Beton je celosvětově nejběžněji používaný materiál ve stavebnictví, jehož vlastnosti a odolnost jsou zásadní především u společensky významných staveb, jako jsou mosty či výškové budovy. Životnost těchto staveb často závisí na kvalitě betonu, který je jakožto kompozitní materiál s křehkou matricí náchylný na vznik a šíření trhlin.
Důkaz sulfidů v betonu
Srážení sulfidů roztokem sulfidu sodného se využívalo v kvalitativní analytické chemii k důkazům kationtů kovů. Při přípravě roztoku sulfidu sodného nutno použít pouze nezbytně nutné množství látky a pracovat tak, aby nedošlo ke kontaktu s kůží nebo očima. Do zkumavek ve stojánku připravíme roztoky síranu měďnatého, dusičnanu kademnatého, dusičnanu bismutitého, dusičnanu antimonitého, dusičnanu olovnatého, chloridu železnatého nebo železitého (asi 4 cm vysoký sloupec roztoku).
Reakcí roztoku sulfidu sodného s roztoky solí vznikají příslušné sulfidy. S roztoky olovnaté, měďnaté a železnaté (popř. železité) soli vzniká černá sraženina příslušného sulfidu, s roztokem kademnaté soli žlutá sraženina, s roztokem bismutité soli vzniká tmavěhnědá sraženina a s roztokem antimonité soli vzniká oranžovožlutá sraženina.
Je nutné dodržovat na pracovním místě čistotu a pořádek. Zamezit kontaktu sulfidu sodného s kůží a očima a jeho průnik do životního prostředí (nesmí se dostat do kanalizace).
Rozlomený vzorek betonu se postříká roztokem fenolftaleinu, což je jeden z postupů pro detekci změn pH v betonu. Když pH betonu klesne pod hodnotu 9, rozpadne se vrstvička hutných oxidů železa mezi ocelí a betonem. Dojde k takzvané „depasivaci“ výztuže. V mladém betonu je mezi ocelovou výztuží a betonem slabá vrstva oxidů železa, která je velmi hutná a tudíž nepropustná. V průběhu času se do betonu se vzduchem dostává CO2 a reaguje s Ca(OH)2 - portlanditem - obsaženým v betonu. Ca(OH)2 se rozkládá na CaCO3 a vodu. Korozi ocelové výztuže způsobuje voda a kyslík.
Čtěte také: Míchání betonu krok za krokem
Alkalicko-křemičitá reakce (AKR)
Alkalická reakce kameniva se složkami cementu (AR - alkalické rozpínání) patří mezi činitele způsobující degradaci betonu. Jedná se o nenápadný, ale mimořádně destruktivní proces, související s reakcemi alkálií, přirozeně obsažených v cementu s kamenivem, citlivým na tyto alkálie. Problematika byla nejprve registrována ve Spojených státech v 30. letech minulého století a postupně další a další státy zjišťovaly, že její výskyt je přítomen i na jejich území. V průběhu několika let až desetiletí stárnutí betonu vzniká na povrchu kameniva, obsahujícího reaktivní formu oxidu křemičitého, obalová vrstva schopná expanze absorpcí vody. Tento proces se nazývá alkalicko-křemičitou reakcí (AKR).
Mechanismus a podmínky vzniku AKR
Základním předpokladem pro vznik AKR je přítomnost amorfního oxidu křemičitého a vysoké pH hmoty (především dostatek volných rozpustných alkálií). Zároveň je reaktivnost závislá na množství a dále i typu oxidu křemičitého. Okolními podmínkami pro vznik AKR jsou dostatečná vlhkost a vyšší teplota. Při běžné hydrataci cementu vzniká alkalický roztok s obsahem hydroxylových aniontů OH−. Hydroxylové ionty chemicky napadají oxid křemičitý SiO2 za vzniku kationtu SiO− dále náchylného k reakci s anionty vápníku Ca2+, sodíku Na+ a draslíku K+. Reakcí vzniká tzv. AK gel. Samotná AKR je však způsobena převážně alkalickým roztokem v mikropórech betonové hmoty.
Při bobtnání tenké obalové vrstvičky dochází ve hmotě k vnitřním tlakům, které jsou v počátku rozpínání částečně vyrovnávány pórovým systémem hmoty. Při bobtnání prostupuje alkalický gel pórovitou strukturou hmoty. Výrony gelu skrz trhliny betonu mají charakteristickou žlutou barvu a vysoké pH.
Nejvíce reaktivní kameniva:
- opál (SiO2.nH2O)
- chalcedon
- cristobalit
- křemenec
- tridymit
- vulkanická skla
- rohovec
- buližník
- argillit
- droby
- filit
- břidlice
- synteticky vyráběné v podobě skleněných materiálů
Historie výzkumu AKR
Poprvé byla AKR rozpoznána na konstrukcích namáhaných vysokou vlhkostí, případně ve styku s vodou, s použitím cementu s vysokým obsahem alkálií a druhem reaktivního kameniva. V roce 1940 byla degradací vlivem AKR způsobena první veřejností vnímaná závada na vysoké přehradě Parker Dam v Kalifornii, kde bylo pozorováno po 9 letech od výstavby vychýlení oblouků a pilířů o 127 mm až 180 mm při vzniku závažných trhlin. Z následujících výzkumů byl určen negativní vliv cementu s obsahem alkálií nad 0,6 % a zároveň pozitivní vliv 25% přídavku pemzy. V reakci na výzkum AR byla v letech 1943 až 1947 na základě konzultace s americkými odborníky doporučena maximální hodnota alkálií v cementu na 0,6 % pro výstavbu hydro-elektrárny na řece Waikato na Novém Zélandu.
V Německu nebylo AR zkoumáno do roku 1965. Po odstranění AKR poškozeného mostu Lachwehrbrücke byl však názor na nereaktivnost německého kameniva změněn. V roce 1968 se již česká společnost zajímala o AR a výsledkem úsilí byla ČSN 72 1179 „Stanovení reaktivnosti kameniva s alkáliemi“. První zmínka o AR z Velké Británie pochází až z roku 1980.
Čtěte také: Beton pro základy
Minimalizace rizika vzniku AKR
Minimalizace rizika vzniku AKR je založena především na využití nereaktivních typů kameniv a cementu s nízkým obsahem alkálií. V mnoha případech je vhodné vyhnout se výrobě betonu s použitím reaktivního kameniva. V případě využití plniva v podobě skelného recyklátu se jeví výhodné použít hnědé odpadní sklo, a to vzhledem k nižší expanzi vzniklého alkalicko-křemičitého gelu (AK gelu), v porovnání s barevným a zeleným odpadním sklem. V jiném případě je vhodné využít reaktivních materiálů a speciálních příměsí v podobě úletového popílku, vysokopecní strusky a křemičitých úletů.
Výskyt AKR v konstrukci lze limitovat využitím nízkoalkalického cementu. Cementem s nízkým obsahem alkálií pro možný vznik AKR rozumíme cement s maximálním obsahem 0,6 % ekvivalentních alkálií (Na2Oekv. [%] = Na2O [%] + 0,658 × K2O [%]). Bylo však prokázáno, že omezení množství alkálií na 0,6 % Na2Oekv. nemusí vždy vést k potlačení AKR. Je však nutné se zaobírat i vnějšími zdroji alkálií, případně alkáliemi do betonu vnášenými kamenivem i alkáliemi z pucolánů a strusky. V případě vystavení betonového prvku vůči působení zvýšené vlhkosti je důležitý především poměr alkálií a reaktivní formy oxidu křemičitého. Zapotřebí je vyšší obsah alkálií než obsah reaktivních částic. Obsah alkálií lze kontrolovat především u cementu, kdy při hranici 0,6 % Na2Oekv. by nemělo docházet ke vzniku AK gelu, případně na hranici 0,4 % Na2Oekv.
Přídavek pucolánu může snižovat alkalitu pojiva. Úletový popílek rozdělujeme na popílek třídy F a popílek třídy C (ASTM C618 „Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete“). Pro potlačení AKR je vhodnější popílek třídy F, tj. popílek ze spalování černého uhlí s obsahem CaO limitovaným maximální hranicí 5 %.
| Třída popílku | Zdroj spalování | Obsah CaO | Vhodnost pro potlačení AKR |
|---|---|---|---|
| Třída F | Černé uhlí | Max. 5 % | Vhodnější |
| Třída C | Hnědé uhlí | 10 % až 40 % | Méně vhodná |
Vzhledem k dosavadním výzkumům lze usuzovat na potlačování AKR popílkem především díky redukci alkality pojiva, celkové redukci výskytu vápenatých iontů a zároveň redukci přechodů iontů díky zvýšené vodní nepropustnosti. Mikrosilika působí na strukturu betonu dvojím způsobem. Pro eliminaci negativních projevů AKR se jeví efektivní využít přídavku vláken potlačujících expanzi vyvolanou AK gelem. Vzhledem k propustnosti betonu lze projevy AKR snížit adekvátní úpravou povrchové vrstvy, případně lze uvažovat o zajištění vodotěsnosti hmoty. Při výstavbě přehrady Lower Notch bylo využito 20% náhrady pojiva úletovým popílkem a zároveň vysoko-alkalického cementu. Dosavadní názory na vliv lehčených kameniv na AKR prosazují teoretický model, ve kterém struktura lehčeného kameniva vykrývá expanzivní tlaky vzniklé bobtnáním alkalického gelu.
Na Boloňské univerzitě se věnují studiu AKR z pohledu pórovitosti. Byla studována závislost vzniku AKR a její razance na porozitě materiálu. Na rychlost a rozsah expanze mělo vliv zejména propojení pórové struktury v materiálu, tj. kapilární pórovitost. Vliv pórovitosti na makroskopickou expanzi nebyl zanedbatelný. V závislosti na podmínkách a dobách vytvrzování se mohou rozdíly v zaznamenané expanzi pohybovat od přibližně 100 do 300 %, od nejvyššího k nejnižšímu vodnímu součiniteli.
Čtěte také: Parametry fréz do betonu
V Turecku na Univerzitě Yüzüncü Yıl ve městě Van se věnují výzkumu zaměřenému na využití pemzy a vezikulární čedičové lávy (čediče) jako plniva pro regulaci vzniku a negativního vlivu AKR na beton. Bylo potvrzeno, že náhrada části reaktivního kameniva pemzou vedla k omezení vzniku AKR, zatímco použití čediče sice omezilo vznik gelu a trhlin, ale v menší míře než bez jeho použití.
Ošetření poškozených konstrukcí
Jako vhodné způsoby ošetření již poškozených struktur se osvědčily jak injektáže trhlin, např. epoxidem, tak i různé nástřiky a nátěry.
Chemická koroze betonu
Při použití betonových materiálů je nejběžnější formou chemické koroze síranová koroze. Sírany reagují s hlinitany vápenatými v cementu za vzniku expanzivního ettringitu, což vede k praskání betonu. Pokud se beton dostane do kontaktu s vodou obsahující velké množství rozpustných sloučenin solí, tyto soli infiltrují beton. Jak se voda odpařuje, soli se neustále koncentrují v betonu a nakonec krystalizují. Tento proces krystalizace často doprovází objemovou expanzi, která způsobuje praskání a znehodnocování betonu.
Když vlhkost může prosakovat z povrchu betonu, vždy se na povrchu objeví výkvěty. Tyto soli vylučují z betonu, krystalizují po odpaření vody nebo reagují s oxidem uhličitým v atmosféře za vzniku krystalů.
Beton je alkalický materiál a obecně netrpí alkalickou korozí. V chemických provozech však může dlouhodobé vystavení vysokým koncentracím alkalických látek poškodit i betonové materiály. Beton má slabou odolnost vůči kyselinám. Například kyselina uhličitá reaguje s hydroxidem vápenatým za vzniku rozpustného hydrogenuhličitanu vápenatého.
tags: #jak #se #dokazuje #vyskyt #sulfidu #v