Alkalická reakce kameniva se složkami cementu (AR - alkalické rozpínání) patří mezi činitele způsobující degradaci betonu. 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 projevy alkalicko-křemičité reakce
Při běžné hydrataci cementu vzniká alkalický roztok s obsahem hydroxylových aniontů OH−. Hydroxylové ionty chemicky napadají oxid křemičitý SiO2 za vzniku kationtu SiO−, který je dále náchylný k reakci s anionty vápníku Ca2+, sodíku Na+ a draslíku K+. Reakcí vzniká tzv. alkalicko-křemičitý gel (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. Na obrázku je patrný typický vzorek vytvářený trhlinami způsobenými alkalicko-křemičitou reakcí.
Základní předpoklady pro vznik AKR:
- Přítomnost amorfního oxidu křemičitého.
- Vysoké pH hmoty (především dostatek volných rozpustných alkálií).
- Dostatečná vlhkost a vyšší teplota.
Reaktivnost je závislá na množství a typu oxidu křemičitého. K nejvíce reaktivním řadíme opál (SiO2.nH2O). Dále lze vyjmenovat chalcedon, cristobalit, křemenec, tridymit, vulkanická skla, rohovec, buližník, argillit, droby, filit, břidlice a jiné, případně synteticky vyráběné v podobě skleněných materiálů. 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.
Historický kontext a vývoj poznání 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: Kolekce Oxidart a Canyon: Kvalitní dlažba a obklady pro každý prostor
Výzkum a praxe v České republice:
Dlouhodobě byl fenomén alkalické reakce kameniva v České republice podceňován. K „objevení“ tohoto fenoménu v našich podmínkách se zasloužil především Ing. Jan Hromádko, který v 90. letech jako jeden z prvních správně identifikoval poruchy na dálnici Dli jako projev intenzivní alkalické reakce kameniva. Následně byl pak na Kloknerově ústavu ČVUT řešen v letech 2000 až 2004 rozsáhlý grant Ministerstva dopravy, který se na problematiku alkalické reakce zaměřoval, a to jak z hlediska tuzemských zdrojů kameniv citlivých k alkalické reakci, tak i z hlediska dokumentace konstrukcí, které jsou v tuzemsku alkalickou reakcí postiženy. Ze zkušenosti vyplývá, že u nás se převážně vyskytují slabé/pomalé typy alkalické reakce, které se u konstrukcí velmi často projevují s odstupem několika desítek let. Přitom výsledky tlakových pevností bývají velmi často na vyhovující úrovni.
Prevence a eliminace AKR
Minimalizace rizika vzniku AKR je založena především na využití nereaktivních typů kameniv a cementu s nízkým obsahem alkálií. V jiném případě je vhodné využít reaktivních materiálů a speciálních příměsí v podobě úletového popílku, vysokopecní strusky a křemičitých úletů. V mnoha případech je vhodné vyhnout se výrobě betonu s použitím reaktivního kameniva.
Strategie pro omezení AKR:
- Využití 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 nutné se zaobírat i vnějšími zdroji alkálií, případně alkáliemi do betonu vnášenými kamenivem i alkáliemi z pucolánů a strusky.
- Výběr nereaktivního kameniva: Vyhnout se reaktivnímu kamenivu.
- Přídavek pucolánů a strusky: Přídavek pucolánu může snižovat alkalitu pojiva. Úletový popílek se 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, který obsahuje popílek ze spalování černého uhlí s obsahem CaO limitovaným maximální hranicí 5 %. Třída C vzniká při spalování hnědého uhlí a zachycený úletový popílek obsahuje 10 až 40 % CaO. 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: Mikrosilika působí na strukturu betonu dvojím způsobem.
- Lehčená kameniva: Dosavadní názory na vliv lehčených kameniv na AKR prosazují teoretický model, ve kterém struktura lehčeného kameniva vykrývá expanzivní tlaky vzniklé bobtnáním alkalického gelu. Při výstavbě přehrady Lower Notch bylo využito 20% náhrady pojiva úletovým popílkem a zároveň vysoko-alkalického cementu.
- Vlákna: Pro eliminaci negativních projevů AKR se jeví efektivní využít přídavku vláken potlačujících expanzi vyvolanou AK gelem.
- Vodotěsnost: Vzhledem k propustnosti betonu lze projevy AKR snížit adekvátní úpravou povrchové vrstvy, případně lze uvažovat o zajištění vodotěsnosti hmoty. V případě zajištění vodotěsnosti hmoty však narážíme na několik nedostatků, kupříkladu snížením vodního součinitele zvyšujeme celkovou koncentraci alkálií, přičemž také se sníženou pórovitosti snižujeme možnost vykrytí expanzních tlaků na hmotu.
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.
Sanace poškozených konstrukcí a nové výzkumy
V současné době stále probíhají po světě výzkumy zaměřené na omezení následků AKR, na její eliminaci či prevenci vzniku poškození betonu, pokud není k dispozici jiné kamenivo než to reaktivní. Existuje několik účinných metod, jak omezit, zastavit či alespoň částečně opravit poškozený beton, aby mohl dále sloužit svému účelu.
Jako vhodné způsoby ošetření již poškozených struktur se osvědčily jak injektáže trhlin, např. epoxidem, tak i různé nástřiky a nátěry.
Čtěte také: Role oxidu hlinitého v betonu
Inovativní výzkumy:
- Boloňská univerzita - role pórovitosti: Na Boloňské univerzitě se věnují studiu AKR z pohledu pórovitosti. Alkalicko-křemičité reakce byly spuštěny v cementových maltách v různých podmínkách vytvrzování. Zkoumané kompozity se lišily pouze v pórovitosti. Celková otevřená pórovitost byla ovlivněna vodním součinitelem a také přidáním provzdušňovací přísady. 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.
- Univerzita Yüzüncü Yıl v Turecku - pemza a čedič: 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. Vzorky byly speciálně připraveny podle standardů ASTM s použitím 30 % pemzy nebo čediče jako náhrady reaktivního kameniva. Na snímku z elektronového mikroskopu se potvrdila přítomnost alkalického gelu. Náhrada části reaktivního kameniva pemzou vedla k omezení vzniku AKR. Naopak v případě použití čediče se potvrdila přítomnost alkalického gelu s typickou expanzí a trhlinami v pórech betonu a na povrchu kameniva, avšak v menší míře než bez použití čediče.
Koloidní oxid křemičitý: High-tech zázrak v betonu a dalších aplikacích
Oxid křemičitý (SiO₂) tvoří téměř 60 % zemské kůry a díky průlomům v zelené chemii, pokrokům v nanostrukturách a požadavkům cirkulární ekonomiky se mění z nízkohodnotného plniva na strategický prvek pro výrobu baterií, stavebních materiálů a dokonce i vodíkového paliva. Níže uvádíme čtyři technologické posuny, které vysvětlují, proč rizikové fondy i pracovníci v oblasti udržitelnosti najednou pějí chválu na prastarý oxid.
Tyto čtyři pokroky zvyšují oxid křemičitý od obyčejného plážového písku až po multifunkční platformu, která zachycuje uhlík, spojuje zbořené budovy, chrání baterie a pohání bezemisní lety. Zatímco průmyslová odvětví závodí v dekarbonizaci bez kompromisů ve výkonu, nejběžnější molekula v zemské kůře dokazuje, že i „obyčejné“ může být stále mimořádné.
Technologické průlomy s oxidem křemičitým:
1. Nanoporézní křemičité houbičky zachycují CO₂ při okolní teplotě a uvolňují ho při 80 °C
Technika templátu soli vytváří uvnitř amorfních granulí oxidu křemičitého hierarchické póry o velikosti od 2 do 50 nm. Po funkcionalizaci aminosilany tyto houby chemisorbují CO₂ při 25 °C a desorbují při 80 °C, což vyžaduje o 35 % méně regenerační energie než komerční aminová rozpouštědla. Pilotní jednotky dodatečně namontované na komínové pece cementárny zachytily 90 % CO₂ po dobu 1 000 hodin nepřetržitého provozu bez měřitelné ztráty kapacity, čímž se běžný písek přeměnil na médium pro přímé zachycování vzduchu, které lze regenerovat s využitím nízkokvalitního odpadního tepla.
2. Koloidní oxid křemičitý proměňuje demoliční odpad na nízkouhlíkový beton
Čtěte také: Použití křemičitého písku v betonu
Dvousložkový systém aktivovaný alkalickými látkami - koloidní SiO₂ a struska z popílku - vytváří geopolymerní pojivo, které vytvrzuje při pokojové teplotě a po 24 hodinách dosahuje pevnosti v tlaku 50 MPa. Analýza životního cyklu ukazuje o 70 % nižší obsah CO₂ než u směsí pouze z portlandského cementu. V nedávném projektu rekonstrukce silnice bylo na místě „znovu svázáno“ 5 000 m³ recyklovaného betonového kameniva, čímž se odklonilo 300 000 tun odpadu na skládku a eliminovalo se 200 jízd kamionů tam a zpět - což dokazuje, že oxid křemičitý může doslova vydláždit cestu k kruhové výstavbě.
3. Ultratenký povlak SiO₂ na separátorech baterií zvyšuje prahovou hodnotu tepelného úniku o 30 °C
Atmosféricko-plazmový proces ukládá 50 nm vrstvu amorfního materiálu oxid křemičitý na polyethylenové separátory, čímž vzniká tepelně odolná, ale zároveň iontově propustná bariéra. Testy penetrace hřebíků na 50Ah lithium-železo-fosfátových článcích ukazují zpožděný nástup tepelného úniku ze 190 °C na 220 °C, zatímco iontová vodivost klesá o méně než 3 %. Povlak se nanáší z role na válec rychlostí 50 m min⁻¹, což představuje přídavek pouze 0,30 USD na metr čtvereční - pojistka, kterou výrobci automobilů oslavují jako „neviditelnou, ale neocenitelnou“.
4. Mezoporézní oxid křemičitý dodává vodík na vyžádání pro drony s palivovými články
Sol-gelová metoda zapouzdřuje zrna NaBH₄ uvnitř mezoporézní skořápky z oxidu křemičitého. Při vystavení okolní vlhkosti vodní pára difunduje póry o velikosti 4 nm a reaguje s borohydridem, přičemž uvolňuje čistý H₂ při kontrolovaném tlaku 2 bary. Polní testy na kvadrokoptéře s palivovými články o výkonu 2 kW dosáhly 45 minut vznášení s použitím 300 g enkapsulovaného prášku - trojnásobné výdrže oproti lahvím se stlačeným plynem. Po letu se zbytky použitého boritanu opláchnou a křemičitá matrice může být znovu naplněna, čímž se vytváří uzavřený logistický řetězec vodíku bez vysokotlaké infrastruktury.
Tabulka: Shrnutí inovativního využití oxidu křemičitého
| Technologie | Princip fungování | Klíčové benefity | Aplikace |
|---|---|---|---|
| Nanoporézní křemičité houbičky | Templát soli vytváří hierarchické póry, funkcionalizované aminosilany pro chemisorpci CO₂. | Zachycení 90 % CO₂ s o 35 % nižší regenerační energií; využití odpadního tepla. | Přímé zachycování vzduchu, dodatečná montáž na komínové pece cementáren. |
| Koloidní oxid křemičitý v betonu | Dvousložkový geopolymerní pojivo z koloidního SiO₂ a strusky z popílku. | Vytvrzuje při pokojové teplotě, 50 MPa pevnost v tlaku za 24h, o 70 % nižší CO₂ stopa. | Nízkouhlíkový beton, recyklace demoličního odpadu, kruhová výstavba. |
| Ultratenký povlak SiO₂ na separátorech baterií | Atmosféricko-plazmový proces nanáší 50 nm vrstvu amorfního SiO₂ na polyethylenové separátory. | Zvyšuje práh tepelného úniku o 30 °C, iontová vodivost klesá o méně než 3 %. | Bezpečnější lithium-iontové baterie pro elektromobily. |
| Mezoporézní oxid křemičitý pro výrobu vodíku | Sol-gel metoda zapouzdřuje NaBH₄ v mezoporézní skořápce SiO₂; vlhkost uvolňuje H₂. | Dodává čistý H₂ na vyžádání, trojnásobná výdrž oproti stlačenému plynu, recyklace matrice. | Drony s palivovými články, bezemisní lety bez vysokotlaké infrastruktury. |
tags: #koloidni #oxid #kremicity #beton #informace