Existuje názor, že železobetonové výrobky jsou nejodolnější a trvanlivé. Toto znění je však klam. Za nevhodných provozních podmínek podléhají betonové konstrukce také vážným deformacím a poškozením. 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.
Nejvhodnější variantou pro stavbu je cement odolný proti síranům. Tento stavební materiál získal největší popularitu v těch regionech, kde je počasí velmi žádoucí. Sulfátem odolný cement neboli portlandský cement je speciální stavební materiál, který se liší od obvyklého analogu a je odolný vůči negativním účinkům chemických sloučenin a měnícím se rozmarům přírody. Hlavní náplní Portlandského cementu je výstavba čerpacích stanic, vodovodních a vodovodních staveb. Sulfátem odolný cement ztvrdne poměrně pomalu, ale ve vytvrzeném stavu má velmi vysokou hustotu. Sulfátem odolný cement spolehlivě chrání budovy a stavby před vlivem vlhkosti a mrazu, zvyšuje odolnost konstrukcí proti opotřebení. Životnost cementu Portland je několikrát vyšší než u běžných materiálů. Je třeba poznamenat, že jeho hlavní charakteristické vlastnosti plně odůvodňují vysoké náklady.
Složení a druhy síranovzdorného cementu
Složení síranem odolného cementu zahrnuje složky drceného slínku složené z minerálů. Při výrobě materiálu jsou bezchybně zváženy přesné dávkování všech potřebných komponent. Hotové výrobky zpravidla obsahují 5 % hlinitanu a 50 % silikátu. Když je surovina spálena, nečistoty v ní jsou umístěny chaoticky. Tento faktor vytváří proměnlivou strukturu fází slínku. Pod posledně jmenovaným se obvykle rozumí základní minerály: alit a belit.
- Alit je důležitý minerál, který má velký význam ve složení slínku. Rychle tuhne a má vysokou pevnost. Alit je velmi aktivní v kombinaci s vodou.
- Belite jeho reakce je na rozdíl od ality méně aktivní. Také jeho rozptyl tepla je dvakrát menší než u hlavního minerálu slínku - alita.
Základním meziproduktem, který se podílí na tvorbě cementového slinku, je hlinitan vápenatý. Obsah této látky ve standardní směsi cementu odolného vůči síranům je pouze 5-10 %. Nadměrné množství tohoto materiálu může vyvolat sulfátovou korozi.
Podívejme se nyní rychle na každý z těchto stavebních materiálů:
Čtěte také: Jak vybrat hnědý UV tmel na dřevo
Pozzolanic Portlandský cement
Pozzolanic Portlandský cement obsahuje směs granulované vysokopecní strusky a pucolánů. Ty jsou produkty sopečného původu ve formě popela, tufu a pemzy. Pozzolans jsou aktivní minerální přísady při výrobě portlandského cementu. Tento stavební materiál je relativně špatně tolerován alternativním režimem vlhkosti a sušením, jakož i rozmrazováním a rychlým zmrazením.
Odolný vůči síranům struskový portlandský cement
Je vyroben smícháním slínku s vysokopecní struskou v granulované formě (přibližně 50-60 %) a malým množstvím sádry. Struska použitá pro výrobu musí obsahovat omezené množství oxidu hlinitého (až přibližně 10 až 12 %). Sulfátem odolná struska Portlandský cement je přiřazen značce M300 a M400. Portlandský cement odolný vůči síranům má značku M400. Je náchylný k pomalému tuhnutí a nízkému odvádění tepla. Je univerzální a vydrží všechny druhy teplotních podmínek a vlhkosti.
Sulfátem odolný cement s minerály
Přidá se asi 15 až 20 % celkové cementové směsi vysokopecní strusky v granulích nebo 5 až 10 % minerálních látek. Tento typ stavebního materiálu je vyráběn se značkami M400 a M500. Vysokopecní cement síranovzdorný CEM III/B 32,5 N-LH/SR je vyráběn a zkoušen dle ČSN EN 197-1 Ed. 2. Vysokopecní cement síranovzdorný pevnostní třídy 32,5 obsahující mezi 66-80 % hmotnosti vysokopecní strusku. Garantována je minimální pevnost v tlaku 32,5 MPa po 28 dnech a minimální počáteční pevnost 16 MPa po 7 dnech. Nízká počáteční pevnost je charakteristická. Statistické hodnocení kvality Vám zašleme na vyžádání.
Síranová koroze a její vliv na beton
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 dihydrát síranu vápenatého (sádrovec) a objemný ettringit, jejichž tvorba je hlavní příčinou vzniku trhlin a rozpadu betonové konstrukce. Někdy vliv sulfátů vede k tvorbě sádry, což také přispívá k významnému rozšíření kamene a postupnému ničení budov.
Škodlivé účinky sulfátů na železobetonové konstrukce jsou pozorovány při alternativním sušení a smáčení půdy a samotné struktury. Příkladem je stále se měnící hladina vody v řece. Při vstupu do reakce s hlinitanem začíná destrukce sulfátů a tím i deformace samotné struktury. Při jeho vysokém poklesu může být splněna podmínka pro vznik depasivace výztuže. Koncentrace SO42− v kondenzátu na betonových stěnách kanalizačního systému může dosáhnout až 50 mmol‧l−1, což odpovídá 0,5% H2SO4.
Čtěte také: Řešení pro interiér: voděodolné podhledy
Pokud je do roztoku přidána minerální malta, může být beton odolný vůči sulfátu vyroben i z běžného cementu. Je však lepší použít portlandský cement k vytvoření směsi pro beton odolný proti síranům. Slínek je meziproduktem při výrobě portlandského cementu. Tento užitečný objev pomohl později v roce 1840 vytvořit umělý cement (portlandský cement).
Testování odolnosti betonů vůči síranové korozi
Článek sleduje odolnosti různých typů jemnozrnných betonů vůči síranové korozi. 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. Koncentrace kyseliny sírové byla zvolena v souladu s literaturou. 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. Získané výsledky sloužily k výpočtu koeficientů 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.
Použité směsi pro jemnozrnné betony:
- 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. 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. 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.
Výsledky testování
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. U vzorků ponořených v kyselině sírové došlo pod vrstvou sádrovce k tvorbě vrstvy rezavého zbarvení. Tento efekt byl již v minulosti pozorován a bylo zjištěno, že se zde koncentruje železo ve struktuře amorfního charakteru, což nasvědčuje přítomnosti Fe(OH)3. 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).
Koeficienty korozní odolnosti (kKO)
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).
Čtěte také: Přečtěte si o klíčových vlastnostech UV odolných kabelů.
Změny v obsahu síranů a pH
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. Změny v pH vodních výluhů betonových vzorků lze charakterizovat poklesem u všech sledovaných typů betonů i korozních prostředí. K největším poklesům hodnot došlo při působení 0,5% H2SO4. Zde se hodnoty pH snížily o 0,5 až 1 jednotku. SRS vzorek vykazoval největší pokles pH. Snížení pH vodních výluhů betonových vzorků po 1 roce v 5% síranu sodném a odpadní vodě nebylo tak markantní, jako v případě kyseliny sírové. Hodnoty se snížily o 0,3 až 0,6 jednotky pH v případě 5% Na2SO4 a v odpadní vodě o 0,1 až 0,45 jednotky pH. Z pohledu nárůstu obsahu síranových iontů a poklesu pH vodních výluhů vzorků uložených 1 rok v použitých roztocích představuje pouze 0,5% H2SO4 pro všechny typy sledovaných jemnozrnných betonů závažnější korozní prostředí. V případě delšího působení kyseliny sírové by mohlo dojít k pokračujícímu poklesu pevností betonových vzorků i pH.
Porozita a mikrostruktura
Celková porozita vzorků před působením korozních roztoků se pohybovala od 10 % (SRS) do 14 % (FA) a ve strukturách vzorků byly nejvíce zastoupeny póry s průměrem 0,05-0,1 µm. Po 1 roce působení korozních roztoků došlo u všech vzorků k poklesu celkové porozity. Nejvýraznější pokles byl pozorován u vzorků vystavených působení kyseliny sírové. Nejméně se změnila porozita vzorku MK (z 11 % na 10 %), největší rozdíl celkových porozit vykazoval vzorek PC (13 % vs. 9 %). Došlo též ke změně v zastoupení pórů. U všech směsí se zvýšil obsah pórů s průměrem menším než 0,05 µm. Snímky získané pomocí SEM potvrdily výsledky z měření porozit vzorků. Po ročním působení korozních roztoků došlo k zaplnění pórů produkty síranové koroze. Změna v mikrostruktuře byla nejvíce patrná u vzorků vystavených 0,5% H2SO4. Ve vnitřních vrstvách betonových vzorků nedochází k rozpínání a poruchám struktury v důsledku tvorby objemných krystalů ettringitu a sádrovce. Naopak vnitřní struktura vzorků se díky zaplňování pórů produkty reakcí síranové koroze stává kompaktnější. V pórech vzorků byly identifikovány krystaly sádrovce, ettringitu, portlanditu a kalcitu s výrazným zastoupením srostlých krystalů ettringitu a portlanditu nejvíce přispívajícím k redukci celkových porozit vzorků. K největším změnám v porozitě a mikrostruktuře došlo u vzorku z portlandského cementu a u vzorku s příměsí vysokoteplotního popílku.
Použití síranovzdorného cementu
Zvláštní pozornost je třeba věnovat pilotům odolným vůči sulfátům, aby bylo možné pochopit, co to je. Piloty jsou výrobky, které jsou velké tyče, které jsou vyrobeny z portlandského cementu. Kvalita těchto výrobků plně ovlivňuje životnost a bezpečnost budov. Piloty jsou pohřbeny hluboko v půdě. Jsou odolné vůči vlhkosti, srážkám, podzemní vodě a chemickým prvkům v půdním krytu. Nejčastěji se používají k výstavbě velkých mostů, hydraulických stanic a přehrad. Výběr cementu pro práci, měli byste pečlivě prozkoumat jeho základní složení. V případě, že minerální přísady jsou několikanásobně vyšší než standardní rychlost, je pevnost roztoku výrazně snížena a křehkost struktur se odpovídajícím způsobem zvyšuje, což způsobuje jejich destrukci. Použití portlandského cementu je drahý postup, takže se nepoužívá tak často jako jednoduchý analog.
tags: #siranum #odolný #cement