Vápenné rozpínání betonu: Příčiny, vlivy a ochrana

Vápno je používáno již od starověku a zmínky o něm lze najít v knihách Mojžíšových a ve Starém zákoně. Již před 7000 lety př. n. l. bylo používáno v Egyptě, například při stavbě egyptských pyramid. Vápnem je pojeno zdivo například na Velké čínské zdi. Používá se jako pojivo při stavbě cihlových a kamenných zdí a k omítnutí stěn. Vyrábí se spalováním vápencové horniny a výsledkem je oxid vápenatý. Má vynikající vlastnosti pro omítnutí stěn, protože se snadno aplikuje a lze jej tvarovat do různých tvarů. Přispívá k udržování vlhkosti uvnitř budovy a reguluje teplotu. Pálené vápno se vyrábí při teplotách 1000 až 1250 °C.

Vápenné rozpínání betonu je komplexní jev, který ovlivňuje životnost a funkčnost betonových konstrukcí. Pochopení jeho mechanismů a vlivů je klíčové pro správný návrh, výrobu a údržbu betonu.

Co je beton a vápenné rozpínání?

Beton je kompozitní materiál připravený smísením cementu, kameniva a vody. 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.

Tvorba vápenných výkvětů je průvodním a přirozeným jevem zrání betonu, kterému nelze zcela zabránit. Jejich samovolné vymizení účinkem povětrnostních vlivů je dlouhodobější proces v řádech měsíců až let, podle daných podmínek. Jejich výskyt je vždy úzce spojen s vlhkostí. Vlhkost obsažená v jednotlivých dlažebních kamenech nebo betonových tvárnicích zdiva transportuje na povrch výrobku či konstrukce hydroxid vápenatý Ca(OH)2 vznikající hydratací oxidu vápenatého CaO obsaženého v cementu. Po odpaření této transportní vlhkosti z povrchu betonového výrobku a kontaktu hydroxidu vápenatého s oxidem uhličitým CO2 z ovzduší se vytváří povlaky kalcitu CaCO3 zpravidla bílého zabarvení. Tento původně těžce rozpustný kalcit vystavený povětrnostním vlivům po čase následně přechází v rozpustnou formu - hydrogenuhličitan vápenatý Ca(HCO3)2, který postupně samovolně vymizí. K tomuto dochází během výše uvedeného období několika měsíců až let. Zjednodušeně řečeno to trvá tak dlouho, dokud se všechen nevázaný hydroxid vápenatý nevyplaví z betonového výrobku ven.

Druhy cementů a jejich vliv

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. Použitím směsných cementů, nebo přídavek reaktivních příměsí do směsi pro výrobu betonu se obsah hydroxidu vápenatého, vzniklého při hydrataci cementu snižuje. 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.

Čtěte také: zajištění trvanlivosti vápenných omítek

Faktory ovlivňující degradaci betonu

Teplota

Vliv teploty na degradaci betonu lze zaznamenat již od cca 100 °C, kdy se rozkládá ettringit a začínají se rozkládat hydratované křemičitany a později hlinitany vápenaté. Po zahřátí betonu na 1000 °C je zbytková pevnost asi 10 %, vztaženo k 28denním pevnostem. Dochází až k úplné destrukci betonu, kdy se k porušení cementového tmelu přidá porušení méně stabilních druhů kameniva. Při nízkých teplotách beton nasycený vodou čelí krystalizačnímu tlaku ledu, který vznikne zmrznutím přítomné vody v pórech. Krystalizační tlak na stěny pórů v cementovém tmelu může být vyvolán krystalizací solí z roztoků.

Agresivní prostředí

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.

Karbonatace

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. Ve druhém stádiu reaguje CO2 s hydratovanými slínkovými minerály, vznikají různé modifikace CaCO3 (kalcit, vaterit, aragonit), ve velmi jemné formě zůstávají v pseudomorfózách po hydratačních produktech cementu. Ve třetím stádiu dochází k rekrystalizaci již vzniklého CaCO3 vlivem působení CO2 a vlhkosti. Reakcí CO2 s hydroxidem vápenatým se snižuje koncentrace OH− iontů v cementovém tmelu, a tím je korozí ohrožena ocelová výztuž.

Koroze kapalným agresivním prostředím

Korozi kapalným agresivním prostředím popsal Moskvin, který rozdělil korozní pochody v betonu do 3 skupin:

• Koroze I. druhu: Principem koroze I. druhu 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: Koroze II. druhu spočívá v tvorbě nerozpu-stných 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.
• Koroze III. druhu: 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, který tvoří dlouhé jehlicovité krystaly, mnohdy velmi masívní (sekundární ettringit).

Biologické působení

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.

Čtěte také: adopce psů z útulku Vápenná strouha

Alkáliové rozpínání

Nejzávažnější poškození kameniva lze spatřovat v alkáliovém rozpínání amorfních forem oxidu křemičitého (opály, chalcedony, silicity). Kyselina sírová reaguje se složkami cementového tmelu a navíc síran železitý hydrolyzuje za vzniku Fe(OH)3 a H2SO4.

Ochrana proti vápennému rozpínání a korozi

Možností, jak do jisté míry zamezit tvorbě vápenných výkvětů, je povrch dlažby či zídky opatřit ochranným nátěrem či nástřikem vhodným impregnačním prostředkem, kterých je na trhu celá řada. Funkčnost impregnace na dlažebním krytu je cca 2 až 3 roky, podle intenzity jeho užívání. Životnost ochranného efektu kvalitně aplikované impregnace na svislé konstrukci (zídce, plotu), která není mechanickým otěrem v takové míře namáhána, je případně delší (5 i více let). To vše za předpokladu správně provedeného (vyspádováného) podloží, kde se nezdržuje voda, resp. funkčně provedené hydroizolace v případě svislé konstrukce. Naimpregnovaný povrch odpuzuje vodu, resp. snižuje její pronikání do konstrukce, uzavírá transportní kapiláry v materiálu, zároveň však propouští molekulu vodní páry (vlhkost) z konstrukce ven. Je zde tedy předpoklad, že nebude docházet k vyplavování hydroxidu vápenatého kapilárami na povrch a opětovné tvorbě výkvětu. Před samotnou impregnací je nutné dlažbu očistit od prachových či jílových nečistot, případně od již vykrystalizovaných výkvětů. K očištění povrchu lze použít nejprve běžný kartáč s vodou, event. s přídavkem kuchyňského saponátu. Dále je možno použít tlakovou vodu nebo ocet na již vykrystalizované výkvěty. Pokud je vápenný výkvět intenzivnější formy a žádný z těchto postupů není uspokojivě účinný, doporučujeme použít čistič povrchu betonových výrobků. Jedná se o vodný roztok kyseliny mravenčí. Jedná se o agresivní přípravek, který nejenom rozrušuje strukturu výkvětů, ale také narušuje, resp. barevně „obnovuje a oživuje“ povrchové vrstvičky betonového výrobku. Zároveň také nepůsobí pozitivně na pevnostní strukturu betonu. Proto je nutno s tímto čisticím přípravkem pracovat obezřetně a opatrně v souladu s pokyny uvedenými v návodu a bezpečnostním listu výrobku.

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.

Normy ČSN EN 206 a doplňující ČSN P 73 2404 se zabývají stupni vlivu prostředí na degradaci betonu. Vlivy jsou rozděleny do 6 kategorií (XC, XD, XS, XF a XA) v normě ČSN EN 206, norma ČSN P 73 2404 rozšiřuje stupně vlivu prostředí o kategorii, týkající se poškození vlivem mechanického působení (XM). Chemické působení je definováno pro kapalné korozní prostředí, které představuje podzemní voda a vlhkost v rostlé zemině.

Vliv provzdušnění betonu

Vysoké teploty nad 400 °C ovlivňují neprovzdušněný i provzdušněný beton přibližně stejně, avšak teploty do 400 °C mají vliv výrazně odlišný. Pevnost neprovzdušněného betonu nejprve roste s rostoucí teplotou a až při teplotě okolo 200 °C začíná klesat, zatímco pevnost provzdušněného betonu s rostoucí teplotou klesá již od začátku. Toto rozdílné chování je způsobeno dvěma procesy probíhajícími v betonu - hydratací dříve nezhydratovaných zrn cementu a vypařováním vody -, k nimž dochází při teplotách do 300 °C. Dodatečná hydratace dříve nezhydratovaných zrn, která způsobuje nárůst pevnosti, je více dominantní v betonech s nízkou pórovitostí. Naopak vypařování vody, které způsobuje snížení pevnosti, je dominantnější a rychlejší v betonech, jejichž pórovitost je velká. V případě provzdušněného betonu, který má vyšší pórovitost, tedy dochází k výraznému a rychlému vypařování vody a pouze v malé míře k dodatečné hydrataci zrn, což má za následek rychlé snižování pevnosti s rostoucí teplotou. Při teplotách od 400 do 800 °C však dochází k dalším degradačním procesům ve struktuře betonu, například ke vzniku mikrotrhlin v cementové pastě, dekarbonataci cementu a zvětšení objemu kameniva jeho přechodem z α fáze do β fáze.

Čtěte také: Trvalý lesk sprchového koutu bez vodního kamene

Provzdušnění betonu snižuje tlakovou pevnost betonu běžné pevnosti při vystavení vysokým teplotám po delší dobu (cca 3 h). Po dlouhém vystavení vysokým teplotám je již téměř veškerá pára z betonu uvolněna, a proto zvýšená pórovitost provzdušněného betonu, která by za jiných podmínek snižovala vysoký pórový tlak, nepřináší žádný pozitivní efekt. Zvýšená pórovitost tedy působí pouze negativně - snižuje tlakovou pevnost betonu.

tags: #co #je #vápenné #rozpínání #betonu

Oblíbené příspěvky:

• jak upravit vnitřní a vnější omítky
• Hry od Milana Tesaře
• Jak na vlhký sklep
• Komplexní informace o Debbex Finish Tmelu na sádrokartony
• jakou stěrku použít na strop