betonu nabiera właściwości hydrofobowych, tzn. właściwości odpychających cząsteczki wody.

Impregnację hydrofobizującą stosuje się do zabezpieczania elementów betonowych przed skutkami wnikania w głąb betonu wody niewywierającej parcia. Impregnacja hydrofobizująca pozwala na utrzymanie odpowiedniej wilgotności betonu przez ograniczenie jego wysychania, ogranicza przebieg szkodliwej reakcji alkaliów z kruszywem zawartym w betonie, zabezpieczając powierzchnię betonu przed wnikaniem z otoczenia wody, będącej jednym z reagentów, ochroni beton przed zniszczeniem powodowanym zamarzaniem i rozmarzaniem, ochroni przed wnikaniem do betonu jonów chlorkowych. Dzięki impregnacji (H)uzyskujemy powierzchnie czasowo odporną na wodę i zabrudzenia, którą należy co jakiś czas odnawiać, nanosząc kolejną 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.

Dla wszystkich trzech zasad ochrony, gdzie stosuje się (H) narzucone są właściwości użytkowe zestawione w tab.3

Tab.3. Wymagania dla właściwości użytkowych impregnacji hydrofibizujacej [5]

Impregnacja (I)

Impregnacja (I) polega na powlekaniu powierzchni betonu preparatami impregnacyjnymi, opartymi głównie na żywicach syntetycznych, epoksydowych, poliuretanowych, akrylowych i innych.Ochrona za pomocą impregnacji preparatami z żywic syntetycznych polega na naniesieniu na powierzchnię betonu preparatu impregnującego, który charakteryzuje się na tyle niską lepkością, że łatwo wnika w kapilary betonowe i osadza się na ich powierzchniach. Wewnętrzne powierzchnie kapilar betonowych zostają pokryte warstewką impregnatu, która utrudnia wnikanie wody i zawartych w niej substancji agresywnych. W wyniku impregnacji pory i kapilary w betonie, w przypowierzchniowej warstewce, ulegają częściowo lub całkowicie wypełnieniu preparatem żywicznym, a na powierzchni betonu tworzy się cienka, nieciągła powłoka. Powierzchnia betonu ulega uszczelnieniu i wzmocnieniu.

Impregnację tę stosuje się do zabezpieczania powierzchni betonu przed wnikaniem jonów chlorkowych oraz wody niewywierającej parcia, do zabezpieczania powierzchni betonu przed działaniem środowisk agresywnych. Dzięki impregnacji uzyskuje się zwiększenie odporności powierzchni betonowych na ścieranie i uderzenia. Impregnacja może chronić beton przed skutkami szoku termicznego oraz zamrażania i rozmrażania w obecności i soli i bez zasolenia.

Zabezpieczenia powłokowe (C)

Ochrona powłokowa (C) jest stosowana  w kilku zasadach i oznaczono ją czcionką zieloną w tab.2.

Ochrona (C) polega na wytworzeniu na powierzchni betonu ciągłej warstewki izolacyjnej oddzielającej beton od środowiska. Jest uzyskiwana przy użyciu różnego rodzaju powłok lakierowych i izolacji.  Grubość warstwy może się wahać od 0,1 mm do 5 mm, a w szczególnych przypadkach grubość może przekroczyć 5 mm. Górna granica grubości nie jest określona. 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.

Do wykonywania zabezpieczeń powłokowych mogą być stosowane polimery organiczne, polimery organiczne z cementem jako wypełniaczem lub spoiwa hydrauliczne modyfikowane polimerami organicznymi.

Zabezpieczenia powłokowe stosuje się do zwiększenia odporności powierzchni betonowej na działanie agresywnych chemicznie środowisk, szczególnie na działanie środowisk o silnej agresji chemicznej. Zabezpieczenia te uodporniają powierzchnie przed uszkodzeniami mechanicznymi, np. nawierzchnie posadzkowe, i uszczelniają powierzchnie betonu w elementach podlegających zarysowaniu.

Do zabezpieczeń powłokowych zalicza się też mineralne wyprawy ochronne. Zgodnie z [6]) wyroby przeznaczone do wypraw mineralnych stanowią mieszanki kompozytów mineralnych złożonych z cementu, różnych nieorganicznych modyfikatorów chemicznych oraz wypełniaczy i mikrowypełniaczy nieorganicznych.

Dobór wyrobów do ochrony powierzchniowej betonu

Poprawność doboru wyrobu do ochrony powierzchniowej betonu należy sprawdzić poprzez kontrolę deklaracji właściwości użytkowych oraz znakowania CE wraz z towarzyszącą informacją .

Jest to szczególnie ważne dla zabezpieczeń hydrofobowych (H), ponieważ zastosowanie systemu (H) może spowodować obok pozytywnego   efektu (ograniczenia zawilgocenia betonu) – skutek negatywny w postaci przyspieszonej karbonatyzacji, co jest bardzo niekorzystne w konstrukcjach żelbetowych (choć może być wskazane dla wyrobów betonowych niezbrojonych, np. kostki betonowej).  W tab.4 za pracą [1] podano przykład znakowania CE wyrobu (H).

Tab.4. Wymagania dla właściwości użytkowych impregnacji hydrofobizującej [7]

Przykład powłok do ochrony powierzchniowej

Tab.5. System preparatów SIGMA  do ochrony powierzchniowej betonu [9]

Systemy ochrona powierzchniowa dobiera się z uwzględnieniem zestawu norm PN-EN 1062, a mianowicie: [10], [11], [12], [13], [14]).

• krzemianowaniu szkłem wodnym,
•  fluorowaniu,
• neutralizacji niektórymi kwasami organicznymi (szczawiowym itp.) lub nieorganicznymi (fosforowym).

Ochrona betonu za pomocą krzemianowania, fluatowania lub neutralizacji kwasami polega na naniesieniu na powierzchnię betonu preparatów zawierających substancje reagujące ze składnikami stwardniałego zaczynu cementowego. W wyniku tej reakcji tworzą się związki chemiczne nierozpuszczalne w wodzie i w elektrolicie porowym zawartym w betonie. Związki te wypełniają kapilary betonu i w ten sposób ograniczają wnikanie do betonu substancji agresywnych z otaczającego środowiska.

W analogiczny sposób uodparnia powierzchnię betonu obróbka polegająca na działaniu na powierzchnię betonu gazami:

• dwutlenkiem węgla,
• fluorkiem krzemu (fluorowanie),
• fluatowaniu roztworami fluorokrzemianów.

Współistnienie systemów ochrony betonu przed korozją

W tab. 6 zestawiono wymaganą ochronę betonu przed korozją w zależności od stopnia agresywności środowiska. Ochronę konstrukcyjną oraz materiałowo-strukturalną należy stosować w każdym przypadku. Stosowanie betonu wodoszczelnego zalicza się do ochrony materiałowo-strukturalnej i wymóg jego stosowania zależy od czasu trwania i ciśnienie naporu wody na powierzchnię elementu betonowego. Niezależnie od tego przy średnim stopniu agresywności ( np XA2) należy stosować ochronę powierzchniową, a przy silnej agresywności stosujemy ochronę ograniczającą (izolację typu średniego lub ciężkiego). Zastosowanie betonu wodoszczelnego (p. Ochrona materiałowo-strukturalna) nie zastąpi ochrony powierzchniowej lub odcinającej przy większej agresywności środowiska, a powinna współistnieć.

Tab.6 Współistnienie systemów ochrony betonu przed korozją

Niezależnie od zapisów w normach, w tym zalecanego współistnienia systemów ochrony betonu przed korozją (tab.6) decyzję o stosowaniu środków ochrony podejmuje Projektant, a nie norma i to on odpowiada za konsekwencje swojej decyzji w zakresie trwałości betonu. Zgodnie bowiem z ustawą o normalizacji [15] art. 5, ust 3: „Stosowanie Polskich Norm jest dobrowolne” niezależnie od tego, ze zgodnie z ust.4 „Polskie Normy mogą być powoływane w przepisach prawnych po ich opublikowaniu w języku polskim.”.

Zabezpieczenie powierzchniowe fundamentów

Wykonanie  betonu o podwyższonej szczelności nie może też wyeliminować (zastąpić) zabezpieczenia powierzchniowego elementów betonowych zanurzonych w gruncie, przy czym rodzaj zabezpieczenia powierzchniowego należy dobierać zależnie od agresywności korozyjnej środowiska gruntowo-wodnego. Zaleca się , aby w każdym przypadku  należy zastosować przynajmniej lekkie izolacje powierzchniowe(p-kt 3.2). Ten ostatni wymóg uzasadnia się wysoką klasą ekspozycji na karbonatyzację (XC2) fundamentów zanurzonych w gruncie i w konsekwencji określeniem stopnia agresywności środowiska joko średni, niezależnie od agresji chemicznej wody gruntowej oraz gruntu.

Zdaniem autora agresja chemiczna środowiska wodno-gruntowego jest jednak decydująca: ochronę powierzchniową należy stosować przy klasie ekspozycji XA2, choć ostateczną decyzję podejmuje Projektant konstrukcji, a nie Wykonawca bądź Inspektor Nadzoru Inwestorskiego. Zasadą jest , że każdy fundament, również wykonany z betonu wodoszczelnego powinien zostać zabezpieczony powierzchniowo, a decyzję  o wyeliminowaniu takiego zabezpieczenia podejmuje Projektant dla środowiska suchego i o małej agresywności chemicznej, nie większej niż XA1.

Klasy agresywności chemicznej XA dla środowiska gruntowego dobiera się zgodnie z tab.4.

Tab.4. Klasy agresywności XA1 (słaby stopień) , XA2( średni stopień) i XA3 (silny stopień) w zależności od wody gruntowej lub rodzaju gruntu wokół elementu betonowego