Właściwa konserwacja betonu zapewnia zachowanie wytrzymałości konstrukcji

W dzisiejszych leksykonach słowo beton stało się symbolem wytrzymałości i stabilności, przywołuje ono obraz solidnej kamiennej konstrukcji. Elementy betonowe w zakładach przemysłowych są narażone na działanie czynników naturalnych i ludzkich niemal od chwili ich wylania i uformowania. Degradacja betonu, będąca skutkiem tych działań, zależy od wielu czynników, z których zaledwie niektóre można kontrolować.

Zrozumienie, czym jest beton, jego natury, jak również umiejętność wzmacniania i naprawiania betonowych budynków jest bardzo ważne dla zapewnienia bezpieczeństwa i trwałości konstrukcji. Wiedza ta stanowi podstawę do oszacowania, kiedy dany budynek, instalacja kwalifikują się do remontu.

W najbliższej przyszłości (kilka lat) miliony dolarów będą wydane na naprawę infrastruktury fabryk i zakładów, a jest to kategoria wydatków, które generują bardzo mały zwrot z inwestycji lub też nie generują go wcale. Podczas gdy podłączenie nowych maszyn i urządzeń czy też rozbudowanie zakładu może bezpośrednio przyczyniać się do zyskowności firmy, kwestie konserwacji i napraw betonu są zazwyczaj pomijane, ponieważ nie przyczyniają się do generowania zysków. Jednakże taki brak dbałości jest niebezpieczny, ponieważ beton wymaga konserwacji zapobiegawczej.

Chociaż skutki procesu degradacji często widać dopiero po latach, skala uszkodzeń zwiększa się z czasem w tempie geometrycznym, co w rezultacie sprawia, że im później wykonuje się naprawy, tym większy jest ich koszt (Patrz ramka: „Fazy degradacji betonu i koszty konserwacji”).

Potrzeba interwencji w postępujący proces degradacji betonu jest zazwyczaj rozważana w kategoriach napraw oraz kwestii ekonomicznych, stawia użytkowników przez wyzwaniami, które są bardzo różne, a poziom ich skomplikowania jest większy niż w przypadku problemów z nowymi konstrukcjami. Z powodu wielu czynników fizycznych, z których wiele jest badanych od niedawna, a poziom ich zrozumienia jest jeszcze niedostateczny – niebezpieczeństwo związane z usuwaniem szkód polega na tym, że same naprawy, zamiast stanowić rozwiązanie, staną się częścią kosztownego, niekończącego się cyklu napraw.

Aby wiedzieć, jak można uniknąć tego błędnego koła, ważne jest zrozumienie, czym jest beton, co z kolei pomoże ustalić źródła przyczyn degradacji betonu.

Beton – informacje podstawowe

Beton powstaje przez zmieszanie zaprawy oraz drobnych i większych cząsteczek kruszywa. Zaprawa będąca mieszanką cementu i wody przylega do powierzchni cząsteczek kruszywa – piasku i żwiru. Następnie rozpoczyna się proces nazywany hydratacją, podczas którego zaprawa twardnieje, a całość mieszanki betonowej przyjmuje swój ostateczny kształt.

Cement portlandzki, jeden z najbardziej popularnych rodzajów betonu, został opatentowany w Anglii w roku 1824 przez Josepha Aspdina, który nadał mu nazwę portland, ponieważ wyglądem przypominał kamień znaleziony w kamieniołomach na wyspie Portland. Dzisiaj cement portlandzki jest opisywany przez Stowarzyszenie Cementu Portland (Portland Cement Association – PCA) jako cement wapienno-krzemionkowy. Istnieje osiem rodzajów cementu portland, z których najbardziej popularnym jest Typ 1 – cement ogólnego zastosowania, używany do produkcji betonu przeznaczonego na budynki, mosty i chodniki. Inne rodzaje cementu są produkowane dla wyspecjalizowanych zastosowań, takich jak tamy, piece hutnicze oraz doły siarczane. W Polsce obowiązującą normą dotyczącą cementu jest norma: PN-B-19701:1997 – Cement. Cement powszechnego użytku. Skład, wymagania i ocena zgodności.

^{Rys. 1. Skuteczne naprawy betonu obejmują kilka czynników, takich jak zastosowany do budowy beton, środowisko oraz wymogi, jakie musi spełnić naprawiony element}

W podstawowym składzie beton jest w użyciu od prawie 200 lat. Zazwyczaj mieszanka betonowa zawiera 10 – 15% cementu, 60 – 75% kruszywa oraz 15 – 20% wody. W wielu betonach powietrze może stanowić kolejne 5 – 8%. Często spotykanym składem standardowym jest 11% cementu portland, 41% żwiru lub tłuczonych kamieni, 26% piasku, 16% wody i 6% powietrza.

Istnieje wiele zmiennych, które mogą wpływać na wytrzymałość i zwartość betonu. Na przykład woda, w której znajduje się zbyt wiele zanieczyszczeń lub  poziom niektórych substancji chemicznych po przekroczeniu pewnych wartości zaczyna działać degradująco na trwałość betonu. Ponadto względna wielkość ziaren kruszywa i jego chropowatość również wpływają na wielkość i grubość elementów konstrukcyjnych, jakie mogą być wykonane z danego betonu.

W pewnym momencie podczas twardnienia i wiązania betonu materiał osiągnie taki poziom, na którym hydratacja zamieni się w proces nazywany dojrzewaniem. Posługując się prostą terminologią, dojrzewanie to czas, w którym beton oddaje wilgoć i ulega hydratacji. Właściwe dojrzewanie jest absolutnie niezbędne do uzyskania zwartej struktury i wytrzymałości betonu. Według PCA „dojrzewanie ma duży wpływ na właściwości utwardzonego betonu, takie jak jego wytrzymałość, trwałość, odporność na penetrację wody, odporność na ścieranie, zachowanie wymiarów oraz odporność na zamrażanie i rozmrażanie”.

Większość, jeśli nie wszystkie te czynniki są ze sobą powiązane i mają zasadniczy wpływ na proces degradacji betonu. Oczywiście w chwili obecnej inżynierowie nie są w stanie ustalić, jak betonowe elementy infrastruktury były mieszane, wylewane lub dojrzewały. Jednakże znajomość podstawowych właściwości betonu pomoże wybrać najlepsze strategie jego naprawy i konserwacji. 

^{Rys. 2. Uszkodzenia wewnętrzne spowodowane przez korozję wbudowanych elementów zbrojeniowych ze stali są podstawową przyczyną degradacji betonu}Czynniki naturalne i wywołane przez człowieka

Oprócz błędów instytucjonalnych, przyczyniających się do degradacji betonu, w grę wchodzi również cały zespół czynników, za które odpowiadają ludzie. Chociaż inżynierowie budowlani mogą podczas projektowania uwzględniać działania sił natury oraz starać się im przeciwdziałać, często jednak nie mamy wpływu na czynniki naturalne. Na przykład cykl zamrażania i rozmrażania jest typowy dla matki natury. W jednych latach wygląda to lepiej, w innych gorzej, a kilka gorszych lat pod rząd przyspieszy proces degradacji. Trzęsienia ziemi, powodzie, silne wiatry czy nietypowe temperatury to dalsze przykłady sił naturalnych, które trudno przewidzieć i którym trudno przeciwdziałać.

Z kolei działania ludzi, przyczyniające się do degradacji betonu, można kontrolować. Można również przydzielić je do jednej z dwóch kategorii: takich działań, które powodują degradację, ponieważ 40 lat temu ludzie wiedzieli mniej na temat betonu oraz takich działań, które powodują degradację na skutek wadliwego projektu czy zaniedbania. Na przykład wyciek kwasu na ziemię wokół filaru wspierającego może spowodować degradację betonu.

Podobnie, jeśli na betonową powierzchnię rozlane zostaną chemikalia czy inne średnio agresywne środki, jeśli nie usunie się ich we właściwy sposób i w odpowiednim czasie, mogą spowodować degradację. Innymi czynnikami, które potencjalnie mogą przyczynić się do procesu degradacji, są: wysokie ciśnienie, wysokie temperatury oraz siły fizyczne, takie jak uginanie, przeciążanie czy powtarzane uderzenia.

^{Rys. 3. Wytrzymałość napraw betonu w dużym stopniu zależy od właściwego doboru materiałów do naprawy, które muszą być zgodne z istniejącymi materiałami oraz właściwie dobrane do środowiska instalacji}

Wśród przyczyn wpływających na degradację betonu na pierwsze miejsce wysuwają się uszkodzenia wewnętrzne, spowodowane przez korozję wbudowanych elementów stalowych, które wzmacniają strukturę betonu (rys. 2). Oprócz korodowania samej stali, proces korozji wpływa również na sąsiadujący ze stalą beton, co w rezultacie powoduje pękanie, wykruszanie się i rozwarstwianie. Problem jest poważny, ponieważ w zasadzie wszystkie betonowe konstrukcje są wzmacniane stalą. Nauka zajmująca się tym zjawiskiem w dalszym ciągu się rozwija. Jednakże bardzo ważne jest uczenie się na błędach z przeszłości, tak aby podczas procesu naprawiania betonu nie popełniać ich ponownie.

Niestety, na podstawie objawów degradacji betonu nie zawsze można dociec prawdziwych przyczyn i wyjaśnić złożoność czy powagę problemu. W zasadzie od samego początku beton narażony jest na ataki czynników środowiskowych, a proces degradacji zachodzi wewnątrz i w sposób ciągły. Pierwsze małe pęknięcie wpuszcza do środka wodę oraz inne substancje powodujące korozję. Następnie zaczynają się pojawiać symptomy zewnętrzne, takie jak wykruszanie, pękanie czy odpryskiwanie.

Zawsze mamy do czynienia z jakimś stopniem degradacji betonu. Pytanie polega tylko na tym, jak i kiedy degradacja ta się objawi i czy jej stopień będzie na tyle poważny, żeby zagrozić prowadzonej działalności lub wpłynąć na zyskowność firmy.

Wybór odpowiednich składników

Według najprostszej definicji, skuteczna naprawa betonu to nic więcej, jak połączenie nowych materiałów z już istniejącymi w celu uzyskania struktury kompozytowej, będącej w stanie wytrzymać warunki środowiskowe oraz działanie procesów i zapewniającej przedłużenie okresu użytkowania oryginalnej konstrukcji. Ponadto, aby odnieść sukces w takim przedsięwzięciu, należy zadbać o to, by podczas realizacji projektu nie przerwano działalności i procesów zakładu.

Po zdecydowaniu się na naprawę kolejnym krokiem jest wykonanie analizy możliwych strategii i wybranie najlepszego trybu postępowania. Dzisiejsze technologie są bardzo zaawansowane i wychodzą daleko poza zwykłą betonową łatę, a do wdrożenia skutecznego programu naprawy betonu można zastosować cały zakres dostępnych rozwiązań. Podstawowe zrozumienie tych opcji – naprawy powierzchniowej, ochrony, stabilizacji, wzmacniania oraz zabezpieczania przed penetracją wody pozwoli na wybranie najlepszego programu dla zakładu.

Specjalista od napraw betonu może pomóc dociec przyczyn zaistnienia problemu i zalecić optymalne rozwiązania. Najlepszą strategię naprawy powinny wybrać wszystkie strony, których naprawa obejmie swoim zasięgiem: inżynierowie, podwykonawcy, menedżerowie zajmujący się harmonogramami oraz zarząd czy też właściciele zakładu.

^{Rys. 4. Skuteczne i trwałe naprawy betonu są rezultatem właściwie dobranych elementów procesu naprawczego}

Podczas planowania należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak nieprzerwane funkcjonowanie zakładu oraz okres użytkowania struktury. Wybór najlepszych materiałów do naprawy to często ćwiczenie kompromisów. Nawet najlepsi technicy specjalizujący się w tej dziedzinie mają problemy z dobraniem jednego produktu, który zaspokajałby wszystkie potrzeby projektu. Wymogiem minimalnym jest to, aby wybrane materiały całkowicie wypełniały naprawiany otwór, aby nie skurczyły się podczas procesu dojrzewania oraz by podczas przenoszenia obciążeń, przy wahaniach temperatury oraz zmianach wilgotności, zachowywały się w podobny sposób jak podłoże, na które są nanoszone (rys. 3).

Podejście kompleksowe

Budżety działów UR w zakładach przemysłowych dysponują zazwyczaj sporymi środkami na naprawy maszyn i urządzeń oraz systemów procesowych, ale wydatki na naprawy budowlane mają zdecydowanie niższy priorytet. Trwa to dopóki uszkodzenia konstrukcji (budowlane) nie osiągną takiego stanu zaawansowania, że zaczynają zagrażać realizacji procesów produkcyjnych firmy (rys. 4).

W każdym procesie podejmowania decyzji wiedza to potęga. Skuteczność naprawy betonu zależy od umiejętności wyciągania wniosków z doświadczeń zaistniałych w przeszłości i zajęcia się problemami tak, aby zapewnić długoterminową integralność i długi okres użytkowania infrastruktury zakładu. Wartość dodana, wynikająca z działań naprawczych betonu, nie powinna być traktowana inaczej niż usługi oferowane przez dostawców maszyn i urządzeń. Edukacja personelu z zakresu podstawowych wiadomości o betonie, o materiałach, z których jest on wykonany, mechanizmach powodujących jego degradację, o metodach wykonywania napraw oraz technikach konstrukcyjnych pozwoli zespołowi na podejmowanie lepszych decyzji dotyczących strategii naprawiania betonu i pozwoli uniknąć kosztownych napraw.

Jeśli nie dba się o odpowiednie procedury konserwacyjne i nie reaguje na oznaki degradacji betonu, może to mieć fatalne skutki dla działalności zakładu. Rozpadający się beton to utajone zagrożenie dla właścicieli zakładu, a zarząd nie może sobie pozwolić na zignorowanie go.

Artykuł pod redakcją Haliny Gawrońskiej

Autor: Tom Kline, menedżer do spraw usług technicznych, Structural Preservation Syste