Wpływ utwardzania CO2 na działanie warstwy pasywującej prętów stalowych w materiałach na bazie cementu

Dlaczego ważna jest bardziej ekologiczna ochrona betonu

Współczesne miasta opierają się na betonie zbrojonym, w którym ukryte pręty stalowe przenoszą znaczną część obciążeń. Z czasem pręty te mogą rdzewieć, zagrażając mostom, budynkom i falochronom. Równocześnie przemysł cementowy jest istotnym źródłem dwutlenku węgla (CO2). Niniejsze badanie opisuje technologię zwaną utwardzaniem CO2, która może pomóc na obu tych frontach jednocześnie: uwięzić CO2 w świeżym betonie i — jak pokazują wyniki — poprawić ochronę stali przed korozją.

Wdychanie CO2, by otrzymać mocniejszy beton

Zamiast pozwalać świeżemu betonowi twardnieć wyłącznie w wilgotnym powietrzu lub parze, utwardzanie CO2 polega na eksponowaniu go na wysokie stężenie dwutlenku węgla we wczesnym okresie utwardzania. Gaz reaguje z pastą cementową, tworząc stałe węglany, które wypełniają pory w warstwie przy powierzchni. Reakcja ta jednocześnie magazynuje CO2 w materiale i tworzy gęstszą zewnętrzną powłokę. Ponieważ większość konstrukcji betonowych jest zbrojona prętami stalowymi, autorzy skupili się na tym, jak zmienione środowisko wpływa na cienką warstwę ochronną — zwaną filmem pasywującym — która naturalnie tworzy się na stali w silnie zasadowym betonie i zapobiega rdzewieniu.

Obserwowanie przejścia stali w stan pasywny i utraty ochrony

Zespół wykonał małe cylindry zaprawy zawierające pręty stalowe i utwardził połowę z nich przy użyciu CO2, a połowę w standardowych, wilgotnych warunkach. Następnie śledzili, jak stal przechodzi z aktywnego, niechronionego stanu do stanu pasywnego, chronionego, korzystając z kilku technik elektrochemicznych wyczuwających bardzo małe prądy na powierzchni stali. Pomiary wykazały, że w zwykłej zaprawie stal potrzebowała około trzech tygodni, by osiągnąć stabilny stan pasywny, podczas gdy w zaprawie utwardzonej CO2 stało się to w przybliżeniu dwa razy szybciej. Autorzy wiążą to przyspieszenie z tymczasowo wyższym stężeniem tlenu wokół stali, spowodowanym reakcją CO2 i zagęszczeniem zewnętrznej warstwy zaprawy, co wypycha rozpuszczony tlen do wnętrza i przyspiesza tworzenie ochronnej powłoki.

Cieńsza, lecz bardziej odporna warstwa ochronna

Pierwsze spojrzenie może sugerować, że film pasywujący w próbkach utwardzanych CO2 jest gorszy: jest nieco cieńszy — około 4,06 nanometra wobec 4,73 nanometra przy standardowym utwardzaniu. Jednak te same testy wykazały, że lepiej opiera się transferowi ładunku, co oznacza, że reakcje korozyjne mają trudniejszą drogę do zajścia. Mikroskopia powierzchni stali wyjaśnia przyczynę. W zaprawie utwardzonej CO2 film jest bardziej jednorodny i drobno uporządkowany, tworząc ciągły, pionowy układ ziaren, który blokuje ścieżki dla jonów chlorkowych i tlenu. Analiza chemiczna za pomocą fotoelektronowej spektroskopii rentgenowskiej wykazała ponadto, że film ma wyższy udział żelaza w niższym stopniu utlenienia (Fe2+) względem Fe3+. Ten stosunek zdaje się ściślej upakowywać film i zwiększać jego zdolność do samoregeneracji drobnych uszkodzeń, tłumacząc zaskakujące połączenie mniejszej grubości i lepszej ochrony.

Opóźnianie uszkodzeń solnych na znacznie dłużej

Rzeczywiste konstrukcje często wystawione są na działanie soli z wody morskiej lub środków odladzających, które stopniowo mogą rozkładać film pasywujący. Aby to zasymulować, badacze poddawali próbki cyklom wielokrotnego moczenia w roztworze soli i suszenia. Stal w zaprawie utwardzanej standardowo utraciła stan ochronny po 18 takich cyklach, z gwałtownym wzrostem prądów korozyjnych. Natomiast stal w zaprawie utwardzanej CO2 pozostała pasywna do około 30 cykli, co oznacza, że początek poważnej korozji został opóźniony o mniej więcej dwie trzecie. Poprawa ta wynika z podwójnej korzyści: zwęglona zewnętrzna warstwa zaprawy spowalnia napływ jonów chlorkowych, a udoskonalony film pasywujący jest sam w sobie bardziej stabilny i mniej podatny na defekty pod atakiem.

Co to oznacza dla przyszłych konstrukcji

Łącznie wyniki sugerują, że utwardzanie CO2 robi więcej niż tylko zatrzymywać gaz cieplarniany w betonie; przekształca także mikroskopową osłonę chroniącą stal wewnątrz. Przyspieszając tworzenie gęstszej, chemicznie bardziej odpornej warstwy pasywującej i łącząc to z bardziej zwartą strukturą porów przy powierzchni, beton utwardzony CO2 może lepiej przeciwdziałać korozji wywołanej solami w czasie. Dla inżynierów oznacza to, że zastąpienie tradycyjnego utwardzania parowego prefabrykatów utwardzaniem CO2 mogłoby wydłużyć czas eksploatacji mostów, konstrukcji morskich i innej krytycznej infrastruktury, jednocześnie przyczyniając się do wykorzystania CO2 — oferując rzadką sytuację korzystną i dla trwałości, i dla wpływu na klimat.

Cytowanie: Guo, B., Shi, L., Chu, J. et al. Effect of CO₂ curing on the performance of the passivation film of steel bars in cement-based materials. npj Mater Degrad 10, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00762-3

Słowa kluczowe: utwardzanie CO2, beton zbrojony, korozja stali, warstwa pasywująca, atak chlorkowy