Beton byl nejrozšířenější stavební materiál v minulém století a bude jím i v tomto století. Lokální dostupnost jeho složek, jakými jsou kamenivo a cement, snadné tvarování a vysoká pevnost v tlaku, představovaly nejlepší alternativu ke zdivu při výstavbě nových konstrukcí. Jelikož tento umělý kámen nemohl poskytnout dostatečnou pevnost v tahu, museli stavební inženýři zabudovat ocel, čímž překonali tento nedostatek. Nástup železobetonu vedl k inovativnímu použití pro všechny typy konstrukcí a stal se materiálovou volbou číslo jedna pro architekty i stavitele.
Ke znepokojení všech se však zjistilo, že koroze oceli může představovat velký problém trvanlivosti těchto konstrukcí. Přestože cementový tmel poskytuje výztuži fyzickou ochranu a vysokou úrovní alkalického prostředí ji udržuje v pasivovaném stavu, koroze výztužné oceli se dříve či později projevila na téměř každé konstrukci. Za posledních 50 let se jako nejvýznamnější příčina poškození železobetonových konstrukcí objevuje koroze.
Dopady koroze a karbonatace
Kromě značných nákladů na rekonstrukce zvyšuje vynaložené náklady i samotná ztráta možnosti užívat poškozenou konstrukci. S ohledem na hlavní sektory infrastruktury, veřejných služeb, dopravy, zpracovatelského průmyslu a státní správy jsou celkové roční náklady na opravy související s korozí po celém světě větší než 1,9 bilionu EUR, což odpovídá neuvěřitelným 3 % světového HDP. Koroze může být definována jako přeměna čistého kovu (zde oceli) na jeho stabilnější oxidy, za účasti kyslíku a vody. Katodická reakce je popsána jako: 2e- + H2O + ½O2 → 2OH-.
Norma DIN EN 206 předpokládá, že betonové konstrukční díly mají životnost minimálně 50 let. Koroze ocelové výztuže v železobetonu způsobená jeho působením CO2 (karbonatace) může zkrátit životnost. Korozi ocelové výztuže způsobuje voda a kyslík.
Mechanismus ochrany betonu a příčiny koroze
Beton poskytuje přirozený štít, který chrání ocelovou výztuž před korozí. Vysoce alkalické prostředí vytvářené cementovým tmelem kolem výztuže vede k vytvoření pasivní vrstvy na povrchu oceli. Tato pasivní vrstva je tvořena nepropustnými oxidy a zabraňuje dalším korozním reakcím udržováním kyslíku a vody mimo povrch výztuže. Tento způsob ochrany je funkční tak dlouho, dokud přetrvává vysoce alkalické prostředí.
Čtěte také: Složení betonu
Vlastní beton tvoří výbornou ochranu ocelové výztuže proti korozi. Je to dáno vysokou hodnotou pH. Může za to vysoce alkalický, ve vodě rozpustný hydroxid vápenatý Ca(OH)2, který vzniká při tvrdnutí betonu reakcí křemičitanů vápenatých s vodou. Vysoké pH vody v pórech hydratovaného cementu vytváří na ocelové výztuži inertní pasivační vrstvu oxidu železa, zabraňující tvorbě rzi. Zpočátku je ocelová výztuž zcela uzavřena betonem a je tak dobře chráněna proti korozi.
Avšak tento pasivní stav nemůže být v průběhu času zachován v důsledku procesů, které se v betonu přirozeně vyskytují. Dvě hlavní příčiny předčasného stárnutí železobetonu jsou:
- Pronikání chloridů do betonu. Chloridové ionty pronikají difúzí skrz beton k povrchu oceli a narušují pasivní vrstvu.
- Karbonatace betonu, způsobená reakcí betonu s atmosférickým oxidem uhličitým (CO₂), snižuje alkalitu cementového tmelu.
Koroze pak nastává porušením této ochranné vrstvy, a to buď penetrací chloridů (když jejich koncentrace v okolí výztuže překročí kritickou hodnotu), nebo snížením pH pórového roztoku na hodnotu nižší než 9,5. Takové snížení je způsobeno karbonatací Ca(OH)2, který reaguje s atmosférickým CO2.
Hlavním činitelem, který způsobuje korozi nadzemních částí železobetonových konstrukcí, jsou plynné exhaláty obsažené v atmosféře - oxid uhličitý, oxidy síry a dusíku, amoniak, chlorovodík a další exhaláty, které působí v plynné formě nebo rozpuštěné v atmosférické vlhkosti.
Karbonatace betonu
Karbonatace betonu je chemická reakce oxidu uhličitého (CO₂) s produkty hydratace cementu, zejména s hydroxidem vápenatým (Ca(OH)2). Pokud v průběhu času kombinace vlhkosti a CO2 ovlivní strukturu, hydroxid vápenatý reaguje za vzniku uhličitanu vápenatého (CaCO3) a snižuje pH. Karbonataci vyvolává oxid uhličitý CO2, reagující v pórech betonu s hydroxidem vápenatým Ca(OH)2 rozpuštěným ve vodě. Vzniká tak uhličitan vápenatý CaCO3, který krystalizuje v pórech, a protože zaujímá větší objem než Ca(OH)2, ze kterého vznikl, zmenšuje propustnost a dočasně zvyšuje povrchovou tvrdost betonu. Dochází tak k ukončení tzv. pasivace.
Čtěte také: Betonová dlažba Brož
V důsledku toho již výztuž není chráněna proti korozi. Při karbonataci klesá hodnota pH v povrchových vrstvách betonu. Pokles původních pH = 11 a vyšších (při kterých beton spolehlivě působí jako ochrana proti korozi ocelové výztuže) se vlivem karbonatace sníží na pH = 9 a nižší. Pokud karbonatace dosáhne až k ocelové výztuži, nastává rychlá koroze. Korozní zplodiny mají několikanásobně vyšší objem než původní ocel, což se projeví destrukcí povrchových částí betonu a obnažením výztuže, která následně snadno podléhá korozi. Tyto procesy se odehrávají především v oblastech výskytu trhlinek a u nekvalitních betonů s póry a kavernami.
Pojem karbonatace je klíčový při návrhu trvanlivosti a při diagnostice železobetonových konstrukcí. Hloubka karbonatace se v praxi ověřuje fenolftaleinovým testem na vývrtech či lomech betonu. Fialové zbarvení označuje oblast s vysokým pH, kde CO₂ ještě nepronikl, a beton je tak chráněn proti korozi výztuže. Povrch zůstává bezbarvý tam, kde pronikl CO2.
Rychlost postupu karbonatace ovlivňuje zejména pórovitost a vlhkost betonu, kvalita ošetřování, tloušťka krycí vrstvy výztuže a koncentrace CO₂ v prostředí. Důležitým faktorem, který ovlivňuje pronikání CO2 do betonu, je jeho pórovitost. Studuje se také vliv relativní vlhkosti, doby ošetřování a náhrady portlandského cementu alternativními silikátovými příměsmi (popílek, vysokopecní struska a metakaolin) na průběh karbonatace.
Prevence a ochrana proti korozi
Přestože koroze výztužných prutů je výsledkem složitých chemických reakcí, lze poměrně jednoduchým způsobem tyto reakce potlačit. Dlouhá životnost konstrukce začíná už u správného návrhu a zpracování betonu!
Způsoby prevence karbonatace a koroze:
- Správné krytí výztuže: Zajištění dostatečné tloušťky krycí vrstvy betonu nad výztuží.
- Použití betonu s nízkou propustností: Menší pórovitost betonu omezuje pronikání agresivních látek.
- Důkladné hutnění betonu: Zamezuje vzniku pórů a kaveren, které by usnadňovaly pronikání CO2 a chloridů. Větší dávky cementu, nejlépe portlandského, zaručují nejlepší přírodní ochranu betonu. Naopak negativní účinky karbonatace se projevují intenzivněji u hůře zhutněného betonu a také u betonu s přebytkem záměsové vody.
- Elastické nátěrové systémy: Na bázi speciálních akrylátových disperzí jsou schopné se bez prasknutí protáhnout a vrátit do původní polohy při změně šířky trhlin, čímž zamezují průniku agresivních látek k výztuži.
Aktivní metody ochrany a sanace
Rychlost koroze lze zpomalit a pasivní vrstvu na povrchu oceli lze stabilizovat omezením průniku vody a chloridových iontů do betonové konstrukce. Pasivní vrstvu kolem výztužných prutů lze obnovit zvýšením elektrického odporu betonu.
Čtěte také: Půjčovna pil na beton – vyplatí se?
V minulém století bylo vyvinuto několik metod na zmírnění koroze výztuže. Nejúčinnějším způsobem, jak zabránit korozi kovových konstrukcí (např. ocelových potrubí a nádrží), jsou elektrochemické metody, zejména tzv. katodická ochrana. Aplikace katodické ochrany v železobetonových konstrukcích je však značně problematická. Její aplikace je nejenom nákladná, ale navíc musí být zavedena přísná pravidla jejího provozu a monitorovací postupy po celou dobu životnosti konstrukce.
Vzhledem k těmto omezením pracovali odborníci na nových řešeních a vyvinuli nové typy inhibitorů koroze oceli. Tyto inhibitory jsou chemické sloučeniny, které zabraňují korozi výztuže. Existuje několik způsobů, jak dopravit inhibitory na povrch výztuže uložené v betonu. Inhibitory koroze mohou být jednak přidány ve formě přísad do čerstvého betonu. Tato metoda je však omezena pouze pro nové konstrukce.
Silany a inhibitory koroze
Silany se používají už více než tři desetiletí k zajištění nízké vlhkosti betonu a také pro jeho ochranu před škodlivými účinky chloridových iontů. Velmi malá velikost silanových molekul napomáhá jejich hlubokému průniku do betonu, kde prostřednictvím křemičitých struktur vytvářejí chemické vazby s hydratovanými složkami cementu. Po reakci s betonem odpuzují silanové molekuly vodu a brání chloridovým iontům v průniku do betonu.
Na základě provedeného výzkumu v posledních dvou desetiletích se podařilo spojit silany a vybrané inhibitory koroze, a vyvinout tak nový typ inhibitoru koroze aplikovatelného na povrch betonu pod názvem MasterProtect 8000CI. Tento produkt je čirá kapalina s kombinací silanů a vybraných inhibitorů koroze a je navržen tak, aby zastavil korozní procesy v železobetonových konstrukcích bez ohledu na podmínky okolního prostředí. Silanová technologie umožňuje hlubokou penetraci inhibitoru do betonu a vytvoření chemické vazby s vysokou odolností proti alkalickému prostředí, což vede k dlouhému působení.
Případové studie použití MasterProtect 8000CI
Muzeum Fundació Joan Miró, Barcelona
Budova muzea Fundació Joan Miró v Barceloně byla postavena v roce 1975 a následně v roce 1985 rozšířena. Fasádní prvky budovy jsou vyrobeny z prefabrikovaného železobetonu a natřeny na bílo. Kvůli relativně nízké kvalitě betonu a blízkosti Středozemního moře bylo na různých místech konstrukce pozorováno poškození korozí výztuže. Zvláště vnější stěny trpěly silnou korozí a odpadáváním betonu.
Počátkem roku 2005 byla provedena důkladná diagnostika konstrukce, včetně měření rychlosti koroze. Pro projekt byly navrženy dva technologické postupy sanace:
- Velmi poškozené oblasti (s viditelným poškozením): Odstranění betonu kolem výztuže, čištění a ošetření výztuže, reprofilace povrchu opravnou maltou, nanesení ochranného akrylátového nátěru.
- Mírně poškozené oblasti (bez viditelného poškození, ale s korozní rychlostí > 0,3 μA/cm2): Odstranění nátěru, povrchová aplikace inhibitoru koroze MasterProtect 8000CI a následná obnova akrylátového nátěru.
Opravné práce byly provedeny v květnu 2005. Měření provedená v říjnu 2007 a v únoru 2013 ukázala dramatický pokles rychlosti koroze v oblastech, které byly ošetřeny inhibitorem. Poslední měření v roce 2015 potvrdila aktivní ochranu výztuže i po 10 letech od aplikace inhibitoru.
Bytový komplex Torres Blancas, Alicante
Projekt sanace bytového komplexu Torres Blancas v Alicante ve Španělsku měl za cíl prodloužit jeho životnost. Dvě vícepatrové obytné budovy, postavené v roce 1970, se tyčí nad oblíbenými plážemi Středozemního moře. Konstrukce sestává z 6 500 elegantních železobetonových prefabrikátů, které pokrývají fasády. Silné větry ze Středozemního moře nesou značné množství solí, což vede ke korozi a způsobuje vážné škody.
Původní posouzení naznačovalo nutnost výměny všech panelů. Po hledání alternativních metod sanace byla akceptována aplikace inhibitoru koroze MasterProtect 8000CI. Silně poškozené panely se nahradily novými a méně poškozené panely byly ošetřeny inhibitorem koroze MasterProtect 8000CI. Tímto postupem se celkové náklady na renovaci snížily o více než 40 %.
Význam moderních technologií v sanaci
Uvedené příklady aplikace inhibitoru koroze MasterProtect 8000CI poukazují na možnosti využití moderních technologií v současné době, která je někdy až příliš zaměřená na ekonomické aspekty a efektivitu. Ne vždy se ale posuzují konstrukce a hlavně jejich provoz s ohledem na předpokládané dlouholeté využívání a náklady s tím spojené. Právě zde je místo pro opodstatněné kalkulace a zkušenosti, díky kterým je možné ušetřit značné finanční prostředky na údržbu a sanaci betonových konstrukcí použitím jednoduchých, ověřených a trvanlivých řešení.
Použití inhibitoru koroze na bázi silanů MasterProtect 8000CI opakovaně prokázalo svoji efektivitu při sanaci a údržbě betonových konstrukcí i v agresivním prostředí. Je však důležité vždy požadovat od dodavatelů zkoušky účinnosti snížení rychlosti koroze vycházející z reálných měření, nejlépe na základě nezávislých testů renomovaných institutů.
Experimentální studium karbonatace
Hlavním cílem mnoha výzkumných prací je experimentální studium a modelování karbonatačního procesu. Studie jsou zaměřeny především na vliv relativní vlhkosti, doby ošetřování a náhrady portlandského cementu alternativními silikátovými příměsmi (popílek, vysokopecní struska a metakaolin) na průběh karbonatace. Rovněž bylo zjištěno množství zbytkového hydroxidu vápenatého v přítomnosti těchto příměsí a jejich pucolánové aktivity.
Při laboratorních zkouškách se provádí umělé stárnutí k predikci životnosti. To se provádí ponořením zkušebních těles - betonových kostek nebo trámů - do vody na 28 dní. Poté se suší ve standardní atmosféře (20 °C a 65 % relativní vlhkosti) po dobu 14 dní v klimatické komoře nebo místnosti s řízeným klimatem, než jsou uloženy na 70 dní do skladu při 20 °C, 55 % relativní vlhkosti a 3 % CO2 v komoře s konstantním klimatem. Následně se provádí fenolftaleinový test. Při vysokých hodnotách pH se povrch zbarví do červena/fialova, což znamená, že je zajištěna dostatečná ochrana proti korozi, zatímco povrch zůstává bezbarvý tam, kde pronikl CO2.
Výsledky provedených měření naznačují, že karbonatací budou více ohroženy malty a betony horší kvality (nízká pevnost, špatné zhutnění, přebytek záměsové vody), betony kvalitnější se do jisté míry ubrání agresivnímu CO2 samy. Negativním účinkům karbonatace cementových malt a betonů lze tedy předejít návrhem velmi kvalitní betonové směsi a následně jejím velmi dobrým zhutněním během betonáže.
| Receptura | Typ cementu | Hutnění | Množství záměsové vody | Hloubka karbonatace (mm) |
|---|---|---|---|---|
| Rec. 1 | CEM I 42,5 R | Standardní | Standardní | 20 |
| Rec. 2 | CEM I 42,5 R | Standardní | Standardní | 10 |
| Rec. 1 | CEM III 32,5 R | Standardní | Standardní | 20 |
| Rec. 2 | CEM III 32,5 R | Standardní | Standardní | 20 |
| Rec. 1 | CEM I 42,5 R | Bez hutnění | Standardní | 20* |
| Rec. 2 | CEM I 42,5 R | Bez hutnění | Standardní | 17* |
| Rec. 1 | CEM I 42,5 R | Standardní | Přebytek | 20 |
| Rec. 2 | CEM I 42,5 R | Standardní | Přebytek | 20 |
| * Hodnoty po 60 dnech v 98% CO₂, pro srovnání. | ||||
tags: #karbonatace #betonu #koroze #informace