VĚDA A VÝZKUM
❚
SCIENCE AND RESEARCH
KARBONATÁCIA BETÓNU ŽELEZOBETÓNOVÝCH KONŠTRUKCIÍ
– ČASŤ I: ZÁKLADNÉ POZNATKY ❚ CARBONATION OF
REINFORCED CONCRETE STRUCTURES – PART I: PRINCIPAL
KNOWLEDGE
Ivan Janotka, Ľudovít Krajči,
Antonín Špaček
Definícia karbonatácie betónu. Štyri etapy karbonatácie betónu. Činitele ovplyvňujúce rýchlosť
karbonatácie betónu. Prehľad literárnych poznatkov. Životnosť karbonatovaných konštrukcií.
Normovanie náporu plynného oxidu uhličitého
na železobetónové konštrukcie. Navrhovanie
betónu
cie.
❚
vystaveného
účinkom
karbonatá-
Definition of concrete carbonation.
Four stages of concrete carbonation. Factors
influencing the rate of concrete carbonation.
Review of literary knowledge. Service life of
concrete structures subjected to carbonation.
Standardization of the carbon dioxide attack
for reinforced concrete structures. Design of
concrete for exposition to carbonation.
Na železobetónové konštrukcie korozívne pôsobí okrem kvapalného a pevného agresívneho prostredia tiež agresívne prostredie plynné. V relatívne čistej atmosfére je to len oxid uhličitý
(CO2) a oxid siričitý (SO2). V atmosfére chemických závodov to môže byť
fluorovodík, sírovodík, chlór, chlorovodík, oxidy dusíka a ďalšie plyny.
Norma ČSN 73 0080:1987 definuje karbonatáciu betónu ako vzájomné pôsobenie cementového kameňa a plynného oxidu uhličitého, ktoré vedie ku zníženiu alkality kvapalnej
fázy betónu.
V tejto prvej časti príspevku o karbonatácii (Časť 1: Základné poznatky) vysvetľujeme podstatu škodlivého účinku
oxidu uhličitého na železobetón a podávame prehľad literárnych poznatkov
o jednotlivých činiteľoch karbonatácie. Krátko sa zmieňujeme o normovaní agresivity oxidu uhličitého a navrhovaní protikoróznej ochrany podľa v súčasnosti platných noriem.
Druhá časť bude obsahovať obecné metódy stanovenia etapy karbonatácie a budeme prezentovať vlastné výsledky zo sledovania rýchlosti karbonatácie betónových konštrukcií.
OBSAH OXIDU UHLIČITÉHO
V OVZDUŠÍ A JEHO DÔSLEDKY
Životnosť železobetónových konštrukcií ovplyvňuje vo významnej miere aj
72
karbonatácia betónu. Karbonatáciu
betónu spôsobuje prítomnosť oxidu
uhličitého v atmosfére, ktorého obsah
v relatívne čistej atmosfére predstavuje priemerne 0,03 % obj., čomu odpovedá koncentrácia 0,05 % hm. alebo
asi 60 mg/m3 [1]. Tesne pri zemi môže však vzduch obsahovať aj desaťkrát viac oxidu uhličitého, pretože tento plyn je ťažší ako vzduch. Dlhodobým
monitorovaním obsahu oxidu uhličitého
v Brne H. Králová a B. Teplý [2] preukázali, že v mestskom prostredí je obsah
CO2 v dôsledku spaľovania fosílnych
palív, najmä v spaľovacích motoroch
dopravných prostriedkov, priemyselných a komunálnych kúreniskách, až
rádovo vyšší, pričom dosahuje hodnoty 600 až 800 mg/m3.
Pôsobením CO2 nastáva postupná
premena väzných hydratačných produktov cementu v betóne (C-S-H
fáza), najmä portlanditu – Ca(OH)2,
na kalcit, aragonit a vaterit (kryštalické modifikácie uhličitanu vápenatého –
CaCO3). Hlavne sa však urýchľuje korózia oceľovej výstuže betónu tým,
že klesá alkalita betónu až pod hodnotu pH 9,5.
P R I E B E H K A R B O N ATÁ C I E
BETÓNU
Priekopnícke práce v štúdiu procesu karbonatácie betónu vykonal najmä
M. Matoušek a R. Drochytka [3]. Priebeh karbonátacie betónu sa zvyčajne
rozdeľuje do štyroch etáp.
V prvej etape karbonatácie sa premieňa hydroxid vápenatý (Ca(OH)2)
na uhličitan vápenatý (CaCO3), ktorý
pritom čiastočne zaplňuje póry. Hlavné vlastnosti betónu sa v tomto štádiu
stávajú výhodnejšími. Vznikajúcimi karbonátmi sa zahusťuje pórová štruktúra, čím pevnosť betónu vzrastá.
V druhej etape prebiehajú premeny
ostatných gélových hydratačných produktov cementu (kalciumsilikáthydrátov a kalciumalumináthydrátov), pričom
vznikajú modifikácie CaCO3 s amorfným gélom kyseliny kremičitej. Hrubozrnné kryštalické novotvary CaCO3
sa vyskytujú len ojedinele. Vlastnosti betónu v druhej etape karbonatácie
sa príliš nemenia a nebola evidovaná
mechanická ani štrukturálna degradácia betónu.
Tretia etapa karbonatácie sa vyznačuje prekryštalizovaním prvotne vzniknutých novotvarov CaCO3. Objavujú
sa veľmi početné a relatívne rozmerné
kryštály kalcitu a aragonitu. Mechanické vlastnosti betónu sa behom
tretej etapy zhoršujú a alkalita betónu
klesá pod hodnotu pH 9,5.
Štvrtú etapu charakterizuje stav, pri
ktorom hrubé kryštály kalcitu a aragonitu prestupujú celú štruktúru cementového tmelu, čo je v krajnom prípade
spojené so stratou súdržnosti a pevnosti betónu. Hodnota pH klesá až
k pH okolo 8.
Karbonatáciu betónu je možné podľa
mnohých prameňov, napr. podľa ďalej
komentovaných autorov Z. Ściślewského [4] a J. Bilčíka [5], zjednodušene
znázorniť rovnicou:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O .
Popísaný proces karbonatácie betónu má škodlivé dôsledky nielen pre
samotný betón, ale hlavne pre jeho
oceľovú výstuž tým, že hodnota pH
medzizrnečného roztoku pri karbonatácii klesá z pôvodnej hodnoty 12,5
až pod 9,5. V silno alkalickom prostredí nekarbonatovaného betónu sú oxidy a hydroxidy železa, ktoré vznikajú
na povrchu oceli stabilné; oceľová výstuž je pasivovaná. Pri poklese pH už
pod hodnotu 11,5 sa stávajú ochranné vrstvy na výstuži pórovitými a málo stálymi až rozpustnými. Depasivácia
sa objavuje už v druhom štádiu karbonatácie.
Dôležitý parameter je relatívna vlhkosť vzduchu – v prostredí trvale suchom s relatívnou vlhkosťou 50 %
a nižšou oceľová výstuž v skarbonatovanom betóne nekoroduje. V trvale vlhkom prostredí a v prostredí striedavo suchom a vlhkom oceľová výstuž v skarbonatovanom betóne bude však korodovať. Najnebezpečnejšia
je karbonatácia vtedy, keď oxid uhličitý prenikne, napr. trhlinami, až k oceľovej výstuži.
Pri vlhkosti prostredia do cca 50 %
(„suchý vzduch“) je difúzna reakcia
CO2 v betóne pomalá a karbonatá-
BETON • technologie • konstrukce • sanace
❚
3/2011
Download

karbonatácia betónu železobetónových konštrukcií