Strona główna
Badania
Szukaj:




012969


UWAGA! Ten serwis używa cookies.
Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to.



Przyczyny powstawania wykwitów:
1. Uwarunkowania chemiczne - właściwości cementów portlandzkich
2. Uwarunkowania fizyczne (technologiczne)
3. Uwagi końcowe
4. Podsumowanie

Wstęp
Powstawanie wykwitów na powierzchni betonów i zapraw cementowych jest zjawiskiem powszechnie znanym. Wykwity na powierzchni szarych betonów i zapraw nie zwracają zazwyczaj niczyjej uwagi [12] chyba, że występują w postaci zacieków na zapylonych ścianach lub w postaci "sopli" albo "wybroczyn" na starych budowlach betonowych. Zdarza się również, że warstwa wykwitów na ścianie betonowej lub ceglanej na zaprawie cementowej powoduje odpadanie tynku ze ściany lub złuszczanie się farby emulsyjnej z elewacji. Szczególnie uciążliwym zagadnieniem stało się powstawanie wykwitów na powierzchni barwionych betonów i zapraw. Po raz pierwszy wystąpił ten problem przy próbach wytworzenia gotowych, kolorowych warstw fakturowych na prefabrykowanych wielkowymiarowych elementach ściennych [6], [9],[17]. Okazało się, że wielowarstwowe ściany z kolorową warstwą pokrywały się wykwitami w sposób niemożliwy do przewidzenia oraz nie do opanowania. Próby laboratoryjne i technologiczne, stosowanie dodatków chemicznych, hydrofobizacja powierzchniowa i wgłębna oraz obserwacja zachowania się ścian w czasie eksploatacji nie doprowadziły do opanowania zagadnienia. Zaprzestano więc stosowania kolorowych warstw fakturowych. Aktualnie powróciła sprawa wykwitów w związku z masową produkcją kolorowej, betonowej kostki brukowej, powodując liczne dyskusje, a nawet konflikty.

1. Uwarunkowania chemiczne - właściwości cementów portlandzkich
Chemia cementu [5] jest dziedziną niezwykle skomplikowaną, czego dowodem jest stosowanie uproszczeń w budowie wzorów chemicznych, stosowanie skrótów umożliwiających zapis rzeczywistych zjawisk, a także posługiwanie się analogami do modelowych reakcji zachodzących z wykorzystaniem dobrze opisanych substancji chemicznych. Przyjmuje się, że cement składa się głównie z następujących substancji [3], [5], [18]: 3CaO • SiO2 symbol C3S nazwa: "alit" ilość średnia 56% 2CaO • SiO2 symbol C2S nazwa: "belit" ilość średnia 22% 4CaO • Al2O3 • Fe2O3 symbol C4AF nazwa "celit" ilość średnia 9% 3CaO • Al2O3 symbol C3A (glinian trójwapniowy) ilość średnia 10% CaO (wolne wapno) ilość średnia 1% MgO (wolny tlenek magnezowy) ilość średnia 2% Dodatki modyfikujące właściwości(np. CaSO4 • 2H2O i inne) (wolny tlenek magnezowy) ilość średnia 2% Rzeczywiste związki posiadają oczywiście bardziej skomplikowaną budowę [5]. Reakcja składników cementu z wodą czyli hydratacje cementu jest procesem bardzo skomplikowanym i wieloetapowym [5], ale posługując się schematem uproszczonym można zapisać: 2Ca3SiO5 + 6H2O = Ca3Si2O7• 3H2O + 3Ca(OH)2 Jak widać oprócz uwodnionego krzemianu wapniowego (odpowiednio: krzemianów, glinokrzemianów, żelazoglinokrzemianów wapniowych itp.), powstaje wodorotlenek wapniowy, który jest substancją zapewniającą stabilność chemiczną utworzonych uwodnionych soli [1], [2], [3], [5], [12], [14], [15], [16], [17]. Wewnątrz zaczynu cementowego wodorotlenek wapnia znajduje się, w postaci roztworu będącego w równowadze ze swoimi kryształami, poprzerastanymi tworami krystalicznymi uwodnionych krzemianów [5], [12], [15]. Wodorotlenek wapniowy znajdujący się na powierzchni betonu z dwutlenkiem węgla z powietrza atmosferycznego i reaguje z nim do nierozpuszczalnego węglanu wapnia, stanowiącego podstawowy składnik wykwitów na powierzchni betonu: Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O Znajdujący się w cemencie nadmiar gipsu lub siarczany znajdujące się w wodzie gruntowej albo nawet w wodach opadowych reagują z uwodnionymi glinianami: 4CaO • Al2O3 • H2O + 3(CaSO4 • 2H2O)+ 23H2O = 3CaO • Al2O3 • 3CaSO4 • 32H2O+Ca(OH)2 Powstaje krystaliczny osad siarczanoglinianu wapnia, a uwolniony Ca(OH)2 reaguje z CO2 do CaCO3. Pokazana reakcja pokazuje jeden z etapów korozji siarczanowej betonu prowadzącej nie tylko do jego destrukcji. Szczególnie niebezpieczne jest działanie siarczanu magnezowego, który często znajduje się w wodach gruntowych. Uproszczony przebieg reakcji jest następujący [5]: 3CaO • 2SiO2 • 3H2O + 3MgSO4 + (6+2n)H2O = 3CaSO4 • 2H2O+3Mg(OH)2+2(SiO2 • n H2O) W reakcji z siarczanoglinianami tworzy się ponadto Al(OH)3. Powstaje więc ekspansywny gips, oraz żele Mg(OH)2 i Al.(OH)3. Te reakcje również prowadzą do powstania wykwitów, a przy stałym napływie wody zawierającej siarczan magnezu, do systematycznej destrukcji betonu. W przypadku, jeśli wilgotność betonu odpowiada stanowi równowagi z wilgotnością powietrza nad powierzchnią betonu, szczególnie łatwo zachodzi reakcja karbonizacji betonu, czyli reakcja z CO2 [2], [5]: 4CaO • Al2O3 • 13H2O + 4CO2 = 4CaCO3 + 2Al(OH)3 + 10H2O 3CaO • Al2O3 •3CaSO4 • 13H2O + 3CO2 = 3CaCO3 + 2Al(OH)3 + 3(CaSO4 • 2H2O) + 22H2O 3CaO • 2SiO2 • 3H2O + 3CO2 = 3CaCO3 + 2SiO2 + 3H2O 1/3(3CaO • Fe2O3 • CaSO4 • 32H2O) + CO2 = CaCO3 + CaSO4 • 2H2O +2/3Fe(OH)3+23/3H2O Tak więc w warunkach naturalnych na powierzchni betonu osadza się głównie nierozpuszczalny węglan wapnia, któremu towarzyszy krzemionka, gips, wodorotlenek glinu i żelaza oraz glinokrzemiany. Jeśli występuje stały napływ miękkiej wody z dużą zawartością CO2, może nastąpić całkowita destrukcja betonu, [2], [4], [5], [9], [10], [15], [16], co znalazło zresztą potwierdzenie w katastrofach skandynawskich zapór wodnych [2], [5], [12], bowiem dalszy bieg reakcji jest następujący: CaCO3 + CO2 + H2O + Ca(HCO3)2 czyli nierozpuszczalny węglan wapnia przechodzi w rozpuszczalny wodorowęglan wapnia, który jest wymywany. Opisane wyżej destrukcyjne działanie CO2 nie jest jednak procesem niszczącym każdy beton w sposób katastrofalny, bowiem penetracja CO2 w głąb betonu jest ograniczona i to tym bardziej im mniejszy jest przepływ wody i im szczelniej CaCO3 zamuli wewnętrzne pory zaczynu. Ponadto groźna w skutkach reakcja przejścia nierozpuszczalnego CaCO3 w rozpuszczalny Ca(HCO3)2 w przypadku zjawisk powierzchniowych, z jakimi mamy do czynienia omawiając sprawę wykwitów jest reakcją samoczynnie usuwającą wykwity z powierzchni szczelnego betonu. Warto zatem przypomnieć dwie najistotniejsze reakcje zachodzące w sposób naturalny na powierzchni betonu: reakcja główna powstawania wykwitów: Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O (przebiega bardzo szybko) reakcja samoczynnej likwidacji wykwitów: CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2 (przebiega wolno, nawet do 2 lat)

2. Uwarunkowania fizyczne (technologiczne)
Skład mieszanki betonowej ustalany jest tak, aby uzyskać pożądane cechy techniczne i technologiczne mieszanki betonowej i betonu. Jest oczywiste, że kształtowanie tych cech jest uzależnione od przeznaczenia betonu oraz warunków technicznych i technologicznych wytwarzania, transportu i układania mieszanki betonowej. Ponad 40 metod projektowania betonu cytowanych w literaturze [3], [6], [13], dowodzi złożoności problemu. Warto podkreślić, że właściwości techniczne urządzeń do mieszania składników, transportu, układania i zagęszczania mieszanki betonowej decydują często w głównej mierze o właściwościach betonu. Beton o takiej samej wytrzymałości na ściskanie może przecież powstać z mieszanki spływającej po rynnie do deskowania w wykopie, jak również z mieszanki formowanej przy pomocy wibroprasowania. Struktura wewnętrzna tych dwóch betonów jest jednak całkowicie inna. Opisana w punkcie 1. charakterystyka zjawisk chemicznych wewnątrz i na powierzchni betonu tylko częściowo obrazuje rzeczywistość, bowiem wszystkie pokazane procesy chemiczne zachodzą tylko wówczas, gdy dochodzi do zetknięcia się z sobą reagentów i to koniecznie w roztworze wodnym. Musi więc taki roztwór powstać. Beton zwykle jest ciałem stałym, niejednorodnym, w którym przeważającą część objętości zajmuje naturalne kruszywo praktycznie nieprzepuszczalnie dla wody. Nieprzepuszczalnie ziarna kruszywa otoczone są stwardniałym zaczynem cementowym, który wypełnia także przestrzenie międzyziarnowe. Stwardniały zaczyn cementowy posiada strukturę mikroporowatą, przy czym część porów pozbawionych wody zawiera wykrystalizowany wodorotlenek wapnia, a część zapełniona jest (w warunkach naturalnych) roztworem wodnym wodorotlenku wapnia i rozpuszczalnych soli [2], [3], [5],[12], [15]. Kapilary powstające w trakcie procesów tworzenia się kryształów i pozostające po odparowaniu nadmiaru wody zarobowej wypełniają się w trakcie rozwoju struktury twardniejącego zaczynu nie tylko narastającymi kryształami zhydratyzowanych składników klinkieru cementowego, ale również węglanem wapnia powstającym w procesie naturalnej karbonizacji [2], [5], [15], [16]. Już po siedmiu dniach dojrzewania w warunkach laboratoryjnych dostępna dla wymywania wodą destylowaną jest tylko powierzchnia warstwowa zaczynu, o czym świadczy jednakowe stężenie wymywanych jonów Ca ++ w takiej samej ilości wody używanej do wymywania i przy takim samym stosunku c/w/ (w/c) badanego zaczynu[9]. Pełny obraz betonu to także pory technologiczne powstające na skutek mechanicznego napowietrzenia mieszanki betonowej w trakcie mieszania składników, oraz pory powstające na skutek złej urabialności mieszanki betonowej lub jej nieszczelności spowodowanej błędem projektowania, polegającym na zaplanowaniu mniejszej ilości zaczynu niż wynosi suma jamistości kruszywa oraz minimalnej warstwy oddzielającej ziarna kruszywa. Takie duże pory powietrzne oraz łączące je kapilary są dostępne dla wody, która styka się wówczas z wielokrotnie większą łączną powierzchnią zaczynu niż przy zetknięciu powierzchniowym. Mogą więc w tym samym czasie przebiegać wszystkie opisane wcześniej reakcje chemiczne z wielokrotnie większą intensywnością. Beton z porami technologicznymi, nawet jeśli ich ilość nie powoduje jeszcze znaczącego zmniejszenia wytrzymałości na ściskanie, charakteryzuje się większą nasiąkliwością oraz, co istotniejsze, znacznym podciąganiem kapila5rnym wody. Dochodzi zatem w przypadku kostki ułożonej na wilgotnym podłożu do ciągłego pociągania wody z podłoża ku powierzchni, gdzie odparowuje. Z wodą migrują ku powierzchni rozpuszczone w niej sole i osadzają się, tworząc wciąż nowe warstwy wykwitów. Wytworzone zatem zostają warunki ciągłego przepływu wody, czyli warunki do zachodzenia opisanych poprzednio reakcji betonu. W skrajnym przypadku, szczególnie jeśli woda w podłożu będzie miała charakter agresywny, może dojść do całkowitego zniszczenia kostki. Taka sytuacja występuje rzadko, ale jeśli porowatość betonu spowodowana jest niedostatkiem zaczynu, lub zaczyn przed uformowaniem elementu był przesuszony i utworzył z kruszywem rodzaj porowatego granulatu, może rzeczywiście dojść do zniszczenia betonu. Może przy tym wytworzyć się paradoksalna sytuacja, gdy wykwit pojawia się na powierzchni porowatego betonu, ponieważ wytrąca się wcześniej w jego szerokich porach. Brak wykwitów na powierzchni nie tylko nie jest świadectwem dobrej jakości betonu, ale może być wręcz ostrzeżeniem, że kostka rozpadnie się samoistnie w trakcie eksploatacji. Wykwity mogą natomiast bardzo łatwo wystąpić i to z dużą intensywnością na powierzchni młodych, bardzo dobrze uwibrowanych i przepełnionych zaczynem, czyli całkowicie szczelnych kostek o gładkiej, równej powierzchni bocznej, posiadających tzw. "gęsią skórę" na powierzchni górnej oraz dużą odporność mechaniczną zaraz po zaformowaniu (nadepnięta - wytrzymuje nacisk). Rozwinięta powierzchnia "gęsiej skórki" podlega szybko karbonizacji i stanowi ponadto miejsce odparowywania roztworów migrujących z wnętrza kostki. W miarę dojrzewania tworzy się szczelna struktura wewnętrzna, prawidłowo doszczelniona jeszcze przypowierzchniową karbonizację, natomiast "gęsia skórka" wraz z wykwitami ulegnie starciu w trakcie eksploatacji. Resztki wykwitów będą usunięte samoczynnie przez wodę oraz CO2 z powietrza.

3. Uwagi końcowe
Powstawanie wykwitów na powierzchni barwionych betonów jest procesem naturalnym, wynikającym z procesów chemicznych i fizycznych zachodzących w trakcie dojrzewania betonu i w zetknięciu z naturalnymi czynnikami chemicznymi i fizycznymi. Intensywność powstawania i ilość wykwitów zależy przede wszystkim od składu chemicznego cementu[5], sposobu projektowania betonu [3], [6], [12], [13], przebiegu mieszania składników, sposobu i warunków formowania, sposobu dojrzewania [5], [12], [15], wieku betonu [5], [9], oraz rodzaju agresywności czynników środowiskowych, czyli warunków eksploatacji.
  • Producent kolorowej kostki betonowej może zapewnić sobie tylko względną stałość cech cementu, kupując tej samej marki z tej samej cementowni.
  • Wybór sposobu projektowania betonu to odrębne i kontrowersyjne zagadnienie, skoro np. gęstość pozorną betonu mającą wpływ na warunki wibroprasowania kształtuje aż 5 zmiennych [10], a oczekiwane cechy mieszanki betonowej i betonu można kształtować na ponad 40 sposobów [6], [13]. Dodatek obojętnych chemicznie pigmentów mineralnych absolutnie nie może wpływać na powstawanie wykwitów [9], ponieważ praktycznie zwiększają one o ułamek procenta zawartość pyłów mineralnych w kruszywie.
  • Warunki mieszania składników, w tym warunki i dokładność dozowania, w istotny sposób wpływają nie tylko na różnice cech technicznych i technologicznych mieszanki betonowej [10], pojawiające się w trakcie formowania kostki z mieszanki betonowej wytwarzanej formalnie według tej samej recepty i z tych samych składników.
  • Sposób formowania, czyli częstotliwość, amplituda, czas wibracji oraz odpowiednio dobrana siła docisku stempla formującego ma bezpośredni wpływ na szczelność betonu z prawidłowo zaprojektowanej i wykonanej mieszanki betonowej [10]. Istotne jest również dobranie wielkości zarobu do szybkości formowania, bowiem mieszanka betonowa która oczekuje zbyt długo na zaformowanie, ulega wysuszeniu i granuluje się w zbiorniku zasypowym maszyny formującej.
  • Temperatura i wilgotność powietrza w czasie dojrzewania betonu decyduje o strukturze wewnętrznej betonu [1] , [2], [3], [4], [5], [12], [13], [14], [15].
  • Czas jaki upływa od zmieszania cementu z wodą do wystawienia kostki na działanie czynników środowiskowych w warunkach eksploatacji ma istotne znaczenie. Stosunkowo wysoka wytrzymałość na ściskanie młodego betonu nie zmienia faktu, że to jest młody beton będący w trakcie fizyko-chemicznej przebudowy struktury wewnętrznej, a więc szczególnie podatny na reakcje z chemicznymi czynnikami środowiska, co objawia się często między dużymi ilościami wykwitów na powierzchni.
  • Agresywne działanie środowiska; wody miękkie, karbonizacja zaczynu i kwasów humusowych [2], [12] jest niezależne od producenta kostki, chyba że "wspomagane" jest zwiększoną porowatością technologiczną betonu.
Biorąc powyższe pod uwagę, propozycje zlikwidowania wykwitów za pomocą mniej lub bardziej znanych dodatków należy traktować z dużą rezerwą. Nie powiodły się, wbrew nadziejom i początkowym dobrym efektom, próby hydrofobizowania powierzchniowego i wgłębnego [8], [9]. Nie mają uzasadnienia nadzieje likwidacji powstawania wykwitów przez stosowanie plastyfikatorów, a nawet można się spodziewać zwiększenia ilości wykwitów na młodym betonie, jeśli plastyfikator zawiera składnik opóźniający wiązanie, lub zjawiska granulowania się mieszanki betonowej, jeśli plastyfikator zawiera substancje przyspieszające hydratację klinkieru. Za wręcz szkodliwe należy uznać doniesienia [11], że wykwity będące skutkiem błędów w projektowaniu betonu i w wykonawstwie, można zlikwidować dodatkiem mielonego, granulowanego żużla wielkopiecowego.

4. Podsumowanie
I. Krystaliczne wykwity na powierzchni betonu w warunkach naturalnych powstają zawsze i zawsze powstają na tej powierzchni, z której odparowuje woda.

II. Ilość wykwitów wzrasta, gdy :
  • Beton nie osiągnął wystarczającej dojrzałości w momencie rozpoczęcia eksploatacji nawet jeśli jest wykonany prawidłowo, czyli gdy jest szczelny, co potwierdza małe podciąganie kapilarnej wody.
  • Zaczyn cementowy jest nadmiernie porowaty na skutek wysokiej wartości w/c (niskiego stosunku c/w). Kostka z takiego betonu posiada zaniżoną wytrzymałość na ściskanie, oraz - pomimo gładkości powierzchni - duże podciąganie kapilarne.
  • Zaczyn cementowy posiada zbyt niską wartość w/c (zbyt wysoką wartość stosunku c/w) - np. na skutek przesuszenia mieszanki betonowej przed zaformowaniem lub na skutek błędu w dozowaniu składników - co objawia się w postaci dużego, nieregularnego podciągania kapilarnego oraz widocznych rys skurczowych na powierzchni górnej, a także często poziomych rys lub szczelin na powierzchniach bocznych.
  • Beton w kostce jest źle zawibrowany lub posiada wewnętrzne spękania powstałe mechanicznie - np. w czasie transportu do dojrzewalni. Ten rodzaj porowatości również objawia się dużym, nieregularnym podciąganiem kapilarnym oraz uwidocznieniem spękań lub rozluźnienia struktury w niedowibrowanej części kostki.
  • Stosowane są dodatki opóźniające wiązanie cementu lub zawierające związki reagujące z cementem lub zaczynem w kierunku wydzielania zwiększonych ilości Ca(OH)2. W tym przypadku podciąganie kapilarne może być minimalne, ponieważ część dodatków chemicznych posiada również właściwości hydrofobizujące.
  • Kostka betonowa eksploatowana jest w środowisku ciągle lub okresowo agresywnym.
III. Wykwity znikną z biegiem czasu, gdy:
  • Beton był młody w momencie skierowania do eksploatacji, ale jest umiarkowanie przepełniony zaczynem cementowym o właściwym stosunku w/c/ (c/w) i dobrze uwibrowany czyli szczelny. Taki beton dojrzeje i doszczelni się przez naturalną karbonizację po podstawowym procesie dojrzewania. Taki beton charakteryzuje się bardzo małym podciąganiem kapilarnym. Warunkiem koniecznym zaniku wykwitów jest również to, by kostka nie była eksploatowana w środowisku agresywnym.
IV. Wykwity mogą być prawie niewidoczne, gdy:
  • Kostka prawidłowo wykonana z dobrego, szczelnego betonu będzie skierowana do eksploatacji w nieagresywnym środowisku po prawidłowym okresie dojrzewania (odpowiadającym co najmniej 7 dniom dojrzewania w warunkach laboratoryjnych).
  • Beton będzie bardzo porowaty o dużych, otwartych porach, w których będą się osadzały wykwity zanim roztwory soli dotrą na powierzchnię. Taki beton będzie się charakteryzował wysoką nasiąkliwością i całkowitym podciąganiem kapilarnym. Wykwity na powierzchni mogą pojawić się po pewnym czasie, będąc świadectwem postępującej korozji betonu.
V. Wykwity będą pojawiać się ciągle w trakcie eksploatacji, gdy:
  • Kostka prawidłowo wykonana będzie eksploatowana w środowisku agresywnym, w tym także w warunkach przepływu miękkiej wody.
  • Beton jest porowaty, ma duże podciąganie kapilarne i dużą nasiąkliwość.
  • Beton posiada wysoki stosunek w/c (niski stosunek c/w), czyli niską wytrzymałość na ścianie.
  • Kostka wykonana jest metodą odlewania z betonu ciekłego lub prasowana z betonu gęstoplastycznego.
Inne od opisanych przyczyn występowania wykwitów, a także przypadki szczególnych błędów technologicznych powodujących zwiększenie podatności na występowanie wykwitów powinny być systematycznie ewidencjonowane, analizowane i publikowane. Podobnie powinny być traktowane wszystkie pozytywne wyniki zabiegów ograniczających powstawanie wykwitów, aby unikać nie tylko niepotrzebnych kosztów, ale również zapobiegać zwykłej nierzetelności w ujmowaniu tego istotnego problemu i w proponowaniu "cudownych" dodatków likwidujących wszystkie kłopoty.





 
Copyright © 2011 LTC Sp. z o.o.