Zvyšování chemické odolnosti betonu proti korozi

V tomto článku se Vám pokusíme přiblížit chemické procesy, které v betonu vznikají a které mají vliv na kvalitativní proces vyzrání betonové konstrukce. Od kvality těchto chemických procesů je současně odvislá problematika koroze ocelové výztuže v betonu. Mezi způsoby, jak přispět ke zmírnění nebo dokonce k odstranění koroze ocelové výztuže v betonové konstrukci patří i metoda krystalizace.

  Úkolem anorganických stavebních pojiv je spojovat zrnité materiály v souvislý kompaktní a pevný celek. Při styku většiny anorganických pojiv s vodou nebo s vodními roztoky nastávají poměrně složité chemické reakce za vzniku pevných více méně krystalických forem.
   Ve stavebnictví zpevňováním rozumíme pochody, při nichž se výchozí plastická směs s vodou mění v tuhou soustavu, která v závislosti na čase nabývá stále větších pevností.
   Základem ve stavebnictví používaných pojivových materiálů je cement. Charakteristickým znakem cementů je jejich chemické složení. Hlavní složku tvoří oxid vápenatý (CaO), oxid křemičitý (SiO₂), oxid hlinitý (Al₂O₃) a oxid železitý (Fe₂O₃). Aby mohlo být dosaženo optimálních vlastností pojivového produktu, musí být uvedené složky přítomny v určitém hmotnostním poměru, který je vyjádřen tzv. hydraulickým modulem. Jde o hmotnostní poměr CaO k sumárnímu množství SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃. Optimální hodnota hydraulického modulu se pohybuje v rozmezí 1,75 – 2,40. Tato oblast po hydrataci s vodou zaručuje vznik kvalitního betonu.
   Je nutno ovšem poznamenat, že kvalita betonu závisí dále na chemickém složení celého kompozitu. Cementy nejsou jednoduše pouze směsi uvedených oxidů, ale představují směsi složitějších sloučenin zmíněných oxidů zabudovaných v určité chemické vazbě, která vzniká při slinování základních surovin.
   Portlandský cement tvoří čtyři základní chemické složky:
• křemičitan vápenatý (3CaO·SiO₂)
– zkrácené označení C₃S (alit);
• orthokřemičitan vápenatý (2CaO·SiO₂)
– zkrácené označení C₂S (belit);
• orthohlinitan vápenatý (3CaO·Al₂O₃)
– zkrácené označení C₃A (aluminosilikát);
• hlinitoferrit vápenatý (4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)
– zkrácené označení C₄AF (brownmillerit).
   Každá z uvedených sloučenin svým způsobem ovlivňuje chování cementu při tvorbě betonového kamene. Nechceme zabíhat do přílišných podrobností, protože na chemizmus průběhu vzniku složek a průběhu hydratace je dosud mnoho nevyjasněných souvislostí. Pro úspěšné řešení následných krystalizačních pochodů, potřebných pro ošetřování betonu je možno podle dosavadních zkušeností, některé složky cementu příznivě ovlivňovat.
   Beton představuje stavební materiál, vyznačující se značnou mechanickou pevností a odolností proti povětrnostním vlivům. V nemalé míře jeho kvalita závisí vedle chemického složení i na způsobu jeho přípravy, výběru druhu vhodných cementů a množství vody potřebné k hydrataci, vyjádřené tzv. vodním součinitelem W (čím nižší hodnota W, tím větší pevnost a nižší porezita).
   Jde o materiál poměrně stabilní. Přesto však může opakovaně docházet k jeho závažným poruchám, které mohou výrazným způsobem ohrožovat požadované vlastnosti betonových konstrukcí. Poruchy mohou začínat různými povrchovými změnami, které časem mohou vyústit v hluboké změny strukturního charakteru, při kterých může docházet i ke korozivnímu ataku ocelových výztuží různých stavebních prefabrikátů.
   Významnou roli pro stabilitu betonu hraje prostředí, které může mít charakter plynný, kapalný nebo kumulovaný. Ovzduší může korozi betonu přispívat znečišťujícími zátěžemi např. kyselinotvorného charakteru, oxid siřičitý (SO₂), oxidy dusíku (NO_x). Dále to bývá chlorovodík (HCl) a sulfan (H₂S)₂.
   Tyto plyny absorbované vzdušnou vlhkostí, chemicky atakují povrchové i hlubší vrstvy betonu. Tento jev je následně provázen neutralizačními chemickými reakcemi, při kterých dochází k výraznému snížení alkality betonu a ke vzniku chemických sloučenin, které zůstávají v kapilárách a pórech betonu. V důsledku těchto chemických reakcí dochází postupně i ke snižování obsahu základní složky, tj. CaO.
   Mohou také vznikat i chemické sloučeniny, které mnohonásobně zvětšují svůj objem. To může vést ke vzniku trhlin a prasklin, které následný stav koroze urychlují.
   Nezanedbatelné škody mohou nastat i napadením betonu velmi agresivní kyselinou uhličitou (některé podzemní vody, v blízkosti pramenů uhličitých vod, apod.).
   Tabulky o účincích různých chemických komponentů a roztoků na beton a malty jsou k dispozici v příslušné literatuře [1].

Prevence proti korozi betonu
Prostředníkem pro vznikající korozi je prokazatelně voda, která průnikem do pórovité struktury betonu vnáší agresivní chemické sloučeniny. Do jisté míry dojde k poškození povrchových vrstev betonu vlivem chemických procesů. To však také závisí na množství, velikosti, hydrofobitě kapilár a na struktuře a síti betonového bloku. Neošetřený beton vykazuje hydrofilní charakter, který je, jak již bylo řečeno, výrazně ovlivňován způsobem zpracování cementových záměsí a hlavně na hodnotě W (v/c), jinak řečeno, na procesu primární hydratace. Hodnota W se obvykle pohybuje v rozmezí 0,25 – 0,32. Zvýšené množství záměsové vody zvyšuje svým způsobem množství kapilár a pórů. Voda, která obsahuje rozpuštěné látky, snadno smáčí povrch betonu, zaplňuje póry a kapiláry. Při kyselé reakci pronikajícího roztoku dochází k chemickým reakcím s alkalickou složkou cementové matrice a pak následně ke vzniku korozních produktů, které mohou vést k rozpadu nejprve povrchových vrstev betonu a postupně pak k hloubkové korozi. Od doby, kdy jsou postupně poznávány základní principy vzniku možných poškození betonu se pracuje na vývoji metodiky pokud možno trvalé a ekonomicky dostupné ochrany betonových povrchů. Je vypracována celá řada postupů na bázi nátěrů, až po formy izolací, které se zabudovávají přímo do skeletu betonových materiálů. Jde o příznivé ovlivnění struktury betonu. V mnohých případech to znamená trvalé znepřístupnění či přímo k zablokování kapilár a pórů betonu a tím omezení pohybu vody ve struktuře betonu na minimum [2] [3]. Společnost SUN STOP svou pozornost zaměřila na materiály, které se po aplikaci stávají kompatibilní součástí základní betonové struktury [4]. Základním nositelem ochranného systému je cementová matrice portlandského typu, která je současně nosičem chemických přísad, které se na ochraně podílejí. V procesu základních hydratačních pochodů se uplatňují chemické přísady, které proces zesíťování příznivě ovlivňují a zesilují. Podílejí se na procesu krystalizace a prorůstání nerozpustných složek přímo do struktury ošetřovaného betonu, viz. obrázky 1 a 2. Předpokládáme, že jde o proces za tvorby tobermoritového gelu 3Ca·2SiO₂·3H₂O, nebo hydráttetrakalcium aluminátu 3CaO·Al₂O₃ (OH)₂. Souběžně s těmito reakcemi probíhá i fluatační proces za vzniku ve vodě téměř nerozpustného CaF₂, který na stěnách kapilár betonu vzniká. Proces je doprovázen i vznikem gelovitého Zn(OH)₂, který se při hloubkovém procesu ošetřování může podílet i na pasivaci napadených konstrukčních ocelí korozí. Materiály a postupy vyvíjené společností SUN STOP jsou průběžně ověřovány akreditovanými zkušebnami a jsou tak posuzovány podle platných norem a ustanovení. Naše laboratoř sleduje metodiku i materiály v podmínkách dlouhodobého zatížení, pomocí testů pro tyto účely mnoha pracovišti používaných. Na základě získaných výsledků se pak snažíme probíhající procesy příznivě ovlivňovat a uplatňovat stále vylepšené procesy ochrany betonových konstrukcí.

Závěr
   Závěrem lze říci, že naše společnost vyvinula a vyrobila materiály na bázi modifikované cementové matrice, portlandského typu pod obchodním názvem LADAX^®. Tyto výrobky mohou svými izolačními vlastnostmi podstatným způsobem velmi pozitivně ovlivňovat životopis betonových konstrukcí, vystavených nepříznivým podmínkám prostředí ve kterém jsou aplikovány. Jde o prostředí v kyselé i alkalické oblasti pH (různé typy odpadních vod apod.) v prostředí ropných derivátů cyklických uhlovodíků. Základem výrobků LADAX^® jsou ekologicky nezávadné suroviny a přísady. Výrobky jsou i ekonomicky dostupné. 

Literatura:
[1] O. Henning, v. Lach, Chemie ve stavebnictví, SNTL, Praha 1983
[2] J. E. Ilaria, Prolong the Life of Concrete, Chemical Engineering Progres, Juli 1995
[3] J. Niepelová, Použití puculánových cementů při sanaci, Konference o sanaci, Praha 2000
[4] Firemní literatura, SUN STOP, Praha 1995 - 2001