Alkalický beton: Inovace a výzvy v moderním stavebnictví

Alkalicky aktivované materiály, často označované jako alkalický beton, se stávají stále častěji předmětem výzkumu a zájmu v moderním stavebnictví. Tyto materiály představují perspektivní alternativu k tradičním materiálům na bázi portlandského cementu, zejména pro aplikace vyžadující vysokou chemickou odolnost nebo odolnost vůči vysokým teplotám. Dále mezi hlavní výhody patří, že alkalicky aktivované materiály jsou více ekologické a udržitelné při výrobě, neboť se vyrábí z průmyslových odpadů a sekundárních produktů.

Výzkum a vývoj alkalicky aktivovaných materiálů

Vlastimil Bílek a Lukáš Kalina z Ústavu chemie materiálů Fakulty chemické VUT se spolu s týmem odborníků zaměřili na výzkum interakcí různých organických látek v bezcementových alkalicky aktivovaných materiálech. Zkoumali, proč běžné organické přísady v této alternativě portlandského cementu nefungují a čím je nahradit. Alkalicky aktivovanými materiály se na Ústavu chemie materiálů Fakulty chemické VUT dlouhodobě zabývají, a to díky národním i mezinárodním projektům základního i aplikovaného výzkumu.

Jedním ze zásadních problémů těchto materiálů ale je, že v nich nefungují běžné organické přísady, které se používají v tradičních betonech. Běžné přísady, například superplastifikátory, kterých i malá dávka beton výrazně ztekutí, jsou designovány pro klasický cement. Díky nim můžeme přidat méně vody a získat větší pevnost i trvanlivost. Multioborový tým výzkumníků se tedy soustředil primárně na pochopení chování organických přísad s jejich pojivem.

Prokázali, že stěžejní jsou tři základní aspekty fungování a nefungování přísad: jejich chemická stabilita, rozpustnost v aktivačním roztoku a adsorpce na povrch prekurzoru. Bylo zjištěno například to, že když se aktivuje struska hydroxidem sodným, velice dobře funguje určitý typ plastifikátoru. V momentu, kdy se ale v aktivačním roztoku objeví byť jen malinkaté množství křemičitanových iontů, tak najednou plastifikátor přestává úplně fungovat.

Lepší porozumění chování alkalicky aktivovaných materiálů pomůže jejich větší konkurenceschopnosti. Například v australském Brisbane je z alkalicky aktivované strusky a popílku postavena letištní dráha. V České republice je zatím komerční použití daleko menší, což je způsobeno především evropskou legislativou, která s úplnou absencí portlandského cementu jako pojiva v betonářských normách nepočítá. Opatrní jsou také architekti a projektanti, kteří mají k cementu větší důvěru.

Čtěte také: Pohledový beton a bednění

Výhody alkalicky aktivovaných materiálů

Alkalicky aktivované materiály jsou vyráběny alkalickou aktivací vhodného materiálu, jako jsou například odpadní materiály (různé druhy elektrárenských popílků a strusek) nebo materiály již využívaných v betonářském průmyslu, jako jsou metakaoliny a slínek, respektive portlandský bezsádrovcový cement. Tyto materiály jsou nyní často středem zájmu výzkumu, využívají a zkoumají se různě připravené směsi spolu s plnivy (kamenivem a výztuží) ve snaze nalézt kombinaci s co nejlepšími vlastnostmi.

Hlavní výhodou alkalicky aktivovaných materiálů v porovnání s klasickým betonem je značná odolnost proti ohni, chemická odolnost, mrazuvzdornost, ale také podstatně ekologičtější způsob výroby. Při běžné výrobě alkalicky aktivovaných materiálů vzniká šestkrát méně oxidu uhličitého než při výrobě cementu. Současná produkce cementu tvoří osm procent všech emisí, které mají na svědomí skleníkový efekt. Jako jeden z významných prostředků řešení hrozící ekologické katastrofy se nabízejí právě alkalicky aktivované materiály.

Alkalicko-křemičitá reakce (AKR)

Alkalicko-křemičitá reakce (AKR) je jedním z procesů, které mohou dlouhodobě poškodit beton. Setkat se s ní můžete pod různými názvy - například alkalická reakce kameniva, ASR (alkali-silica reaction) nebo lidově známá jako „rakovina betonu“. Nejčastěji se o ní mluví v souvislosti s mosty nebo přehradami.

AKR je chemická reakce mezi alkáliemi v cementu (zejména sodíkem a draslíkem) a reaktivními druhy oxidu křemičitého (SiO₂), které se mohou vyskytovat v některých typech kameniva. Za přítomnosti vody vzniká tzv. alkalicko-křemičitý gel, který absorbuje další vlhkost a začne bobtnat. Následkem toho vznikají v betonu trhliny a vnitřní napětí, které mohou vést k vážnému poškození konstrukce. Proces je pomalý - může trvat roky, než se poškození projeví. Projeví se mapovitým praskáním povrchu a rozpadem betonu.

Historie a výskyt AKR

Alkalická reakce kameniva se složkami cementu (AR - alkalické rozpínání) patří mezi činitele způsobující degradaci betonu. 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.

Čtěte také: Jídelní stůl MDF beton: Co zvážit?

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 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.

Problematika alkalicko-křemičité reakce byla nejprve registrována ve Spojených státech v 30. letech minulého století a postupně další a další státy zjišťovaly, že její výskyt je přítomen i na jejich území. U nás přes existenci normy z roku 1968 byl fenomén alkalické reakce kameniva dlouhodobě podceňován. O „objevení“ tohoto fenoménu v našich podmínkách se zasloužil především dlouholetý pracovník vedoucí laboratoře Ředitelství silnic a dálnic Ing. Jan Hromádko, který v 90. letech jako jeden z prvních správně identifikoval poruchy na dálnici D1 jako projev intenzivní alkalické reakce kameniva.

Předpoklady pro vznik AKR

Základním předpokladem pro vznik AKR je přítomnost amorfního oxidu křemičitého a vysoké pH hmoty (především dostatek volných rozpustných alkálií). Zároveň je reaktivnost závislá na množství a dále i typu oxidu křemičitého. Okolními podmínkami pro vznik AKR jsou dostatečná vlhkost a vyšší teplota.

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.

Při běžné hydrataci cementu vzniká alkalický roztok s obsahem hydroxylových aniontů OH−. Hydroxylové ionty chemicky napadají oxid křemičitý SiO2 za vzniku kationtu SiO− dále náchylného k reakci s anionty vápníku Ca2+, sodíku Na+ a draslíku K+. Samotná AKR je však způsobena převážně alkalickým roztokem v mikropórech betonové hmoty.

Čtěte také: Beton Brož: Alternativa k pravému dřevu

Minimalizace rizika vzniku 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.

Pro potlačení AKR je vhodnější popílek třídy F (ze spalování černého uhlí). 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.

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.

Na omezení vzniku alkalicko-křemičité reakce mají vliv především složky cementu s pucolánovými vlastnostmi, jako je struska, popílek, mikrosilika nebo přírodní pucolány. Pomocí směsných cementů lze také eliminovat nebezpečí vzniku alkalické reakce přísunem alkálií zvnějšku (posypová sůl). Tyto složky podstatně snižují riziko vzniku ASR tím, že reagují s hydroxidem vápenatým (portlanditem) za vzniku převážně kalcium silikát hydrátů (CSH). Alkálie jsou ve strusce (jako složce cementu) vázány ve sklovité fázi, čímž se snižuje jejich dostupnost a reaktivita. Po ztuhnutí je struktura cementového kamene uzavřenější a hutná a brání tak prostupu alkálií působících zvnějšku.

Diagnostika a opravy poškozeného betonu

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. Kromě vizuální identifikace typických trhlin s tmavými okraji je nejoperativnějším postupem použití tzv. uranyl-acetátového testu. Mimořádně citlivým indikátorem o postižení mikrostruktury betonu mikrotrhlinami, souvisejícími s výskytem alkalické reakce, je pak porovnání tahových a tlakových pevností betonu.

Alkalita betonu a koroze výztuže

Alkalita betonu označuje jeho přirozeně zásadité (alkalické) pH, které vzniká při hydrataci cementu. Čerstvě namíchaný i vytvrzený beton má pH obvykle v rozmezí 12 až 13, což je velmi zásadité prostředí. Při tuhnutí cementu dochází k chemickým reakcím mezi cementem a vodou, během nichž vzniká mimo jiné hydroxid vápenatý (Ca(OH)₂). Ten se ve vodě rozpouští a uvolňuje hydroxidové ionty (OH⁻), čímž zvyšuje zásaditost betonu.

Alkalita je zásadní pro dlouhou životnost železobetonových konstrukcí. V tomto rozsahu alkality je zabetonovaná výztuž chráněná před korozí pasivačním filmem vázaným na povrch výztuže. Hovoříme o alkalické pasivaci výztuže betonem. Pokud zůstane pH betonu vysoké, výztuž zůstává chráněna i v náročných podmínkách.

Problém však nastává, pokud do betonu pronikne oxid uhličitý (CO₂) z atmosféry a začne proces karbonatace - chemická reakce, při které se hydroxid vápenatý mění na uhličitan vápenatý, čímž se pH sníží. Když se pasivační film poruší, může nastat koroze výztuže. Koroze výztuže je nejčastěji elektrochemický proces, který potřebuje anodu, katodu a elektrolyt. Vlhkost v betonové hmotě vytváří vhodný elektrolyt a ocelová výztuž tvoří anodu a katodu. Aby reakce mohla probíhat, musí být přítomny voda a kyslík. Rychlá koroze nastane, když se pH (alkalita) betonu sníží, např. karbonatací, sulfatací apod., nebo když se do betonu zavedou agresivní chemikálie, nebo je výztuž tvořena různými kovy.

Předúprava betonu a výztuže

Pojmem předúprava betonu a výztuže se rozumí především odstranění nesoudržných neúnosných partií betonu, případně povrchových partií betonu, které jsou kontaminovány nežádoucími látkami, respektive odstranění korozních zplodin z povrchu výztuže. Cílem předúpravy podkladu je také „otevřít“ strukturu betonu, tj. odhalit strukturu tak, aby mohlo dojít k dobrému zakotvení reprofilačních vrstev. „Otevření“ povrchu betonu se nejsnáze definuje tak, že jsou na povrchu vizuálně patrná zrna drobného i hrubého kameniva včetně větších vzduchových pórů v maltovém podílu. Současně odhalený podklad musí být dostatečně únosný.

Důležitým krokem je odstranění korozních zplodin z ocelové výztuže - mechanicky pomocí ručních ocelových kartáčů či elektrických ocelových kotoučů nebo pískováním. Ji důkladně očistit od betonových zbytků a zbavit rzi otryskáním do stupně SA 2.5 (kovový lesk). Úbytek ocelového prutu nesmí být větší než 20 procent. Ihned po očištění výztuže aplikujeme antikorozní ochranný nátěr.

Inovativní aplikace alkalicky aktivovaných betonů

V současné době se s vývojem nových materiálů stále častěji objevují alkalicky aktivované betony. Tyto jsou laboratorně zkoušeny na malých vzorcích již řadu let. Tato myšlenka vybetonování větších dílů byla zrealizována s pomocí firmy ŽPSV a. s. a Katedry dopravního stavitelství - Dopravní fakulty Jana Pernera v Pardubicích. Bylo vybetonováno pět trámů - jeden z prostého samozhutnitelného betonu C40/50, druhý z téhož, ale s přidáním drátků Dramix.

Na zbylé tři byl použit alkalicky aktivovaný samozhutnitelný struskový beton s přidáním drátků Dramix, z nichž jeden obsahoval navíc ocelářskou výztuž (4 × R14 + třmínky 14 × R6). Na těchto byly provedeny ohybové zkoušky a na doprovodných vzorcích základní zkoušky pevností a lomových vlastností. Betonáž byla provedena na závodě ŽPSV, a. s. v Byňově u Nových Hradů.

Závěrem lze po prvotním vyhodnocení výsledků říci, že alkalicky aktivovaný struskový beton o zvoleném složení, v porovnání s klasickým betonem C40/50 XF4 vykazuje nižší hodnoty pevností v tahu za ohybu i v tlaku na zlomcích a má nižší modul pružnosti a měrnou hmotnost.

tags: #alkalický #beton #informace

Oblíbené příspěvky:

• Obklad komínu svépomocí
• Fasáda domu: rozhodování mezi omítkou a nátěrem
• Vše o betonových skružích
• Přírodní ochrana dřeva
• jak vybrat dřevěné obklady