Zastosowanie stali nierdzewnych do budowy elementów zbrojenia betonu

Stale nierdzewne z powodzeniem stosuje się na pręty zbrojeniowe w konstrukcjach z betonu zbrojonego. Pręty zbrojeniowe z tych stali stanowią również często materiał wykorzystywany do naprawy konstrukcji betonowych, w których użyto klasyczną stal węglową. Zastosowanie stali nierdzewnych na pręty zbrojeniowe wynika z wielu zalet tego materiału, do których można zaliczyć:

•  wysoką odporność na oddziaływanie środowisk korozyjnych zawierających jony chlorkowe,
•  brak wymogu wysokiej alkaliczności betonu dla uzyskania ochrony antykorozyjnej stali,
•  niższe koszty napraw konstrukcji i jej utrzymania w całym okresie użytkowania,
•  oszczędność kosztów przy zastosowaniu na konstrukcje o wysokim ryzyku,
•  możliwość recyklingu materiału i częściowy wzrost poniesionych kosztów początkowych.

Konstrukcje z betonu zbrojonego stalą węglową z upływem czasu ulegają niszczeniu w wyniku procesu karbonatyzacji – obniżania się zasadowości betonu (obniżanie wartości pH). W przypadku, gdy wartość pH spadnie poniżej 10, otulina betonowa traci zdolność do pasywacji stali węglowej, co przy stałej obecności tlenu i wilgoci rozpoczyna proces korozji elementów zbrojenia. Wzrastający udział produktów korozji na powierzchni zbrojenia prowadzi natomiast do postępującego rozsadzania betonu i uszkodzeń mechanicznych (spękania i odszczepienia fragmentów materiału).

Odporność korozyjna zbrojenia ze stali nierdzewnej nie jest zależna od własności otuliny betonowej, dlatego stanowi oczywiste rozwiązanie dla konstrukcji betonowych, w których beton podlega wnikaniu chlorków ze środowisk morskich lub oddziaływania soli drogowej. Pręty zbrojeniowe ze stali nierdzewnych są również preferencyjnie stosowane dla konstrukcji projektowanych na długi czas eksploatacji, takich jak mosty, budynki, pomniki, świątynie oraz budowle z wyposażeniem wrażliwym na pola magnetyczne, które wymaga niemagnetycznego wzmocnienia.

Od wielu lat rozwijane są różne metody zwalczania korozji betonu zarówno dla konstrukcji istniejących, jak i nowo powstających. Większość z tych metod koncentruje się na modyfikacji otuliny betonowej, a nie na doborze bardziej odpornego na korozję materiału zbrojenia w danych warunkach środowiskowych. Wynika to głównie ze znacznie wyższych kosztów materiałowych stali nierdzewnych w porównaniu ze stalami węglowymi, co odstrasza inwestorów od powszechniejszego stosowania stali nierdzewnych w konstrukcjach budowlanych.

Dobór prętów zbrojeniowych do zastosowań budowlanych oparty jest na krytycznym poziomie progowym chlorków (Critical Chloride Threshold Level – CCTL), opisującym graniczne stężenie chlorków w betonie, które może zainicjować proces korozji wżerowej stali. Ogólnie przyjmowana wartość tego indeksu dla stali węglowych wynosi 0,4% chlorków w masie betonu, podczas gdy dla stali nierdzewnych jest ona o rząd wielkości wyższa. Do tej pory stosowano uogólnioną zależność stężenia chlorków i pH betonu do określania odporności korozyjnej poszczególnych gatunków stali nierdzewnych (rys. 1). Obecnie jest ona wypierana przez stosowanie metod predykcji dyfuzji chlorków przez otulinę betonową, co pozwala określić, kiedy wzmocnienie ze stali węglowej powinno być zastąpione przez zbrojenie ze stali nierdzewnej oraz jaki poziom odporności korozyjnej będzie wymagany, aby stal nierdzewna spełniła zakładany czas trwałości konstrukcji [2, 3].

W zakresie prętów zbrojeniowych ze stali nierdzewnych dostępnych jest kilka norm krajowych, z których najpopularniejsze są obecnie dwie: brytyjska 6744: 2001+A2: 2009 i amerykańska ASTM A955/A955 – 03b. W normach europejskich brak uregulowań w tym zakresie, choć logicznym następstwem powinno być wprowadzenie zapisów zawartych w normie brytyjskiej BS6744 do nowo opracowanych norm europejskich. Oprócz wymienionych norm (brytyjskiej i amerykańskiej) w tym zakresie dostępne są jeszcze normy krajowe w Danii: DS 13080 i DS 13082, we Francji: XP A 35-014 oraz w Finlandii: SFS – 1259.

Wskazówki co do doboru gatunku stali nierdzewnej na elementy zbrojenia betonu są opisane w normie BS 6744: 2001+A2: 2009, gdzie zakłada się, że odporność na korozję jest podstawowym czynnikiem decydującym o doborze zbrojenia ze stali nierdzewnej. Powyższa norma zawiera gatunki stali nierdzewnych dostępne obecnie w Wielkiej Brytanii i tym samym na terenie całej Europy [6].

Odporność korozyjna, a zatem trwałość różnych gatunków stali nierdzewnych zależy od ich składu chemicznego i środowiska eksploatacji. Zakłada się, że projektanci niekoniecznie mają szczegółową wiedzę o poszczególnych gatunkach oraz ich przydatności do różnych zastosowań. W związku z tym opracowano zestawienie tabelaryczne (tab. 1), które zapewnia ogólne wytyczne związane z przydatnością różnych gatunków stali dla danego zakresu warunków eksploatacji. Przedstawione zestawienie może być stosowane do doboru stali zarówno dla nowopowstających budowli, jak i naprawy lub wzmacniania istniejących konstrukcji.

Do najczęściej stosowanych gatunków stali nierdzewnych przeznaczonych na elementy zbrojenia betonu należą stale austenityczne Cr-Ni typu 1.4301. W ostatnim czasie aktualizacje norm dopuściły również zastosowanie na elementy zbrojenia zyskujące na popularności stale dwufazowe ferrytyczno-austenityczne typu lean duplex 1.4162, które charakteryzują się dużo lepszymi własnościami mechanicznymi od stali austenitycznej typu 1.4301 przy zachowaniu równorzędnej odporności korozyjnej. Kolejna grupa stali nierdzewnych przeznaczona do stosowania w bardziej wymagających warunkach eksploatacji składa się ze stali austenitycznych Cr-Ni-Mo typu 1.4436, 1.4429 oraz klasycznych gatunków dwufazowych ferrytyczno-austenitycznych typu duplex: 1.4362, 1.4462. Dla specjalnych wymagań dopuszczono też wysokostopowe stale austenityczne z podwyższonym stężeniem molibdenu (1.4529) oraz stale dwufazowe typu superduplex (1.4501), które charakteryzują się bardzo wysoką odpornością korozyjną w środowisku chlorków.

Pod względem własności mechanicznych norma BS 6744 dzieli stale nierdzewne na trzy klasy wytrzymałości (gatunki): 200, 500 i 650 MPa. Klasyfikacja ta nie dotyczy samego składu chemicznego stali, lecz tylko własności mechanicznych, które można uzyskać dla danego wyrobu ze stali nierdzewnych o różnym składzie chemicznym (tab. 2). Należy podkreślić, że klasa 500 produktów ze stali nierdzewnych spełnia wymogi własności mechanicznych gatunku B500B ze stali węglowych. Oznacza to, że mogą one być zastąpione przez stale nierdzewne bez większych modyfikacji samego projektu konstrukcji. Stale nierdzewne mogą być również stosowane w warunkach kriogenicznych, w których zachowują wysoką udarność w przeciwieństwie do stali węglowych. Pręty zbrojeniowe ze stali nierdzewnej dostępne są w średnich od 6 do 25 mm w formie prostych odcinków do 12 m lub zwijanych w kręgi. Dostępne są również pręty gięte do kształtów zgodnych z normą BS8666.

Przewagę zbrojenia ze stali nierdzewnej nad klasycznym ze stali węglowej łatwo udowodnić, rozpatrując całkowite koszty życia danej konstrukcji, gdy brane są pod uwagę wszystkie nakłady na naprawy w trakcie eksploatacji konstrukcji (analiza LCC – life cycle costing). Przykładowo, dla konstrukcji mostowych koszty ewentualnych napraw są olbrzymie i nie są tylko związane z wykonaniem samych prac naprawczych, ale z zapewnieniem przejezdności dróg na wyłączonych z eksploatacji konstrukcjach i strat wynikających z powstałych zatorów komunikacyjnych.

Wykonana analiza kosztów życia konstrukcji (LCC) dla jednego ze szwedzkich mostów łączących wyspę Öland ze stałym lądem na Morzu Bałtyckim, który został wybudowany w latach 1968 – 1972 z zastosowaniem zbrojenia ze stali węglowej, wykazała, że całkowite koszty inspekcji, badań i napraw podwoiły wartość początkową całego mostu. Poddano go zabiegom renowacyjnym po upływie ok. 20 lat eksploatacji, co było spowodowane silną korozją elementów zbrojenia ze stali węglowej w wyniku oddziaływania chlorków z wody morskiej. Zakładając użycie stali nierdzewnych na zbrojenie omawianego mostu, jego koszt początkowy zwiększyłby się o 8 proc., ale czas eksploatacji konstrukcji przy minimalnym nakładzie na naprawy wyniósłby 100 lat, a nie ok. 20 lat. Wynika z tego, że zwiększenie początkowych kosztów inwestycji budowlanych związanych z użyciem stali nierdzewnych na elementy zbrojenia przynosi wymierne korzyści w ograniczeniu długofalowych kosztów eksploatacji konstrukcji. Dla wielu konstrukcji mostowych zastosowane elementy zbrojenia betonu z klasycznych stali węglowych wymagają naprawy po ok. 20 latach użytkowania, podczas gdy dla stali nierdzewnych okres ten jest znacznie dłuższy i generuje niższe koszty napraw (rys. 2) [4, 5]. Z tego względu stale nierdzewne zaleca się stosować na budowle szczególnie narażone na oddziaływanie środowisk korozyjnych, w tym:

• konstrukcje narażone na oddziaływanie chlorków i korozyjnie agresywnych atmosfer przemysłowych (np. falochrony, konstrukcje przybrzeżne, doki, ściany oporowe, konstrukcje oczyszczalni ścieków, konstrukcje betonowe w elektrowniach i zakładach chemicznych),
• konstrukcje drogowe, mosty, tunele, gdzie stosuje się sól drogową,
• konstrukcje parkingów narażone na odziaływanie spalin samochodowych,
• konstrukcje narażone na odziaływanie bardzo niskich temperatur (np. dla składowania ciekłych gazów),
• konstrukcje o wysokim stopniu odpowiedzialności (mosty lotniskowe, konstrukcje przeznaczone do kołowania samolotów „taxiways”),
• konstrukcje betonowe dla szpitali i laboratoriów, gdzie wymagane jest niemagnetyczne zbrojenie konstrukcji (np. dla urządzeń rezonansu magnetycznego) [7,8].

Stale nierdzewne znajdują także szerokie zastosowanie podczas naprawy istniejących budowli: konstrukcji mostów autostradowych, podczas renowacji budynków historycznych, konstrukcji przejść podziemnych dla pieszych, a także wielu innych, gdzie wymagana jest długa trwałość konstrukcji. Renowacja konstrukcji betonowych, gdzie doszło do korozji zbrojenia ze stali węglowych, jeżeli zostanie w porę wykonana wymaga zwykle wymiany zewnętrznej warstwy otuliny betonowej wraz z naprawą skorodowanego zbrojenia. W takich przypadkach również zaleca się stosować zbrojenie ze stali nierdzewnej i łączyć je z istniejącym zbrojeniem ze stali węglowej, co zapewnia dodatkową ochronę warstwy zewnętrznej i zwiększa jej trwałość.

Mając na względzie zalety stali nierdzewnych jako materiału zbrojeniowego z powodzeniem można ją stosować zarówno jako remedium na zniszczenia korozyjne istniejących budowli, a w wielu przypadkach jako jedyny możliwy materiał znoszący ciężkie warunki eksploatacji. Chociaż stale nierdzewne są droższe niż węglowe, to ich zastosowanie na elementy zbrojenia betonu jest ekonomicznie uzasadnione, zwłaszcza dla budowli o długim czasie eksploatacji lub konstrukcji, w których można się spodziewać przyspieszonej korozji stali węglowych w wyniku oddziaływania chlorków i agresywnego środowiska eksploatacji. Obecnie podczas projektowania konstrukcji budowlanych coraz częściej stosuje się analizę kosztów życia konstrukcji (LCC), która ma na celu oszacowanie wszystkich kosztów trwania danej budowli i zminimalizowania jej wpływu na środowisko naturalne. W takim ujęciu budowle wykonane z zastosowaniem zbrojenia ze stali nierdzewnych generują niższe koszty eksploatacji i tym samym mniej wpływają na środowisko naturalne, co oznacza, że są bardziej ekologiczne.

Zbigniew Brytan

Autor jest pracownikiem Instytutu Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska

 

Wykorzystana literatura

 [1] „The CARES Guide to Reinforcing Steels, CARES Certification for the Construction Industry”, www.ukcares.co.uk

 [2] S.Randstrom, M.Almen, R.Pettersson, M.Adair, „Reproducibility of critical chloride threshold levels for stainless steel reinforcement”, Outokumpu company website, www.outokumpu.com

 [3] B.K.Marsh, „Stainless steel reinforcement – The use of predictive models in specifying selective use of stainless steel reinforcement”, Ove Arup & Partners Ltd, Job No. 126211-00, (2009)

 [4] F.N.Smith, „Stainless Steel Reinforcement for Concrete Construction”, 12th Middle Est Corrosion Conference & Exhibition, Paper No. 08032, www.americanarminox.com

 [5] S.Randström, M.Adair, A corrosion management and applications engineering magazine from Outokumpu acom 2 (2009), Special issue: Stainless Steel Rebar, 2-3

 [6] BS 6744: 2001 +A2: 2009 Stainless steel bars for the reinforcement of and use in concrete – Requirements and test methods

 [7] Seminarium „Instalacje wodne – zastosowanie stali nierdzewnej” – Pręty zbrojeniowe ze stali nierdzewnej, www.stalenierdzewne.pl

 [8] Seminarium „Zastosowanie stali odpornych na korozję. Trendy, kierunki, rozwój” – Pręty zbrojeniowe ze stali nierdzewnej w konstrukcjach, www.stalenierdzewne.pl