Czym jest atak siarczanowy na beton?

Atak siarczanowy to reakcja chemiczna między siarczanami a zaczynem cementowym w betonie, która tworzy minerały o działaniu ekspansywnym i pęka beton. FHWA wymienia jako produkty ettringit, gips i taumazyt. Brytyjska pisownia to „sulphate attack”. To ten sam proces.

Co reaguje

Jony siarczanowe wnikają do wody porowej betonu, z zewnątrz lub z wewnątrz. Przepuszczalność betonu określa, jak szybko wnikają. FHWA opisuje reakcję w trzech postaciach.

• Ettringit to siarczanoglinian wapnia. Tworzy się, gdy siarczan reaguje z fazami glinianowymi zaczynu. FHWA mówi, że ettringit powoduje większość zaburzeń w ataku siarczanowym. Wielu badaczy łączy odporność cementu na siarczany z zawartością C3A (glinianu trójwapniowego), ponieważ C3A określa, ile ettringitu może powstać.
• Gips tworzy się, gdy siarczan łączy się z wapniem. Jego ekspansja może nie być destrukcyjna, ale gips daje niewielką zdolność wiążącą, więc beton traci spójność. FHWA podaje granicę: korozja gipsowa dokłada uszkodzeń bezpośrednio powyżej 1 000 ppm siarczanów, a ma małe znaczenie, dopóki siarczany nie przekroczą 4 000 ppm.
• Taumazyt to minerał podobny do ettringitu, w którym krzemionka zastępuje tlenek glinu. Zależy od uwodnionych krzemianów wapnia (CSH) zaczynu, a nie od zawartości C3A. Dlatego cement o niskiej zawartości C3A go nie ogranicza. FHWA mówi, że tworzy się chętniej w niskich temperaturach i że często myli się go z ettringitem. Może postępować, dopóki nie zabraknie spoiwa.

Ataki zewnętrzny i wewnętrzny

W zewnętrznym ataku siarczanowym siarczany spoza betonu wnikają do niego i reagują z fazami glinianowymi zaczynu. FHWA podaje jako przykłady wody gruntowe i środki do odladzania. Najczęstszym źródłem jest gleba. Zakres uszkodzeń zależy od źródła, stężenia siarczanów, przepuszczalności betonu i składu zaczynu.

Drugą drogą są środki do odladzania. FHWA podaje, że zwykła sól kamienna może mieć czystość zaledwie 92 procent. Zanieczyszczeniami są często gips i anhydryt. Jedno z badań wykazało w naturalnej soli kamiennej do 4 procent siarczanu wapnia. FHWA nazywa uszkodzenia od tych zanieczyszczeń uszkodzeniem od środków do odladzania (deicer distress).

Wewnętrzny atak siarczanowy pochodzi z siarczanów znajdujących się wewnątrz betonu. FHWA wyróżnia trzy postaci:

• Opóźnione tworzenie ettringitu (DEF) to ettringit, który tworzy się w betonie po jego stwardnieniu i nabraniu wytrzymałości. Wysokie temperatury we wczesnym dojrzewaniu uniemożliwiają prawidłowe powstanie pierwotnego ettringitu. Po ostygnięciu betonu siarczany i glinian reagują i tworzą ekspansywny ettringit. FHWA powołuje się na badania dotyczące minimalnej temperatury 65 do 80 °C, przy czym wiele źródeł podaje 70 °C. Zaznacza, że typowym powodem jest utwardzanie parą, i że nie jest pewne, czy nawierzchnie wylewane na miejscu osiągają takie temperatury.
• Nadmiar siarczanów pochodzi z wolno rozpuszczalnych siarczanów w klinkierze, popiele lotnym lub kruszywie. Powoduje ekspansję zaczynu, podobnie jak atak zewnętrzny. FHWA mówi, że w nawierzchni prawie nie da się oddzielić tego od DEF.
• Wtórny ettringit to ettringit, który rozpuszcza się, a potem krystalizuje ponownie w pustkach i pęknięciach. Większość ekspertów zgadza się, że nie wytwarza dostatecznego ciśnienia, by rozsadzić zdrowy zaczyn. Może wypełniać pory powietrzne, a to może zmniejszać odporność na zamrażanie i rozmrażanie.

Jak to rozpoznać

FHWA wymienia drobne spękania w pobliżu szczelin i krawędzi płyt albo spękania mapowe na całej płycie, dla obu typów. Zewnętrzny atak zwykle najpierw pojawia się jako spękania w pobliżu szczelin i krawędzi płyt, w ciągu kilku lat od budowy. W zaawansowanych przypadkach FHWA mówi, że zaczyn może zamienić się w niespoisty proszek. FHWA mówi też, że wewnętrzny atak w wielu konstrukcjach objawia się gęsto rozmieszczonymi, ciasnymi spękaniami mapowymi, z szerszymi pęknięciami w regularnych odstępach.

Inne mechanizmy dają ten sam obraz. FHWA wymienia takie same spękania dla reaktywności alkalia-krzemionka (ASR) i reaktywności alkalia-węglan (ACR), więc same spękania nie pokazują przyczyny. Pomocniczo liczy się czas pojawienia się uszkodzeń:

Drugi materiał FHWA (HIF-15-018) podaje 1 do 5 lat dla zewnętrznego ataku. Zakresy się pokrywają, więc czas także nie rozstrzyga przyczyny.

Ettringit w rdzeniu nie jest dowodem. FHWA mówi, że w uszkodzonym betonie bardzo często widać osady ettringitu w porach powietrznych i pęknięciach. Ettringit może być objawem przepływu wody, a nie przyczyną uszkodzenia. FHWA prosi, aby petrograf przeciął rdzeń i ocenił, czy ettringit spowodował spękanie, czy tylko wypełnił pęknięcia powstałe z innego mechanizmu. FHWA podkreśla też, że rdzenie powinny obejmować pełną grubość betonu. Jako ramy badania petrograficznego wskazuje ASTM C856. Pod mikroskopem DEF widać jako szczeliny w zaczynie wokół ziaren kruszywa, proporcjonalne do wielkości ziarna.

Klasy ekspozycji według ACI 318

ACI 318-19 dzieli ekspozycję na siarczany na cztery klasy według rozpuszczalnych siarczanów w glebie lub wodzie. Wartość dla gleby podaje się w procentach masy i pochodzi z ASTM C1580. Wartość dla wody podaje się w ppm i pochodzi z ASTM D516 lub ASTM D4130. Woda morska należy do S1.

MS i HS oznaczają cementy mieszane odporne na siarczany, odpowiednio umiarkowanie i wysoko odporne. S3 ma dwie opcje. Pierwsza to 0,45 i 4 500 psi z pucolaną lub żużlem. Druga to 0,40 i 5 000 psi wyłącznie z cementem typu V. Domieszka chlorku wapnia jest niedozwolona w S2 i S3. Cement typu I lub typu III może być użyty w S1, jeśli zawartość C3A wynosi poniżej 8 procent. Może być użyty w S2, jeśli zawartość C3A wynosi poniżej 5 procent.

Zapobieganie

FHWA koncentruje się na dwóch krokach. Pierwszy to zmniejszenie przepuszczalności betonu przez niższe w/cm i przez uznane dodatki cementujące (SCM). Drugi to użycie systemu cementowego odpornego na siarczany. FHWA wymienia cement portlandzki typu II lub typu V oraz cement mieszany o umiarkowanej lub wysokiej odporności na siarczany, z dodatkiem pucolany lub cementu żużlowego. FHWA wymienia też popiół lotny klasy F i cement żużlowy jako skuteczne SCM. FHWA mówi, że w/cm poniżej 0,45 pomaga przy ataku zewnętrznym.

Mieszankę można też sprawdzić badaniem. ACI ustala limity rozszerzalności zaprawy w badaniu ASTM C1012, w którym zaprawa jest wystawiona na działanie roztworu siarczanów:

• S1: 0,10 procent po 6 miesiącach.
• S2: 0,05 procent po 6 miesiącach, albo 0,10 procent po 12 miesiącach, jeśli limit 6-miesięczny nie jest spełniony.
• S3, opcja 1: 0,10 procent po 18 miesiącach.

Tabela FHWA pozwala też, by w S2 zamiast typu V użyć cementu dowolnego typu. Jego rozszerzalność po 14 dniach w ASTM C452 nie może przekraczać 0,040 procent.

Nawierzchnie lotniskowe

FHWA uważa, że atak siarczanowy nie jest częstym problemem nawierzchni. Stanowi problem dla betonu stykającego się z gruntem na wielu obszarach zachodniej części Stanów Zjednoczonych. Jeśli badanie gleby wskaże klasy S1 do S3, konieczne jest zabezpieczenie.

FAA AC 150/5320-6G każe projektantowi sprawdzić rozpuszczalne siarczany w glebie i wodzie zarobowej przed stabilizacją chemiczną wapnem lub cementem. Zaleca ostrożność powyżej 3 000 ppm i kontrolę ekspansji powyżej 5 000 ppm. Pozycje stabilizacji AC 150/5370-10H (P-154 do P-157) zawierają to samo ostrzeżenie. Inżynier sprawdza rozpuszczalne siarczany na etapie projektu, aby ustalić, czy stabilizacja może zareagować i spowodować wypiętrzenie. Pozycja P-219 nie dopuszcza podbudowy z kruszywa z recyklingu betonu w miejscach z gruntem o wysokiej zawartości siarczanów (nie więcej niż 0,5 procent).

Dla samej płyty AC 150/5370-10H podaje wytyczne w pozycji P-501. Zawartość spoiwa powinna wynosić co najmniej 517 funtów na jard sześcienny tam, gdzie spodziewane jest silne zamrażanie i rozmrażanie, działanie środków do odladzania lub ekspozycja na siarczany. Inżynier określa maksymalne w/cm na poziomie 0,45 lub niższe dla ekspozycji na siarczany. Dla chudego betonu podbudowy (pozycja P-306) zaleca cement typu II tam, gdzie wybrane kruszywo ma historię reakcji siarczanów.

Dla inspektora atak siarczanowy jest jedną z możliwych przyczyn spękań przy szczelinach i na powierzchni betonu. Inspekcja dronem rejestruje, gdzie są spękania. Przyczynę trzeba ustalić badaniem siarczanów w glebie lub wodzie oraz badaniem rdzenia w laboratorium.