Beton je kompozitní materiál připravený smísením cementu, kameniva a vody. Uvedený přehled chemických procesů, které probíhají při reakcích agresivních látek se složkami hydratovaného cementového tmelu a kameniva, naznačuje, jak velkou roli hraje prostředí při korozi betonu. Uvedené informace vysvětlují třídění korozního působení agresivních látek v normě ČSN EN 206 a měly by sloužit k lepšímu pochopení nutnosti zohlednit složení směsí pro výrobu betonu, ukládaného do popisovaných korozních prostředí.
Složení a vlastnosti betonu
Hydratovaný cement ve ztvrdlém betonu je složen z hydratovaných slínkových minerálů a hydroxidu vápenatého, který je velmi důležitou součástí betonu z hlediska vytvoření příznivého prostředí pro ochranu ocelové výztuže před korozí. Složky cementového tmelu jsou sloučeniny zásaditého charakteru, ty jsou náchylné k reakci s kyselinotvornými plyny a kyselinami. Kromě toho hydroxid vápenatý reaguje s řadou sloučenin, se kterými vytváří rozpustné nebo málo rozpustné vápenaté soli. Uvedené procesy jsou vzájemně propojeny.
Na průběh reakcí, které mohou způsobit degradaci betonu má vliv složení betonu, tj. množství cementu, poměr cementu ke kamenivu, granulometrická skladba kameniva, množství záměsové vody a porozita cementového tmelu v betonu.
Základní druh cementu je portlandský, označovaný jako jednosložkový (CEM I), s obsahem slínku 95-100 %. Ostatní druhy cementů (CEM II až V) jsou od portlandského cementu odvozeny, obsahují 20-94 % slínku, zbytek jsou reaktivní nebo nereaktivní příměsi. V normě uvedené příměsi jsou vysokopecní struska, křemičitý úlet, pucolány, popílky, kalcinovaná břidlice a vápenec. Kamenivo se používá hutné těžené nebo drcené, pórovité, v poslední době se pozornost obrací k drcenému recyklovanému betonu.
Pevná struktura betonu se vytváří spojením produktů hydratace cementu se zrny kameniva, resp. s vlákny. Při hydrataci cementu vznikají hydratované křemičitany a hlinitany vápenaté (CSH a CAH), nedílnou složkou hydratovaného cementu je hydroxid vápenatý, Ca(OH)2, který je příčinou vysoké zásaditosti cementového tmelu v betonu (pH ~ 12). Použitím směsných cementů, nebo přídavek reaktivních příměsí do směsi pro výrobu betonu se obsah hydroxidu vápenatého, vzniklého při hydrataci cementu snižuje [5].
Čtěte také: Míchání betonu krok za krokem
Z pohledu koroze betonu je nižší obsah hydroxidu výhodný, protože není k dispozici sloučenina, která je nejvíce napadána korozi způsobujícími látkami z okolního prostředí, beton je více chráněn před degradací, než v případě použití portlandského cementu. Snížení obsahu hydroxidu vápenatého je však negativní z pohledu koroze ocelové výztuže.
Velmi důležitým faktorem v odolnosti betonu proti působení korozních látek je jeho pórová struktura, která se odvíjí od složení čerstvého betonu. Póry obsažené v cementovém tmelu ztvrdlého betonu umožňují transport korozních látek do jeho struktury. Množství a velikost pórů jsou závislé na množství záměsové vody, použité pro přípravu směsi.
Teoretické množství vody, potřebné pro hydrataci příslušného množství cementu, lze přibližně vypočítat na základě jeho mineralogického složení. Obvyklá teoretická hodnota odpovídá vodnímu součiniteli 0,20 až 0,25.
Vlivy prostředí na degradaci betonu
Chemické vlivy způsobující degradaci betonu lze rozdělit na působení agresivních plynů z atmosféry, pak se probíhající korozní děje zařazují do atmosférické koroze a na vlivy způsobené kapalným agresivním prostředím probíhající u podzemních konstrukcí a u vodních staveb. Při některých reakcích může přechodně dojít ke zvýšení pevností a zpomalení transportu korozních látek do hmoty betonu vlivem zaplnění pórů reakčními produkty, ale posléze vlivem fyzikálně chemických dějů (např. rekrystalizací korozních produktů) dochází k porušení betonu a zrychlení transportu korozních látek do betonu.
Nejvíce prostudovaným typem atmosférické koroze je tzv. karbonatace, tj. reakce s oxidem uhličitým (CO2) obsaženým v běžné atmosféře (uvádí se průměrná hodnota 0,038 obj. %). Karbonatace betonu probíhá v několika krocích. Vzniklý jemnozrnný produkt částečně zaplňuje póry, cementový tmel je hutnější, zlepší se i mechanické vlastnosti. Reakcí CO2 s hydroxidem vápenatým se snižuje koncentrace OH− iontů v cementovém tmelu, a tím je korozí ohrožena ocelová výztuž.
Čtěte také: Beton pro základy
Typy koroze
Korozi kapalným agresivním prostředím popsal Moskvin [13], který rozdělil korozní pochody v betonu do 3 skupin:
- Koroze I. druhu: Principem je vyluhování hydroxidu vápenatého z betonu. Rychlost vyluhování hydroxidu vápenatého (rozpustnost Ca(OH)2 je 160 mg/100 g vody při 20 °C) závisí na propustnosti betonu pro vodu, u náporové vody navíc na jejím hydrostatickém tlaku. Vyloužením hydroxidu se sníží koncentrace hydroxidových iontů, tedy sníží se hodnota pH pórového roztoku. Při vyluhování jsou účinné vody s nízkým obsahem vápenatých a hořečnatých iontů. Jedná se o vody srážkové, říční a rybniční.
- Koroze II. druhu: Spočívá v tvorbě nerozpustných nebo rozpustných vápenatých sloučenin, které vznikají reakcí kyselin, CO2agr a některých solí s hydroxidem vápenatým. Vzniklé produkty nemají vazebné vlastnosti a obvykle nejsou expanzivní. Kyseliny, a také koncentrované alkalické hydroxidy, reagují s hydratovanými produkty slínkových minerálů, kdy výsledkem jsou více nebo méně rozpustné soli. Agresivita kyselin se posuzuje podle jejich síly (disociace ve vodném prostředí), jejich koncentrace, a také podle povahy reakčních produktů. Vznikají-li rozpustné sloučeniny, je umožněna reakce dalších podílů hydroxidu vápenatého s agresivními látkami. Ve vodě rozpuštěný oxid uhličitý se označuje za agresivní, CO2agr.
- Koroze III. druhu: Zahrnuje především reakci síranových iontů s cementovým tmelem v betonu. Tento typ koroze je spojen s tvorbou sloučenin s velkým molárním objemem. současně dochází k úplnému rozkladu hydratovaných slínkových minerálů. Přítomná vlhkost způsobuje rekrystalizaci sádrovce a vznik větších krystalů.
Další vlivy
Biologické působení, spojené s poškozením betonu, je spojeno se vznikem napětí v důsledku růstu kořenů rostlin, a dále s chemickým působením produktů metabolických procesů rostlin a živočichů. Významné místo v tomto směru zaujímá poškození kanalizačních stok a jejich příslušenství působením bakterií, oxidujících sirné a dusíkaté sloučeniny, které pocházejí z rozkladu látek bílkovinného charakteru.
Nejzávažnější poškození kameniva lze spatřovat v alkáliovém rozpínání amorfních forem oxidu křemičitého (opály, chalcedony, silicity). Kyselina sírová reaguje se složkami cementového tmelu podle rovnic (9) a (10). Navíc, síran železitý hydrolyzuje za vzniku Fe(OH)3 a H2SO4.
Normy a předpisy
Normy ČSN EN 206 [1] a doplňující ČSN P 73 2404 [2] se zabývají stupni vlivu prostředí na degradaci betonu. Vlivy jsou rozděleny do 6 kategorií (XC, XD, XS, XF a XA) v normě [1], norma [2] rozšiřuje stupně vlivu prostředí o kategorii, týkající se poškození vlivem mechanického působení (XM), Tab. 1. Chemické působení je definováno pro kapalné korozní prostředí, které představuje podzemní voda a vlhkost v rostlé zemině.
V Tab. 2 jsou uvedeny mezní hodnoty koncentrací iontů, způsobujících korozi betonu a hodnota pH, odpovídající koncentraci H+ iontů. Zkušební metoda předepisuje vyluhování SO42− kyselinou solnou. V normě není specifikováno korozní působení srážkových a povrchových vod s nízkou přechodnou tvrdostí, které mohou způsobovat zejména korozi I. druhu, tj. vyluhování hydroxidu vápenatého z cementového tmelu.
Čtěte také: Parametry fréz do betonu
Doporučení a prevence
Koroze betonu je významnou oblastí, kterou nelze pominout při návrhu složení betonu pro výrobu betonových konstrukcí. Je nutno zohlednit prostředí, ve kterém bude probíhat životní cyklus konstrukce. Je nutno mít na paměti, že z hlediska ochrany ocelové výztuže před korozí hraje významnou roli hydroxid vápenatý, který vzniká při hydrataci cementu. Hydroxid vápenatý vytváří prostředí s vysokou koncentrací hydroxidových iontů, které stabilizují sloučeniny na povrchu ocelové výztuže a brání tak průběhu korozních procesů.
Odolnost jemnozrnných betonů vůči síranové korozi v odpadních systémech
Síranová koroze velmi snižuje životnost železobetonových konstrukcí, a to především v částečně zaplněných kanalizačních sítích, kde jsou betonové stěny kanalizačních trubek vystaveny nejen síranům z odpadní vody, ale i kyselině sírové vznikající během biogenní síranové koroze činností bakterií. Proces biogenní síranové koroze vede k rozpínání a popraskání betonu a v konečné fázi až k jeho kompletnímu rozpadu. Primární reakcí síranových aniontů s hydroxidem vápenatým přítomným v cementovém tmelu totiž vzniká především sádrovec a objemný ettringit, jejichž tvorba je hlavní příčinou vzniku trhlin a rozpadu betonové konstrukce.
Tento příspěvek je zaměřen na srovnání vlastností sedmi druhů jemnozrnných betonů po ročním působení 0,5% kyseliny sírové, 5% síranu sodného a roztoku simulujícího odpadní vodu v kanalizaci. Sledovány byly především změny v pevnostních charakteristikách betonů, obsah síranů a změny pH vodních výluhů, kdy může být při jeho vysokém poklesu splněna podmínka pro vznik depasivace výztuže.
Bylo zjištěno, že kyselina sírová snižuje pevnosti v tlaku všech sledovaných typů betonu minimálně o 50 %. Na2SO4 a použitá odpadní voda nepředstavují pro sledované jemnozrnné betony z pohledu snížení pevností, nárůstu obsahu síranů a poklesu pH vodních výluhů významné korozní prostředí. Betonové a železobetonové kanalizační potrubí slouží především k odvádění odpadních vod a jiných neagresivních tekutin o volné hladině a působí na něho mnoho degradačních procesů, vedoucích ke snížení jeho doby životnosti [1].
Jeden z degradačních procesů, probíhající při částečném plnění profilu kanalizačního potrubí z materiálu pojeného cementem, je biogenní síranová koroze. Betonové stěny kanalizačních trubek jsou v takovém případě vystaveny nejen síranům z odpadní vody ale i kyselině sírové vznikající za určitých podmínek během této koroze činností bakterií [1-4]. Koncentrace SO42− v kondenzátu na betonových stěnách kanalizačního systému může dosáhnout až 50 mmol‧l−1, což odpovídá 0,5% H2SO4 [2].
Uvedený proces vede k rozpínání a popraskání betonu a v konečné fázi až k jeho kompletnímu rozpadu. Primární reakcí síranových aniontů s hydroxidem vápenatým přítomným v cementovém tmelu totiž vzniká především dihydrát síranu vápenatého (sádrovec) a objemný ettringit, jejichž tvorba je hlavní příčinou vzniku trhlin a rozpadu betonové konstrukce [5-7].
Cílem této studie je srovnání odolnosti síranové korozi pro různé typy betonů. Pro výrobu zkušebních vzorků jemnozrnných betonů (40 × 40 × 160 mm) byl zvolen vodní součinitel voda/pojivo = 0,45 a 3 frakce zkušebního křemenného písku dle ČSN 72 1200 s označením PG 1 (< 0,5 mm), PG 2 (0,5-1 mm) a PG 3 (1-2,5 mm) v hmotnostním poměru vzhledem k pojivu 1 : 1 : 1 : 1.
Pro studium byly připraveny vzorky 7 betonových směsí, které se lišily v použitém pojivu: PC - portlandský cement CEM I 42,5 R (100 %); SRP - síranovzdorný portlandský cement (100 %); SRS - síranovzdorný struskový cement CEM III/B 32,5 N-SV (100 %); MK - metakaolin (20 %), portlandský cement (80 %); GL - mletý vápenec (20 %), portlandský cement (80 %); GBFS - vysokopecní granulovaná struska (20 %), portlandský cement (80 %); FA - vysokoteplotní popílek (20 %), portlandský cement (80 %). Betonové směsi obsahující příměsi odpovídají portlandskému směsnému cementu s označením CEM II/A v souladu s ČSN EN 197-1.
Zkušební tělesa byla ponechána 24 hodin ve výrobních formách a po vyjmutí z forem byla umístěna do vodní lázně na dobu 27 dní. Vzorky všech betonových směsí byly následně ponořeny do 3 korozních roztoků - 0,5% H2SO4 (A), 5% Na2SO4 (S) a roztoku simulujícího odpadní vodu (WW) a tyto roztoky byly v týdenních intervalech obnovovány. Koncentrace kyseliny sírové byla zvolena v souladu s literaturou [2].
Vzorky byly vystaveny působení korozních prostředí po dobu 12 měsíců, poté byly vyjmuty z roztoků, vysušeny na vzduchu a podrobeny stanovení pevností v tlaku a pevností v tahu za ohybu. Ze získaných výsledků byly vypočítány koeficienty korozní odolnosti (kKO) všech typů betonů ve 3 uvedených korozních prostředích z poměru tlakové pevnosti v daném prostředí a tlakové pevnosti těles uložených v pitné vodě.
Dále bylo stanoveno pH vodních výluhů jednotlivých typů betonů (2 g vzorku, 100 ml H2O) a pomocí XRF spektrometrie byl stanoven obsah síranů v betonech. Pórová struktura vzorků všech připravených směsí včetně určení celkové porozity a rozložení velikosti pórů byla studována pomocí vysokotlaké rtuťové porozimetrie s využitím porozimetru Micromeritics PoreSizer 9310. Mikrostruktura vzorků byla sledována pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) MIRA3 firmy TESCAN vybaveného EDX sondou.
Po jednom roce v 0,5% H2SO4 došlo u všech sledovaných typů betonu k viditelné degradaci povrchu vzorků. Reakcí kyseliny sírové s cementovým tmelem vznikla bílá sraženina sádrovce a jeho postupným vymýváním došlo k obnažení kameniva. Vzorky umístěné v 5% Na2SO4 zůstaly beze změny a vzorky v odpadní vodě ztmavly, až zčernaly (Obr. 1). U vzorků ponořených v kyselině sírové došlo pod vrstvou sádrovce k tvorbě vrstvy rezavého zbarvení.
Pevnosti v tlaku se po ročním působení 0,5% kyseliny sírové snížily o 50 % u všech sledovaných betonů. Největší pokles vykazoval beton s příměsí metakaolinu (MK). V případě 5% roztoku Na2SO4 a odpadní vody byly po jednom roce působení zaznamenány vyšší hodnoty pevností v tahu za ohybu a v tlaku vůči počátečním hodnotám a to pro všechny typy betonů. V některých případech vykazovaly vzorky vyšší pevnosti v tahu za ohybu po 1 roce v 5% síranu sodném či odpadní vodě než po 1 roce v pitné vodě (PC, SRP, GBFS a FA).
Při použití 0,5% H2SO4 jako korozního prostředí byly kKO pro všechny typy betonů nižší než 0,45. Nejvyšší hodnotu vykazoval beton s příměsí mletého vápence (GL), nejnižší hodnotu pak beton vyrobený ze síranovzdorného portlandského cementu (SRP). V případě 5% Na2SO4 a odpadní vody byly kKO sledovaných betonů výrazně vyšší, všechny dosáhly hodnot nad 0,78. Nejvíce odolný byl beton s příměsí metakaolinu (MK), nejméně beton s příměsí vysokopecní strusky (GBFS).
Odolnost jemnozrnných betonů vůči síranové korozi byla sledována též nárůstem koncentrace síranových iontů v jednotlivých typech betonů a stanovením pH jejich vodních výluhů (Obr. 5), kdy může být při jeho vysokém poklesu splněna podmínka pro vznik depasivace výztuže. Po 1 roce působení kyseliny sírové vzrostla koncentrace síranů ve všech sledovaných vzorcích více než šestkrát. Nejvyšší nárůst byl pozorován u betonu s příměsí jemně mletého vápence (GL). Síran sodný a odpadní voda neměly na vrůst obsahu síranů v betonových vzorcích tak velký vliv, jako kyselina sírová.
Sanace železobetonových konstrukcí
Sanace železobetonových konstrukcí a její správný postup se již postupně dostává do povědomí nejen odborné veřejnosti. Hlavní poruchou, jak v interiéru, tak v exteriéru, byla odpadlá krycí vrstva nad výztuží železobetonových prvků. Ochranná funkce alkalického prostředí betonu tedy již neplnila svou funkci a současně začalo docházet ke korozi výztuže, což bylo provázeno úbytkem jejího průřezu.
Síranová koroze je typickým příkladem koroze III. druhu podle Moskvina. Tento druh koroze se vyznačuje hromaděním solí v pórovém a kapilárním systému betonu a následnou tvorbou ettringitu, který vzniká za přítomnosti vody reakcí se solemi. Ettringit při svém vzniku výrazně zvětšuje objem, což vede k vyvolání poměrně značných krystalizačních tlaků, které následně narušují strukturu cementového tmelu. V této fázi dochází ke vzniku trhlin na povrchu betonových konstrukcí a jejich postupné degradaci.
Princip ochrany výztuže v betonu před korozí spočívá v silně zásaditém prostředí, které je cementovým tmelem vytvářeno. Pokud je betonářská výztuž v prostředí s hodnotou pH 9,6 a více, nedochází v betonu k elektrochemické korozi výztuže. Oxid uhličitý, který má kyselý účinek, reaguje za přítomnosti vody s cementovým tmelem a v důsledku toho dochází k poklesu pH prostředí, které výztuž chrání. Při poklesu alkality pod pH 9,6 pak snadno může docházet i ke korozi výztuže uložené pod neporušenou krycí vrstvou.
Postup sanace
Prvním krokem před zahájením oprav betonových či železobetonových konstrukcí by měl být stavebně technický průzkum, čili diagnostika stavby. Ta má svá specifika a vedle standardně prováděných terénních a laboratorních zkoušek je potřeba promyslet, jaké vlivy na danou konstrukci působí. Standardně jsou sledovány obsahy síranových, chloridových a dusičných iontů. Z diagnostiky by měl vyplynout návrh sanace tak, aby byly vzaty v úvahu všechny zjištěné skutečnosti.
Druhým krokem k úspěšné sanaci je pečlivá předúprava podkladu. V tomto konkrétním případě je právě v návaznosti na stavebně technický průzkum nutné vzít v úvahu, že podklad je napaden chemickou korozí. V případě, že se k takto zatížené části konstrukce dostane voda a kyslík, budou chemické korozivní procesy pokračovat.
Sanace konstrukce zatížené agresivními látkami (v tomto případě sírany) musí navíc bránit přístupu vody do hlavní nosné konstrukce. Jak bylo popsáno výše, chemické procesy v konstrukci probíhají za přítomnosti vody. I pro předúpravu podkladu byl doporučen suchý způsob pomocí mechanického bourání, pomocí pískování, nebo tlakového odbourání pomocí jiných abraziv. Vzhledem k porušení podkladu mrazem a síranovou korozí bylo použito (ke spojení nové vrstvy reprofilace a původního podkladu) kotvení pomocí tenké ocelové síťky ARMOBET na ocelové trny uchycené do konstrukce.
Samotná reprofilace byla realizována pomocí suchého torkretu. Použití materiálu s krystalizační přísadou XYPEX ADMIX C - 1000 s úspěchem brání nežádoucímu vnikání vody do konstrukce a tím i opětovnému „nastartování” korozních procesů. Finální úprava povrchu konstrukce byla realizována pomocí nátěru DEN SOCURE R color, který vedle funkce estetické (barevné sjednocení povrchu) má i funkci ochrannou. Účinně brání vnikání vody, vodních par, popř. provozních médií do konstrukce a má vysokou odolnost vůči prostupu vzdušného CO2.
Vliv síranové koroze na vlastnosti betonu - Diplomová práce
Tato diplomová práce se zabývá vlivem síranové koroze na vlastnosti betonu. Pro potřeby práce bylo vytvořeno 5 záměsí betonu. Byly určeny základní mechanické a fyzikální vlastnosti připravených betonů. Zkušební vzorky připravené z těchto záměsí byly vystaveny agresivnímu prostředí bohatému na sírany. Agresivní prostředí bylo vytvořeno zředěním kyseliny sírové a to tak, aby jejich množství odpovídalo požadavkům normy ČSN EN 206. Na vzorcích vystavených agresivnímu prostředí byla poté provedena chemická analýza a byly sledovány změny vyvolané síranovou korozí.
tags: #siranová #koroze #betonu