Mi a szulfátos betonkorrózió?

Szulfátos támadás a szulfát és a betonban lévő cementpép közötti kémiai reakció, amely tágulásra képes ásványokat hoz létre, és repeszti a betont. Az FHWA az ettringitet, a gipszet és a thaumasitot nevezi meg termékként. A brit írásmódban: sulphate attack. Ugyanaz a folyamat.

Mi reagál

A szulfátionok a beton pórusvizébe jutnak, akár kívülről, akár belülről. Az áteresztőképesség szabályozza, milyen gyorsan jutnak be. Az FHWA a reakciót három formában írja le.

• Az ettringit kalcium-szulfoaluminát ásvány. Akkor keletkezik, amikor a szulfát reagál a pép aluminát-fázisaival. Az FHWA szerint a szulfátos támadás roncsolásának legnagyobb részét az ettringit okozza. Sok kutató a cement szulfátállóságát annak trikalcium-aluminát (C3A) tartalmához köti, mert a C3A határozza meg, mennyi ettringit képződhet.
• A gipsz akkor keletkezik, amikor a szulfát kalciummal egyesül. Tágulása nem feltétlenül roncsoló, a gipsz azonban alig köt, ezért a beton elveszti összetartó erejét. Az FHWA egy határértéket említ: a gipszes korrózió 1 000 ppm szulfát felett közvetlenül növeli a károsodást, 4 000 ppm szulfátig pedig alig számít.
• A thaumasit olyan ásvány, mint az ettringit, de az alumínium-oxid helyett szilícium-dioxidot tartalmaz. A pép kalcium-szilikát-hidrát (CSH) tartalmától függ, nem a C3A-tartalomtól. Ezért az alacsony C3A-tartalmú cement sem korlátozza. Az FHWA szerint alacsony hőmérsékleten könnyebben képződik, és gyakran tévesen ettringitnek azonosítják. Addig folytatódhat, amíg már nem marad kötőanyag.

Külső és belső támadás

A külső szulfátos támadásnál a betonon kívülről származó szulfát bejut a betonba, és reagál a pép aluminát-fázisaival. Az FHWA példaként a talajvizet és a jégoldó vegyszereket említi. A talaj a leggyakoribb forrás. A károsodás függ a forrástól, a szulfát koncentrációjától, a beton áteresztőképességétől és a pép összetételétől.

A jégoldó só a második útvonal. Az FHWA szerint a szokásos kősó tisztasága csupán 92 százalék is lehet. A szennyeződések gyakran gipsz és anhidrit. Egy vizsgálat szerint a természetes kősóban akár 4 százalék kalcium-szulfát is előfordult. Az FHWA ezt a szennyeződésekből eredő károsodást jégoldó-károsodásnak (deicer distress) nevezi.

A belső szulfátos támadás a szulfátot a beton belsejéből veszi. Az FHWA három formát nevez meg:

• A késleltetett ettringit-képződés (DEF) az ettringit, amely a betonban a megszilárdulás és a szilárdságnyerés után keletkezik. A korai kikeményedés során fellépő magas hőmérséklet megakadályozza, hogy az elsődleges ettringit megfelelően képződjön. Miután a beton lehűlt, a szulfát és az aluminát reagál, és tágulásra képes ettringit keletkezik. Az FHWA a 65 és 80 °C közötti minimumhőmérsékletre vonatkozó kutatásokat idéz, sok forrás 70 °C-ot ad meg. Megjegyzi, hogy a szokásos kapcsolat a gőzérlelés, és az sem biztos, hogy a helyszínen öntött burkolatok elérik ezeket a hőmérsékleteket.
• A többlet-szulfát a klinkerből, a pernyéből vagy az adalékanyagból származó, lassan oldódó szulfátból ered. A pépben a külső támadáshoz hasonló tágulást okoz. Az FHWA szerint a burkolatban szinte lehetetlen elkülöníteni a DEF-től.
• A másodlagos ettringit az az ettringit, amely feloldódik, majd újra kikristályosodik a légpórusokban és a repedésekben. A szakértők többsége szerint nem kelt elég nyomást ahhoz, hogy az ép pépet szétrepessze. Kitöltheti a légpórusokat, ami csökkentheti a fagyás-olvadás elleni ellenállást.

Hogyan ismerhető fel

Az FHWA mindkét típusnál a dilatációs hézagok és a lemezszélek közelében jelentkező finom repedezést, vagy a teljes lemezen átívelő térképszerű repedezést említi. A külső támadás általában a dilatációs hézagok és a lemezszélek közelében jelentkező repedezésként mutatkozik először, az építést követő néhány éven belül. Előrehaladott esetben az FHWA szerint a pép kohézió nélküli porrá válhat. Az FHWA szerint a belső támadás sok szerkezetben sűrűn elhelyezkedő, szoros térképszerű repedésként jelenik meg, szabályos közönként szélesebb repedésekkel.

Más mechanizmusok ugyanazt a mintázatot adják. Az FHWA ugyanezt a repedezést említi az alkáli-szilika reaktivitás (ASR) és az alkáli-karbonát reaktivitás (ACR) esetén is, ezért a repedezés önmagában nem jelzi az okot. Az első megjelenés ideje kissé segít:

A második FHWA-közlemény (HIF-15-018) külső támadásra 1-5 évet ad meg. A tartományok átfedésben vannak, ezért az idő sem dönti el az okot.

A magban talált ettringit nem bizonyíték. Az FHWA szerint nagyon gyakori, hogy a károsodott betonban ettringit-lerakódást találnak a légpórusokban és a repedésekben. Az ettringit a víz mozgásának a tünete lehet, és nem a károsodás oka. Az FHWA petrográfust kér, aki elvágja a magot, és megítéli, hogy az ettringit okozta-e a repedezést, vagy más mechanizmus által keletkezett repedéseket töltött ki. Az FHWA szerint a magoknak a beton teljes vastagságát le kell fedniük. A petrográfiai vizsgálat keretrendszereként az ASTM C856-ot nevezi meg. Mikroszkóp alatt a DEF a pépben az adalékszemcsék körül résekként látszik, a szemcseméretnek megfelelő arányban.

ACI 318 expozíciós osztályok

Az ACI 318-19 a szulfát-expozíciót négy osztályba sorolja a talajban vagy vízben lévő vízoldható szulfát alapján. A talajértéket tömegszázalékban adják meg, és az ASTM C1580 szabvány adja. A víz értéke ppm-ben van, és az ASTM D516 vagy az ASTM D4130 adja. A tengervíz az S1 osztály.

Az MS és a HS a keverékcementek közepes, illetve magas szulfátállóságú típusait jelöli. Az S3 osztálynak két lehetősége van. Az első 0,45 és 4 500 psi, pucolánnal vagy salakkal. A második 0,40 és 5 000 psi, csak V. típusú cementtel. A kalcium-klorid adalékszer nem megengedett az S2 és az S3 osztályban. Az I. vagy III. típusú cement használható az S1 osztályban, ha C3A-tartalma 8 százalék alatt van. Az S2 osztályban akkor használható, ha C3A-tartalma 5 százalék alatt van.

Megelőzés

Az FHWA két lépésre helyezi a hangsúlyt. Az első a beton áteresztőképességének csökkentése alacsonyabb w/cm értékkel és elfogadott kiegészítő cementanyagokkal (SCM). A második egy szulfátálló kötőanyag-rendszer használata. Az FHWA II. vagy V. típusú portlandcementet, valamint közepesen vagy magasan szulfátálló keverékcementet ír elő, pucolán- vagy salakcement hozzáadásával. Az FHWA az F osztályú pernyét és a salakcementet is hatékony SCM-nek nevezi. Az FHWA szerint a 0,45 alatti w/cm segít a külső támadás ellen.

A keverék tesztekkel is bizonyíthatja alkalmasságát. Az ACI a habarcs tágulására határértékeket ad az ASTM C1012 vizsgálatban, amely a habarcsot szulfáttartalmú oldatnak teszi ki:

• S1: 0,10 százalék 6 hónapnál.
• S2: 0,05 százalék 6 hónapnál, vagy 0,10 százalék 12 hónapnál, ha a 6 hónapos határértéket nem teljesíti.
• S3, 1. lehetőség: 0,10 százalék 18 hónapnál.

Az FHWA táblázata azt is megengedi, hogy az S2 osztályban bármilyen típusú cement a V. típusú helyett is szolgáljon. Tágulása a 14 napos ASTM C452 vizsgálatban legfeljebb 0,040 százalék lehet.

Repülőtéri burkolat

Az FHWA szerint a szulfátos támadás nem gyakori probléma burkolatokon. Az Egyesült Államok nyugati részének sok területén a talajjal érintkező betonnál jelent gondot. Ha a talajvizsgálat S1-S3 osztályt mutat, enyhítés szükséges.

Az FAA AC 150/5320-6G szerint a tervezőnek ellenőriznie kell a talaj és a keverővíz oldható szulfáttartalmát, mielőtt mészzel vagy cementtel vegyi stabilizálást végez. A 3 000 ppm felett óvatosságot, az 5 000 ppm felett a tágulás szabályozását javasolja. Az AC 150/5370-10H stabilizálási tételei (P-154-től P-157-ig) ugyanezt a figyelmeztetést tartalmazzák. A mérnök a tervezés során ellenőrzi az oldható szulfátot, hogy megállapítsa, reagálhat-e a stabilizálás, és okozhat-e dagadást. A P-219 tétel nem engedi a visszanyert betonadalékanyagos alapréteget magas szulfáttartalmú talajú helyeken (legfeljebb 0,5 százalék).

A burkolatlemezre az FAA AC 150/5370-10H a P-501 tételben ad útmutatást. A kötőanyag-tartalomnak legalább 517 pounds per cubic yard legyen, ha súlyos fagyás-olvadás, jégoldó vagy szulfát-expozíció várható. A mérnök legfeljebb 0,45 w/cm-t ír elő, vagy szulfát-expozíciónál ennél alacsonyabb értéket. Sovány betonalapnál (P-306 tétel) II. típusú cementet kell előírni, ha a kiválasztott adalékanyagnál korábban szulfátreakció fordult elő.

Ellenőr számára a szulfátos támadás a beton dilatációs hézagainak és felületi repedezésének egyik lehetséges oka. A drónos felmérés rögzíti, hol van a repedezés. Az okhoz talaj- vagy vízszulfát-vizsgálat és a mag laboratóriumi vizsgálata szükséges.