Zagrożenia korozyjne betonu w przekrytych obiektach oczyszczalni ścieków

Eliminacja uciążliwych zapachów w obiektach oczyszczalni ścieków wymaga ich przekrycia w celu ograniczenia ich rozprzestrzeniania się do atmosfery oraz zasysania powietrza znad lustra ścieków do dezodoryzacji. Dotyczy to przede wszystkim takich obiektów jak kraty, piaskowniki i osadniki wstępne. Przy projektowaniu przekryć i dezodoryzacji odciąganego powietrza nie uwzględnia się korozyjnego oddziaływania na beton powietrza nad lustrem ścieków. Najczęściej przyjmuje się, że jest ono zbliżone do tego, jakie występowało przed wykonaniem przekrycia. Dlatego do oceny korozyjnego oddziaływania na beton w odkrytych obiektach przyjmowano przede wszystkim agresywność ścieków. Jednak po przekryciu piaskowników i osadników wstępnych znacznie wzrosło zagrożenie korozyjne betonu ponad lustrem ścieków. Mimo intensywnego odciągania powietrza z przekrytej przestrzeni, nieodpowiednio zabezpieczony beton ulega intensywnej korozji kwasowej w przestrzeni ponad lustrem ścieków.

1. Wstęp

W otwartych osadnikach wstępnych i piaskownikach, gdzie gazy agresywne (SO₂, H₂S) mogą swobodnie ulatniać się do atmosfery, przyjmowano agresywność ścieków do oceny korozyjnego oddziaływania na beton. Dlatego przy projektowaniu zabezpieczeń betonu w przekrywanych obiektach przyjmowano, że oddziaływania korozyjne czynników kwaśnych zarówno nad, jak i pod powierzchnią ścieków nie będzie niższe od pH = 4. Jednak okazało się, że po ich przekryciu w przestrzeni nad lustrem ścieków następuje powolna adsorpcja gazów agresywnych na zawilgoconej powierzchni betonu, której odczyn może wynosić pH = 1,5÷2. Zgodnie z normą PN-EN 206-1 środowisko o odczynie pH poniżej 4 jest tak silnie agresywne w stosunku do betonu, że nie jest uwzględniane w klasach ekspozycji XA1–XA3. Beton narażony na tak silnie korozyjne środowisko musi być trwale zabezpieczony przed dostępem czynników agresywnych.

W artykule przedstawiono procesy destrukcji betonu na podstawie badań wykonanych na osadniku wstępnym po upływie 2 lat od jego przekrycia oraz badania chemiczne wykwitów pobranych z przekrytego piaskownika.

2. Opis uszkodzeń korozyjnych betonu w przekrytych obiektach

Powierzchniowe uszkodzenia betonu występują tylko w strefie oddziaływania gazów występujących ponad powierzchnią ścieków. Znaczna powierzchnia betonu pokryta jest wykwitami korozyjnymi. Grubość wykwitów korozyjnych na powierzchni betonu wynosiła do 15 mm. Po usunięciu wykwitów wodą pod ciśnieniem powierzchnia betonu jest silnie skorodowana, odsłonięte są grubsze ziarna kruszywa (rys. 1 a, 1 b). Niektóre z tych ziaren wystają na wysokość do 10 milimetrów.

W osadniku wstępnym, gdzie zabezpieczono całą powierzchnię betonu wyprawą cementowo-polimerową uległa ona na znacznej powierzchni ponad lustrem ścieków całkowitemu zniszczeniu. Również na tych powierzchniach zostały odsłonięte grubsze ziarna kruszywa w betonie.

Powierzchnie betonu poniżej lustra ścieków na ścianie bocznej oraz na dnie osadników nie wykazywały żadnych uszkodzeń korozyjnych.

3. Badania cech fizycznych betonu z osadnika wstępnego

W celu określenia podstawowych cech mechanicznych betonu w konstrukcji osadnika wstępnego pobrano z jego ścian bocznych próbki rdzeniowe. Na próbkach określono: wytrzymałość na ściskanie i klasę betonu, wytrzymałość na odrywanie metodą pull-off, wodoszczelności betonu i podciąganie kapilarne.

Badania te miały na celu stwierdzenie, czy zastosowano do wykonania osadnika wstępnego beton odpowiedniej jakości. Uzyskane w badaniach betonu wyniki zestawiono w tab. 1.

Wytrzymałość na odrywanie nałożonej warstwy cementowo-polimerowej w miejscach nieuszkodzonych wynosiła 0,8 MPa. Zastosowana do reprofilacji powierzchni betonu w osadniku wstępnym zaprawa cementowo-polimerowa była odporna na środowisko kwaśne o odczynie pH ≥ 4÷4,5. Beton w osadniku wstępnym kwalifikował się do klasy C30/37.

4. Obserwacje mikroskopowe styku warstwy cementowo-polimerowej z betonem

Obrazy mikroskopowe przekrojów nałożonej warstwy cementowo-polimerowej w pobranych próbkach rdzeniowych pobranych z miejsc nieuszkodzonych przedstawiono na rys. 2 a i 2 b. Na rys. 3 pokazano obraz mikroskopowy powierzchni warstwy cementowo-polimerowej po badaniu wytrzymałości na odrywanie, w którym rozerwanie nastąpiło na styku z betonem.

Na rys. 2 a i 2 b widoczne jest brązowe zabarwienie na styku zaprawy cementowo-polimerowej z betonem, świadczące prawdopodobnie o niedokładnym oczyszczeniu powierzchni betonu przed nałożeniem warstwy reprofilacyjnej. Zabarwienie to jest również widoczne na powierzchni oderwanej warstwy reprofilacyjnej.

5. Badania chemiczne betonu

5.1 Odczyn pH oraz zawartość chlorków i siarczanów

Głębokość oddziaływania procesów korozyjnych w betonie określono na podstawie badań odczynu pH. Odczyn pH oraz zawartość chlorków i siarczanów oznaczono w skrajnych plastrach o grubości około 10 mm odciętych z pobranych na obiekcie rdzeni. Dodatkowo określono odczyn pH betonu na głębokościach 5 i 10 mm przy użyciu papierków wskaźnikowych. Zawartość jonów siarczanowych oznaczono w chromatografie jonowym Dionex ICS-5000. Zawartość chlorków w spoiwie z badanych próbek betonowych określono zgodnie z PN-EN 196-21. Uzyskane w badaniach wyniki zebrano tab. 2.

Przykładowe obrazy grubości całkowicie zneutralizowanych warstw betonu przedstawiono na rys. 4 a i 4 b.

Grubość warstwy całkowicie zneutralizowanej (pH ≤ 8) określana bez uwzględniania warstwy naprawczej lub warstwy skorodowanego betonu wynosi 2÷5 mm. Beton w ścianie bocznej osadnika wstępnego już na głębokości 10 mm wykazuje odczyn silnie alkaliczny (pH = 11,5÷12,3) również w miejscach o silnie skorodowanej powierzchni.

Zawartość siarczanów w spoiwie przypowierzchniowej warstwy betonu od strony wewnętrznej osadnika wstępnego wynosi od 0,77 do 1,48%. Zawartość chlorków w spoiwie betonu wynosi od 0,08÷0,21% i nie przekracza wartości 0,4% zawartej w normie PN-EN 206-1.

5.2 Analiza termograwimetryczna przypowierzchniowej warstwy betonu

Analizę deriwatograficzną przypowierzchniowej warstwy betonu wykonano stosując: naważkę 200 mg, czułość wagi 200 mg, czułość DTA równą 1/10, czułość DTG równą 1/10, szybkość wzrostu temperatury do 1000°C równą 5°/min. Deriwatogram badanej próbki przedstawiono na rys. 5.

W badanej próbce betonu zawartość wody wolnej i związanej krystalicznie wynosiła około 4%. Beton zawiera wodorotlenek wapnia oraz niewielkie ilości węglanu wapnia. Nie stwierdzono obecności związków stanowiących zagrożenie korozyjne dla betonu.

6. Badania chemiczne wykwitów z powierzchni betonu

6.1 Opis pobranych wykwitów korozyjnych

Przed przystąpieniem do wykonania odwiertów w osadniku wstępnym pobrano z powierzchni betonu wykwity korozyjne, których grubość wynosiła od kilku do dziesięciu milimetrów. Dodatkowo pobrano wykwit korozyjny z powierzchni betonu w piaskowniku. Uszkodzenia korozyjne betonu występowały tylko powyżej koryta przelewowego. W osadniku nie stwierdzono korozji betonu poniżej powierzchni ścieków.

Wykwity pobrane z powierzchni betonu w osadniku wstępnym oraz piaskowniku opisano w tab. 3. Obrazy mikroskopowe wysuszonych wykwitów po rozdrobnieniu przedstawiono na rys. 6 a i 6 b.

Widoczne na rys. 6 a i 6 b białe ziarna o nieregularnym kształcie to uwodniony siarczan wapnia (gips). Drobne ziarna kruszywa zawarte w wykwitach korozyjnych mają obły kształt. Ziarna kruszywa kwarcowego są częściowo przeźroczyste. Ziarna pochodzą ze skorodowanej warstwy betonu i zostały uwięzione w wykwicie korozyjnym.

6.2 Odczyn pH

Odczyn pH wykwitów oznaczono w wyciągach wodnych uzyskanych po ich wygotowaniu w wodzie, a wyniki pomiarów przedstawiono w tab. 4.

Stwierdzono silnie kwaśny odczyn wykwitów korozyjnych na powierzchni betonu w osadniku wstępnym oraz piaskowniku. Odczyn ten mieści się w przedziale pH = 1,89÷3,39. Beton narażony na tak silnie korozyjne środowisko musi być trwale zabezpieczony przed dostępem czynników agresywnych.

6.3 Analiza termograwimetryczna wykwitu

Analizę deriwatograficzną wykwitu korozyjnego pobranego z osadnika wstępnego w pobliżu odwiertu rdzenia nr 7 (III) wykonano stosując: naważkę 200 mg, czułość wagi 200 mg, czułość DTA równą 1/10, czułość DTG równą 1/10, szybkość wzrostu temperatury do 1000°C równą 5°/min. Deriwatogram badanej próbki przedstawiono na rys. 7.

Zarejestrowany na krzywej DTA rozległy efekt endotermiczny od temperatury ok. 80÷160°C z potrójnym minimum w temperaturach:, 100, 120 i 160°C połączony jest ze zaznaczającym się na krzywej TG ubytkiem masy próbki o około 26%. Jest to efekt stopniowego rozkładu, obecnego w badanym osadzie, dwuwodnego siarczanu wapnia – gipsu. Bardzo mały efekt endotermiczny na krzywej DTA z minimum w temperaturze ok. 540°C, bez zmiany masy na krzywej DTG, potwierdza obecność w badanym osadzie piasku kwarcowego. Bardzo małe endotermiczne efekty na krzywej DTA w temperaturze 720 i 840°C, którym nie towarzyszy zmiana masy na krzywej DTG, mogą wynikać z obecności w wykwicie spoiwa cementowego. Podsumowując, można stwierdzić, że podstawowym składnikiem wykwitów jest uwodniony siarczan wapnia – gips.

7. Określenie przyczyn zaistniałych uszkodzeń

Korozyjne uszkodzenia betonu w osadniku wstępnym występują powyżej lustra ścieków. Na podstawie badań można stwierdzić, że głównym składnikiem wykwitów korozyjnych jest uwodniony siarczan wapnia (gips). Jego wysoka zawartość w wykwitach korozyjnych powstałych na powierzchni betonu może być produktem następujących reakcji chemicznych:

H₂S + 2O₂ —> H₂SO₄

Ca(OH)₂ + H₂SO₄ —> CaSO₄∙2H₂O

CaCO₃ + H₂SO₄ + H₂O —> CaSO₄∙2H₂O + CO₂

W stanie gazowym i w roztworze wodnym siarkowodór jest dość silnym reduktorem i może utleniać się w reakcji z tlenem zawartym w powietrzu:

H₂S + 1½O₂ —> H₂O + SO₂

Powstający dwutlenek siarki może również powodować powstawanie gipsu w wyniku reakcji ze składnikami betonu:

CaCO₃ + SO₂ + 2H₂O + 1/2 O₂ = CaSO₄∙2H₂O + CO₂

CaO + SO₂ + 2H₂O + 1/2 O₂ = CaSO₄∙2H₂O

Reakcje te są katalizowane przez obecne w pyle zawieszonym pierwiastki śladowe (m.in. V, Cr, Ni). Zawarte w gazie agresywne tlenki rozpuszczają się w wodzie wykraplającej się na powierzchni betonu i reagują ze spoiwem.

Podstawową przyczyną uszkodzeń korozyjnych betonu jest siarkowodór zawarty w powietrzu nad poziomem ścieków. Siarkowodór utlenia się w powietrzu, tworząc kwas siarkowy silnie agresywny dla betonu (H₂S + 2O₂ —> H₂SO₄). Jednocześnie siarkowodór reaguje z wodorotlenkiem wapniowym zawartym w betonie, tworząc siarczek wapnia (CaS). Siarczek wapnia może utleniać się i w wyniku tej reakcji powstaje siarczan wapnia. Po przereagowaniu powinno nastąpić obniżenie kwasowości. Jednak prawdopodobnie następuje dalsza absorpcja tlenków siarki i dlatego zawodnione wykwity wykazują silnie kwaśny odczyn pH = 1,89÷3,39. Przy tak silnie kwaśnym odczynie i stałym silnym zawilgoceniu, na powierzchni częściowo skorodowanego betonu wytworzyła się prawdopodobnie warstwa żelu, która utrudnia dostęp kwaśnego roztworu i częściowo ogranicza proces korozji kwasowej. Dlatego uszkodzenia betonu są przypowierzchniowe i nie zaobserwowano korozji wkładek zbrojeniowych. Potwierdziły to badania odczynu pH, w których stwierdzono, że już na głębokości do 10 mm od powierzchni beton wykazuje odczyn silnie alkaliczny. Jednocześnie wykwit korozyjny na powierzchni betonu jest silnie zakwaszony. Jest to typowa korozja kwasowa betonu.

Do reprofilacji powierzchni betonu w osadniku wstępnym zastosowano zaprawę cementowo-polimerową. Zgodnie z kartą techniczną, zaprawa ta była odporna na środowisko kwaśne o odczynie pH ≥ 4÷4,5. W rzeczywistości powierzchnia betonu powyżej lustra ścieków była miejscowo narażona na działanie kwaśnego środowiska o odczynie pH = 1,89÷3,39. W tak kwaśnym środowisku korozji uległa zaprawa polimerowo-cementowa, a następnie beton.

8. Wnioski

Przy projektowaniu przekryć i dezodoryzacji odciąganego powietrza należy uwzględnić korozyjne oddziaływania gazów agresywnych na beton nad lustrem ścieków. Oddziaływanie to występuje na znacznych fragmentach powierzchni betonu nad lustrem ścieków nawet przy intensywnym odsysaniu powietrza z przekrytej przestrzeni.

Powierzchnia betonu powyżej lustra ścieków może być miejscowo narażona na działanie kwaśnego środowiska o odczynie pH = 1,89÷3,39. Beton narażony na tak silnie korozyjne środowisko należy trwale zabezpieczyć przed dostępem czynników agresywnych. Do zabezpieczania betonu przed oddziaływaniem tak agresywnego środowiska nie można stosować zapraw polimerowo-cementowych.

Podstawowym składnikiem wykwitów korozyjnych na powierzchni betonu w przekrytych osadnikach wstępnych i piaskownikach w oczyszczalniach ścieków jest uwodniony siarczan wapnia – gips.

W opisywanym osadniku wstępnym dobra jakość betonu oraz wyprawa polimerowo-cementowa w znacznym stopniu ograniczyła zakres uszkodzeń korozyjnych. Mimo silnie kwaśnego odczynu i stałego silnego zawilgocenia wykwitów na powierzchni skorodowanego betonu wytworzyła się prawdopodobnie warstwa żelu, która utrudniła dostęp kwaśnego roztworu i częściowo ograniczyła proces korozji kwasowej.

dr inż. Ryszard Maćkowski

źródło:  Forum Eksploatatora 6/2019