Koroze a opravy železobetonových konstrukcí

Článek v časopise StroyPROFILE poskytuje stručný přehled metod opravy železobetonových konstrukcí poškozených korozí. Článek obsahuje informace o opravách a ochraně konstrukcí v podmínkách chloridové a sulfátové koroze, poškození betonu mrazem a koroze ocelové výztuže.

Beton a železobeton jsou trvanlivé materiály, pokud jsou vyrobeny správně a jsou stanovena ochranná opatření. V praxi se však často vyskytují případy chyb v návrhu, výběru materiálů, výběru složení, provádění technologického postupu. V některých případech se nezohledňují skutečné provozní podmínky konstrukcí. V důsledku zhoršení environmentální situace se betonové a železobetonové konstrukce mohou dostat do nepříznivých provozních podmínek, které projekt nepředpokládá. To vše vede k předčasnému poškození konstrukcí.

Otázka trvanlivosti železobetonových konstrukcí v budovách a stavbách je jednou z nejdůležitějších. Mnoho budov a staveb musí být používáno 100 a více let. V praxi se však často vyskytují případy, kdy je po omezené životnosti stav železobetonových konstrukcí hodnocen jako částečně provozuschopný, nepřijatelný nebo havarijní [1]. Důvody takového stavu konstrukcí jsou různé. Hlavní příčiny korozního poškození jsou dobře prozkoumány a odpovídající doporučení pro jejich prevenci jsou uvedena v regulačních dokumentech [2, 3]. Včasné poškození konstrukcí vyvolává potřebu jejich opravy.

Přibližně 50 let zkušeností s inspekcí budov a konstrukcí z betonu a železobetonu nám umožňuje identifikovat nejčastější případy poškození korozí. Lze uvést následující typické případy koroze betonu a železobetonu seřazené podle klesající četnosti:
– koroze ocelové výztuže v důsledku vystavení chloridovému prostředí,
– koroze ocelové výztuže v důsledku karbonatace betonu,
– destrukce betonu mrazem, včetně té, která je umocněna přítomností solí,
— poškození betonu v důsledku kapilární absorpce solných roztoků a odpařování.

Dále přicházejí na řadu méně časté případy koroze v kyselém a síranovém prostředí, poškození vnitřní korozí za přítomnosti škodlivých nečistot v plnivech, včetně alkalicky reagujících cementových a oxidových přísad, biologická koroze, elektrokoroze výztuže a další typy destrukce betonu a železobetonu.

Vliv chloridových roztoků na ocelovou výztuž v betonu je velmi nebezpečný. Když chloridové soli pronikají nebo jsou do betonu vpraveny, ztrácejí svůj pasivační účinek na ocelovou výztuž. Na povrchu oceli se rozvíjí elektrochemická koroze, která má za následek rozpouštění oceli za vzniku vrstvy korozních produktů (rzi). Vzniklé korozní produkty vyvíjejí tlak na ochrannou vrstvu betonu, která, protože nemá vysokou pevnost v tahu, je ničena. Četné domácí i zahraniční studie stanovily kritické množství chloridů v betonu, nad kterým hrozí riziko koroze výztuže. U konstrukcí s konvenční výztuží závisí kritické množství chloridů na druhu cementu a hustotě betonu. V mezinárodní praxi (evropské normy) jsou maximální přípustné hodnoty pro konstrukce s nenapjatou výztuží 0,5 % chloridových iontů z hmotnosti cementu a 0,1 % pro předpjaté konstrukce.

V praxi provozu železobetonových konstrukcí je známo mnoho případů poškození v důsledku koroze chloridy. V první řadě se jedná o konstrukce vystavené protinámrazovým činidlům, mořské vodě a technologickým produktům obsahujícím chloridy (kuchyňská sůl, chlorid draselný v minerálních hnojivech atd.). Železobetonové konstrukce, které jsou vystaveny výše uvedeným produktům (mostní konstrukce, povrchy vozovek a prvky silničního vybavení, sloupy osvětlení, podzemní konstrukce poškozené solemi pronikajícími do půdy, železobetonové konstrukce průmyslových podniků), podléhají destrukci.

S rozvojem technologie betonu v posledních desetiletích, s vývojem a širokým používáním účinných chemických přísad, se ukázalo být možné snížit propustnost betonu na úroveň, která odkládá okamžik akumulace kritického množství chloridů na povrchu výztuže na dlouhou dobu. Pomocí superplastifikátorů je možné snížit vodocementový poměr na úroveň vodocementového poměru cementové pasty normální konzistence. To umožňuje snížit propustnost betonu, odhadovanou hodnotou difuzního koeficientu, o 1–2 řády a dosáhnout hodnot řádově 10-9 cm²/s. Účinným prostředkem je použití modifikátorů obsahujících superplastifikátor a mikrooxid křemičitý. Získání betonu se stanovenou propustností umožnilo chránit konstrukce před chloridovou korozí bez použití dalších opatření v podobě impregnace, nátěrů a dalších sekundárních ochranných opatření [4].

Při vzniku chloridové koroze se „ošetření“ konstrukcí stává velmi obtížným. Účinným prostředkem je katodická ochrana. Tento typ ochrany je však technicky málo rozvinutý a jeho realizace je náročná na práci. Hlavní obtíží je nutnost zajistit přibližně stejnou hustotu katodického proudu po celém chráněném povrchu výztuže a udržovat ji po dlouhou dobu. Tato metoda se v některých případech používá i v zahraničí. Jednou z variant této metody je krátkodobé ošetření konstrukce katodickým proudem za účelem odstranění chloridů z betonu. V domácí praxi zahrnuje ochrana konstrukcí postižených chloridovou korozí odstranění betonu kontaminovaného chloridy, především ochranné vrstvy, odkrytí a očištění povrchu korodující výztuže od rzi a solí vysokotlakým vodním paprskem. V případě významného poškození výztuže korozí se výztuž vyztuží dalšími pruty. Poté se ochranná vrstva obnoví. V závislosti na konkrétní situaci je možné použít izolační nátěry na očištěný povrch ocelové výztuže a povrch betonu za výztuží. Po dokončení opravy se přijímají opatření k ochraně povrchu konstrukcí před chloridy (impregnace, nátěry).

V současné době stavební trh nabízí velké množství suchých směsí pro opravy, které mají zvýšenou přilnavost ke starému betonu, nesmršťují se a mají tixotropní vlastnosti nezbytné pro aplikaci směsí na povrch stěn a stropů. Některé směsi obsahují přísady – inhibitory koroze. Ochranné směsi se vyrábějí pro aplikaci na opravovanou ocelovou výztuž. Je možné použít kompozitní alkáliivzdornou (sklolaminát, čedič-plast) výztuž, která je odolná vůči chloridovému prostředí. Častým případem koroze ocelové výztuže je poškození v důsledku karbonizace ochranné vrstvy betonu [5]. Proces karbonizace spočívá v interakci oxidu uhličitého ve vzduchu s cementovým kamenem betonu, v důsledku čehož se snižuje alkalita betonu a ztrácí se pasivační účinek na ocelovou výztuž. Rychlost karbonizace závisí v rozhodující míře na propustnosti a tloušťce ochranné vrstvy betonu. Hromadné poškození konstrukcí z výše uvedeného důvodu je pozorováno při výrobě nízkokvalitního betonu se zvýšeným vodocementovým poměrem a v důsledku toho se zvýšenou propustností pro oxid uhličitý. Případy koroze v důsledku snížené tloušťky ochranné vrstvy (skrytá vada) jsou poměrně běžné.

Tomuto typu poškození železobetonových konstrukcí je poměrně snadné zabránit. Je nutné stanovit a skutečně zajistit tloušťku ochranné vrstvy a stupeň vodotěsnosti betonu, regulovaný SNiP 2.03.11-85. Beton stupňů vodotěsnosti W6 – W8 prakticky nekarbonizuje. Požadovaná tloušťka ochranné vrstvy je zajištěna instalací speciálních podložek nebo výztužných fixátorů vyrobených z polymerních materiálů nebo husté cemento-pískové malty.

Oprava poškozených konstrukcí je mnohem obtížnější. Při opravě by měla být odstraněna karbonizovaná vrstva betonu. Pokud hloubka karbonizace přesahuje tloušťku ochranné vrstvy, měl by být beton odstraněn, a to i za výztuží. Poté se mechanicky (ruční odstranění rzi ocelovým kartáčem nestačí) výztuž očistí od rzi, v případě potřeby se výztuž vyztuží a ochranný beton se obnoví. Obvykle se používají opravné hmoty, které mají po vytvrzení nízkou propustnost, což eliminuje opětovnou karbonizaci ochranné vrstvy. V opravárenské praxi se začalo používat vyztužování železobetonových konstrukcí vnější výztuží pomocí lepených uhlíkových desek nebo instalace uhlíkového laminátu do speciálně vyrobených drážek.

Destrukce betonu mrazem. Tento typ poškození je poměrně běžný, zejména v mnoha případech, kdy je beton systematicky vystaven vodě nebo solným roztokům a mrazu. Hromadné poškození je známo u silničních a chodníkových desek, obrubníků, různých typů plotů, podpěr, balkonových desek, pilířových konstrukcí, prvků vodních konstrukcí – zdymadel, konstrukcí vodních elektráren, mostů a dalších staveb. Destrukce betonu mrazem se mnohonásobně urychluje, pokud voda, která jej nasycuje, obsahuje rozpuštěné soli. Případy předčasného poškození železobetonových prvků mostů kombinovaným účinkem protinámrazových činidel a mrazu jsou všeobecně známé. Podle zahraničních médií jsou škody způsobené používáním protinámrazových činidel takové, že náklady na opravy mostů na federálních dálnicích ve Spojených státech se odhadují na 100 miliard dolarů.

Významné poškození železobetonových mostních konstrukcí je pozorováno i u nás.

V různých ruských městech bylo pozorováno předčasné ničení vozovek, chodníků a obrubníků. V tisku lze nalézt informace, že až 70 % železobetonových sloupů osvětlení, které byly vystaveny postřiku roztoky solí z povrchu vozovky, má vážné poškození betonu a výztuže.

Prozkoumání poškozených konstrukcí ukázalo, že mrazuvzdornost betonu v nich byla zpravidla značně podhodnocena. Typickou chybou je přiřazení stupně mrazuvzdornosti betonu bez specifikace zkušební metody. Faktem je, že u betonových vozovek silnic a letišť vystavených protinámrazovým solím norma GOST 10060 [6] předepisuje zkoušení betonu v solném roztoku (5% NaCl) druhou metodou (zmrazování při teplotě -20 °C) nebo zrychlenou třetí metodou (zmrazování při teplotě -0 °C). Zkoušení ostatních betonů se provádí zmrazováním ve vodě. Skutečná mrazuvzdornost betonu, který prošel zkouškami podle první metody GOST 50 ve vodě a má stupeň mrazuvzdornosti F0, je 10060krát nižší než mrazuvzdornost betonu, který prošel zkouškami podle druhé metody (v solném roztoku) a formálně má také stupeň F200. Přítomnost solí v prostředí během zmrazování betonu výrazně urychluje destrukci betonu. Beton pro silniční a dlažební desky, obrubníky by měl být zkoušen podle druhé nebo zrychlené třetí metody GOST 4. Pro získání betonů s vysokou mrazuvzdorností je nutné použít komplex plastifikačních a provzdušňovacích (mikroplynotvorných) přísad. Zkušenosti s vývojem betonu ukazují, že betony pro vozovky s mrazuvzdorností F200 lze získat pouze pečlivým výběrem výchozích materiálů (cementy, plniva, přísady) a vývojem technologie s povinnou kontrolou dosažené mrazuvzdornosti.

Beton konstrukcí musí splňovat požadavky na mrazuvzdornost pro specifické provozní podmínky. Možnost výroby betonů s velmi vysokou mrazuvzdorností dokládají pozitivní zkušenosti s použitím speciálně vyvinutých betonů pro výstavbu přílivové elektrárny v Barentsově moři [7]. Po 40 letech provozu v drsných podmínkách arktického pobřeží v nejobtížnější přílivové zóně, po přibližně 16 tisících cyklech mrazuvzdornosti v mořské vodě, jsou železobetonové konstrukce konstrukce v dobrém stavu. Beton měl návrhovou třídu pevnosti 400 a třídu mrazuvzdornosti F1000. Při poslední inspekci v roce 2006 byla pevnost v obušku nejméně 70 MPa. Beton s modifikátorem, vyvinutý v našem ústavu a testovaný na plošině v Barentsově moři, má vysokou odolnost v podmínkách severu. Vývoj a použití betonů s modifikátory prakticky vyřešilo problém mrazuvzdornosti podpěr obytných budov s foukaným podzemím na permafrostu v Jakutsku.

Oprava konstrukcí vystavených mrazovému poškození je obtížná. F. I. Ivanov ukázal, že při malém stupni poškození betonu mrazem je v teplém období roku možné samoopravení mikrotrhlin a obnovení pevnosti. Při vzniku makrotrhlin je však spontánní obnovení pevnosti betonu nemožné. V některých případech lze beton zpevnit impregnací monomery s nízkou viskozitou s následnou polymerací (metoda impregnace byla také vyvinuta naším ústavem). Je však třeba mít na paměti, že jakýkoli izolační nátěr (nebo impregnace) aplikovaný na beton ze strany mrazu může způsobit zrychlenou destrukci betonu. Při ochlazování dochází v betonu k termodifuznímu toku vlhkosti směrem k nejchladnější zóně. Pod parozábranným nátěrem může množství vlhkosti v betonu dosáhnout kritické úrovně (stupeň vyplnění pórů je více než 90 %), což způsobuje zrychlenou destrukci betonu během mrazu. V případě hlubokého poškození betonu by měly být tenkostěnné konstrukce vyměněny. U masivních konstrukcí je možné poškozenou vrstvu odstranit a nahradit ji novým mrazuvzdorným betonem. V tomto případě je nová vrstva ukotvena ke starému betonu konstrukce pomocí dodatečně instalované výztuže.

K poškození betonu v důsledku kapilární absorpce solných roztoků a odpařování dochází se zvýšeným obsahem soli ve vodě absorbované betonem a je typické pro jižní oblasti s horkým podnebím a zasolenými půdami, stejně jako v budovách výrobních zařízení používajících soli. Metody ochrany konstrukcí v těchto podmínkách upravuje SNiP 2.03.11-85. Účinným prostředkem ochrany je použití vodoodpudivých přísad. Rychlost procesu se prudce zpomalí, pokud zavedení komplexních přísad (změkčovadlo + vodoodpudivá přísada) umožní snížit koeficient kapilární absorpce na hodnotu 0,02 g/cm2h0,5 nebo méně.

Oprava poškozených konstrukcí zahrnuje odstranění poškozeného betonu a jeho nahrazení novým hutným betonem. Jsou přijata opatření k zabránění další absorpci solného roztoku – hydroizolace, která zastaví tok roztoku do konstrukce.

V kyselém prostředí je beton na portlandském cementu zásadně nestabilní. Při pH=4 a nižším se ničí. Zvýšení vodotěsnosti betonu na stupeň W20 významně nezvyšuje jeho korozní odolnost v kyselinách. V síranovém prostředí se korozní odolnost betonu výrazně zvyšuje použitím vodoredukčních a minerálních přísad [4]. Relevantní informace jsou k dispozici v návrhu GOST „Ochrana betonových a železobetonových konstrukcí před korozí. Technické podmínky“, na kterém se práce právě dokončují. Oprava betonu poškozeného v kyselém a síranovém prostředí spočívá v odstranění zničené vrstvy a obnovení konstrukce do původních rozměrů.

Při výběru materiálů pro přípravu betonu je třeba věnovat pozornost kvalitě plniva, včetně obsahu alkalicky reagujících hornin a minerálů. Plniva obsahující tyto složky mohou způsobit tzv. vnitřní korozi betonu. Proces vnitřní koroze spočívá v tom, že reaktivní složky plniva vstupují do chemické interakce s alkáliemi cementu a chemickými přísadami, při kontaktu s cementovým kamenem a v mikrotrhlinách zrn plniva vytvářejí viskózní silikátový gel a vytvářením vnitřního tlaku vedou k praskání betonu. Proces se vyvíjí pomalu, ale vede k úplné destrukci betonu. Tento typ poškození betonu byl pozorován u různých konstrukcí: základových konstrukcí, železničních pražců, vodních elektráren a dalších konstrukcí a zařízení. Charakteristika procesu je popsána v [8, 9]. Ochrana proti vnitřní korozi spočívá v omezení obsahu alkálií v betonu pomocí minerálních přísad [2, 10]. Byly vyvinuty metody pro testování reaktivity plniv s alkáliemi [11].

Beton, který byl vystaven vnitřní korozi, je prakticky nemožné obnovit. Proces lze zastavit pouze vysušením betonu a jeho následným udržováním v suchém stavu. Byly učiněny pokusy o zastavení procesu koroze impregnací betonu lithnými solemi [12]. Technologie pro takovou ochranu však dosud nebyla ve stavebnictví zavedena.

Literatura
1. SP 13-102-2003 „Pravidla pro kontrolu nosných stavebních konstrukcí budov a staveb“.
2. SNiP 2.03.11-85 „Ochrana stavebních konstrukcí před korozí“.
3. MGSN 2.09-03 „Ochrana betonových a železobetonových konstrukcí dopravních zařízení proti korozi“.
4. Rosenthal N.K. „Korozní odolnost cementobetonů s nízkou a velmi nízkou propustností“. – M.: FSUE CPP, 2006.
5. Alekseev S. N., Rosenthal N. K. „Odolnost železobetonových konstrukcí proti korozi v agresivním průmyslovém prostředí.“ – M.: Stroyizdat, 1976.
6. GOST 10060.0 — GOST 10060.2 „Beton. Metody pro stanovení mrazuvzdornosti“.
7. Usačev I. N., Rosenthal N. K. „Trvanlivé betony v přílivové zóně arktického pobřeží Ruska“. // „Beton a železobeton“, č. 5, 2008, s. 18–22.
8. Moskvin V. M., Rojak G. S. „Koroze betonu působením cementových alkálií na křemičité plnivo“. – M.: Gosstrojizdat, 1962.
9. Alekseev S. N., Ivanov F. M., Modry S., Schissl P. „Trvanlivost železobetonu v agresivním prostředí“. – M.: Strojizdat, 1990.
10. Rosenthal N.K. „Ochrana betonu před vnitřní korozí“. // „Kvalita výstavby“, č. 2, 2008, s. 56–59.
11. GOST 8269.0-97 „Drcený kámen a štěrk z hustých hornin a průmyslového odpadu pro stavební práce. Metody fyzikálního a mechanického zkoušení.“
12. Rosenthal N.K., Čechnij G.V., Ljubarská G.V., Rosenthal A.N. „Ochrana betonu s reaktivním plnivem před vnitřní korozí lithnými solemi“. // „Stavební materiály“ (v tisku).

Upozornění: Publikace je archivní a v tuto chvíli nemusí být spolehlivá.