Extrémní podmínky, mimořádné návrhové situace
ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí http://jorgensoncompanies.com/blog/wpcontent/uploads/2013/12/hazard-poison-radioactive.jpg Profimedia.cz www.chemheritage.org Hurikán Isaac - Data GRIB http://www.ecommcode.com/hoover/hooveronline/hoover_dam/const/read/014r.jpg http://www.cleanclothes.org/issues/faq-safety-accord/leadImage/image_view_fullscreen AP Photo/Itsuo Inouy
Beton v extrémních podmínkách
Extrémní podmínky, mimořádné návrhové situace • • •
• • • •
2
Chemicky agresivní prostředí Vlhkost, vysoká salinita Enormní účinky klimatických jevů – vysoká teplota – nízká teplota – cyklické změny teploty – vítr, bouře, tropická cyklóna, tsunami Seismicita (technická, přírodní) Sesuvy půdy, propady podloží Požár, výbuch Působení jaderného záření
Extrémní podmínky, mimořádné návrhové situace Kombinace zatížení pro mimořádnou návrhovou situaci dle ČSN EN 1990
{
Ed = E Gk,j ; P; Ad ; ( ψ1,1 nebo ψ 2,1 ) ⋅ Qk,1; ψ 2,i ⋅ Qk,i Gk,j P Ad ψ1 ψ2 Qk,1 Qk,i 3
}
j ≥ 1; i > 1
… charakteristická hodnota j-tého stálého zatížení … příslušná reprezentativní hodnota zatížení od předpětí … návrhová hodnota mimořádného zatížení … součinitel pro častou hodnotu proměnného zatížení … součinitel pro kvazistálou hodnotu proměnného zatížení … charakteristická hodnota hlavního proměnného zatížení … charakteristická hodnota i-tého proměnného zatížení
www.chemheritage.org
Beton v extrémních podmínkách Chemicky agresivní prostředí
ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí
Úvod • Chemické složení cementu (betonu) • Hydratace cementu, struktura cementového kamene • Druhy koroze a jejich popis • Návrhové přístupy pro chemicky agresivní prostředí • Diagnostika a sanace betonové konstrukce 5
Chemické složení cementu • •
Základní suroviny (CaCO ( 3, SiO2, Al2O3, Fe2O3…) Výroba
1450 °C –slinutí!!!
převzato z geologie.vsb.cz/loziska/suroviny/
6
Složení slínku (clinker): Minerální fáze
Vzorec
Technická fáze
Obsah (%)
Hydratace
Trikalciumsilikát
C3S
Alit
37-75
rychlá
Dikalciumsilikát
C2S
Belit
5-40
střední
Trikalciumaluminát
C3A
Amorfní fáze
3-15
velmi rychlá
Tetrakalciumaluminoferit
C4AF
Celit
9-14
rychlá
Oxid vápenatý
CaO
Volné vápno
<4
pomalá
Oxid hořečnatý
MgO
Periklas
<6
pomalá
Převzato z Materiálové inženýrství, skriptum ČVUT
Základní druhy cementu (dle ČSN EN 197-1) •CEM I-Portlandský cement - slínek+max. 5% jiných složek •CEM II-Portlandský cement směsný - slínek+max. 35% jiných složek •CEM III-Vysokopecní cement - slínek+vysokopecní struska •CEM IV-Pucolánový cement - slínek+max. 55% pucolánů •CEM V-Směsný cement - slínek+struska, popílek, pucolány
Další značení •Pevnost 28 dnů (32,5, 42,5, 52,5 MPa) •Rychlost hydratace (N, R) 7
Hydratace cementu 1. Perioda-indukční 2. Perioda-přechod hydratačních produktů do tuhého skupenství 3. Perioda-vznik stabilní struktury cementové pasty 1.Perioda-indukční (1÷2 hod.) – Téměř okamžitě reaguje C3S, později C3A s Ca(SO)4 ve slínku – Pevnost okolo 100 kPa 2(3CaO.SiO2)+6H2O→3CaO.SiO2. 3H2O + 3Ca(OH)2 (hydrosilikátový gel) (portlandit) 3CaO.Al2O3+3(CaSO4.2H2O)+26H2O→3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (ettringit) 3CaO.Al2O3+CaSO4.2H2O+10H2O→3CaO.Al2O3.3CaSO4.12H2O (monosulfát) (vzniká při menším množství Ca(SO)4) 8
II.Perioda (od 1 hod. do 24 hod.) – Pokračující hydratace C3S, – Hydratace C4AF – Prorůstání zrn – vytváření mikrostruktury cementového kamene – Pevnost od 1-20 MPa
III.Perioda (od 24.hod do 28 dní až do ∞) – Vytvoření stabilní struktury cementového kamene – Rekrystalizace → Ettringit přechází na monosulfát, tvorba C-S-H gelů – Hydratace dosud nezhydratovaných částí – Hydratace C2S 2(2CaO.SiO2)+4H2O→3CaO.2SiO2+ 3H2O + Ca(OH)2 (portlandit) – Další dozrávání betonu záleží na vnějších podmínkách prostředí (vlhkost, teplota…)
9
Struktura ztvrdlého cementového kamene
(mikro)
• Kalcium silikát hydrát (neboli C-S-H gel) 50-60% objemu hydratovaného cementu a jsou tedy nositeli hlavních vlastností ztvrdlého cementu. Jsou to produkty hydratace C3S a C2S • Kalcium hydroxid (CH-portlandit) 20-25% objemu pevné fáze. Tvoří hexagonální krystaly. Je z velké části odpovědný za nepříznivý vliv na chemickou odolnost betonu (např. karbonatace) • Kalcium sulfoaluminát (C-S-A-H gely) 15-25% objemu tmele. V počátku tvrdnutí jsou zdrojem formy ettringitu, který se posléze mění na monosulfát. Jeho přítomnost má za následek sníženou odolnost v prostředí bohatém na sírany • Nezhydratovaná cementová zrna ovlivněno vodním součinitelem betonu, kamenivem a velikostí cementových zrn, čili jemnosti mletí cementu 10
SCHEMATICKÉ ZNÁZORNĚNÍ HYDRATOVANÉHO ZRNA CEMENTU: 1 – nehydratovaný zbytek 2 – vnitřní C-S-H hydrát 3 – vnější C-S-H hydrát 4 – dendritické krystalky portlanditu 5 – hranice zrna na počátku hydratace převzato z geologie.vsb.cz/loziska/suroviny/
11
Korozivní procesy v betonu Koroze prvního druhu • vlivem hladových podzemních vod vyluhování pojivových složek betonu Ca(OH)2 • snižování pH betonu → koroze ocelové výztuže • ohrožuje vodní a podzemní stavby 2. Koroze druhého druhu • reakce mezi složkami cementového tmelu a agresivním roztokem, vznik lehce rozpustných produktů 1.
12
•
kyselinová koroze, karbonatace, alkalické rozpínání a hořečnaté rozpínání
3. •
Koroze třetího druhu v pórech cementového krystalizují málo rozpustné produkty (vetší objem) → krystalizační
•
síranová, solná koroze
Kyselinová koroze – Reakce s kyselinou dusičnou: Ca(OH)2+2HNO3→Ca(NO3)2+2H2O→Ca(NO3)2.2(4)H2O Po odpaření vody tvoří dusičnan vápenatý výkvěty ve formě hydrátů
– Kyselina dusičná může ve slabé koncentraci vznikat v městském prostředí , kde je dostatek NOx (výfukové plyny). Nebo v provozech, kde se pracuje s dusičnany (zemědělství, sklady hnojiv).
– Reakce s kyselinou chlorovodíkovou: Ca(OH)2+2HCl+H2O →CaCl2+2H2O Podobným schématem reagují s betonem i další kyseliny, ať už organické či anorganické. 13
Karbonatace je nebezpečná zejména z důvodu snižování pH betonu a tím může dojít k depasivaci výztuže Vlivy ovlivňující rychlost karbonatace: • vliv okolního prostředí (vlhkost) – největší při Φ=50% • permeabilita betonu (prostupnost pro vodní páru)
převzato z http://thehelpfulengineer.com/index.php/2010/10/carbonation-of-concrete-corrosion/
14
Karbonatační cyklus betonu lze rozdělit do několika etap (4): 1.Etapa:
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O (kalcit) kalcit krystalizuje v pórech, ve kterých je zatím místo. Pozitivní účinek na pevnost i nepropustnost betonu. Ale nikoliv na hodnotu pH, které se se snižující koncentrací Ca(OH)2 také snižuje. 2.Etapa: Snížení koncentrace Ca(OH)2 → snižování pH (podobné jako etapa 1.) 3.Etapa:
CaCO3 ↔ CaCO3 (kalcit) (aragonitu) překrystalování → větší krystaly → narušování struktury betonu 4.Etapa: krystaly aragonitu a zejména kalcitu (větší krystaly) prostupují celou strukturu betonu. Dochází ke ztrátě pevnosti betonu a soudržnosti betonu s výztuží. 15
V rámci pozdějších fází karbonatace jsou C-S-H a C-A-H gely také napadány oxidem uhličitým za přítomnosti vody. Nicméně ne v takovém měřítku jako portlandit, protože jejich struktura je stálejší. CxSyHz+CO2+H2O→CaCO3 CxAyHz+CO2+H2O→CaCO3 Je rozdíl mezi karbonatací, která probíhá v atmosférických podmínkách a karbonatací, která je způsobená agresivním vodním prostředím → krasové jevy CaCO3+H2O+CO2↔Ca2++2HCO3Jedná se rovnovážný proces. Jakmile poklesne koncentrace CO2 nebo prostředí vyschne, vznikne opět CaCO3.
16
režim proudění agresivní vody: –vody stojaté→tenká vrstva CaCO3 ,(uvaření povrchu betonu) k dalšímu procesu karbonatace už nemusí docházet. –vody proudící → vyluhování minerálů (degradace)
Vápenaté, hořečnaté, alkáliové rozpínání (dedolomitizace), síranové rozpínání Princip - v cementovém kameni se nachází „nečistoty“, které při kontaktu s vodou nebo vlhkostí začínají zvětšovat svůj objem a tím narušovat strukturu matrice. Vápenaté rozpínání: CaO+H2O→Ca(OH)2 stejné jako při hydratačním procesu. Nicméně pokud tato reakce začne probíhat v již vytvrdlém betonu, má negativní účinek (krystalizační tlaky). (neúspěšná, neúplná hydratace) Hořečnaté rozpínání: MgO+H2O→Mg(OH)2 Podobná reakce jako vápenaté rozpínání. Tato reakce nastává pokud je v cementu obsaženo více jak 6% MgO. Což dle normy (ČSN EN 197-1) o výrobě cementu není přípustné. Nicméně může nastat situace, kdy se třeba hořečnaté vápno dostane do betonu společně s kamenivem. 17
Alkáliové rozpínaní (dedolomitizace): CaMg(CO3)2+2NaOH→CaCO3+Na2CO3+Mg(OH)2 Při použití dolomitického kameniva (dolomitické vápence). Použití tohoto druhu kameniva je striktně limitováno! Síranové rozpínání: 3CaO.Al2O3+3(CaSO4.2H2O)+26H2O→3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O
(ettringit) Použité kamenivo obsahuje sádrovec. Proniknutím vlhkosti do materiálu dochází k expansivní reakci kdy vzniká ettringit.
18
Alkalicko křemičitá reakce (alkali-silica reaction, ASR)
Nastane-li, není možné ji nijak zastavit ani sanovat… Reakce mezi reaktivními částicemi SiO2 obsažených v kamenivu a alkalickými roztoky v betonu Pro nastartování reakce je tedy potřeba těchto podmínek: –Vysoká vlhkost –Reaktivní forma SiO2 (společně s kamenivem) –Vyšší obsah alkálií v betonu SiO2 reaguje s NaOH a KOH → „alkalicko křemičitý gel“ Gel přijímá vodu a bobtná →tlaky →trhliny na kontaktní zóně mezi zrny kameniva obsahujících SiO2. Trhliny se postupně prokreslují na povrch konstrukce. Z povrchových trhlinek může vyvěrat průhledný nebo mléčný gel. Prevence: –používání kvalitního kameniva bez reaktivního SiO2 –používání nízkoalkalických cementů. –Použití příměsí (popílek, mikrosilika, struska). Přednostně reagují při hydrataci s hydroxidy, které by jinak reagovaly s SiO2. 19
převzato z http://www.bam.de (Typical map cracking in a concrete damaged by alkali silica reaction (ASR)) 20
–
Síranová koroze
nejčastějším rizikem pro spodní betonovou stavbu (jílové minerály, chem. provoz-podzemní voda) – Soli Na2SO4, NH4SO4, MgSO4 → SO42Mechanismus síranové koroze : 1. Tvorba sádrovce Ca(OH)2+ SO42-→Ca(SO4).2H2O (sádrovec)+2OHCaCO3+H2SO4+H2O→CaSO4.2H2O (sádrovec)+CO2 Sádrovec samotný už narušuje strukturu betonu, protože jeho objem je větší než objem Ca(OH)2 (cca o 17%) 2.
21
Reakce sádrovce s trikalciumaluminátem (C3A): 3CaO.Al2O3+3(CaSO4.2H2O)+ 26H2O→3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (ettringit) Ettringit má objem zhruba 2,65x větší než objem původních složek → obrovské krystalizačními tlaky Ochrana : – Zabránit styku agresivních vod s povrchem betonu – Používat cementy s nízkým obsahem C3A (pokud je C3A v cementu obsaženo do 5%, tak se cement nazývá síranuvzdorný) – Přidat pucolánově aktivní složky (popílek, struska, mikrosilika). Tyto příměsi primárně reagují s Ca(OH)2 a tedy nevzniká tolik sádrovce – Hutný beton s nízkou permeabilitou (snížení w/c)
Solná koroze – mořská voda – chemické rozmrazovací látky (CHRL), roztoky NaCl a CaCl2 Reakce s C-A-H gely na Fridelovu sůl: 3CaO.Al2O3. CaCl2.10H2O velký objem → krystalizačními tlaky Koroze kovové výztuže Prevence: – snížení obsahu Ca(OH)2 (pucolány)
22
Foto : SPOLANA 23
Foto : SPOLANA 24
Foto : SPOLANA 25
Foto : SPOLANA 26
Foto : SPOLANA 27
Navrhování konstrukcí pro agresivní prostředí „Správně navržená betonová konstrukce pro agresivní chemické prostředí se považuje za trvanlivou, pokud je schopna po celý navrhovaný čas plnit svoji funkci bez většího sanačního zásahu“ Způsoby degradace (shrnutí): –vlivem vnějšího prostředí (povrchová degradace) –uvnitř své struktury (vnitřní degradace) –kombinací obou. povrchové degradace → kvalita povrchu betonu, jeho povrchová úprava, tloušťka betonové krycí vrstvy-koroze, požár Vnitřní degradace → špatné složení betonu nebo neodpovídající návrh pro dané prostředí, kvalita povrchu betonu (pokud se agresivní látky z vnějšího prostředí nedostanou do vnitřní struktury betonu, nedojde k nastartování chemických reakcí) permeabilita betonu (odolnost proti prostupu kapalin nebo plynů)
28
zejména ovlivněna cementovou pastou (pórovitost) –Nízký vodní součinitel (OBR) –Typ a mletí cementu (síranuvzdorný cement) –Přísady, příměsi (popílek, plastifikátory) –Ošetřování betonu (smršťování) –Nátěry
Spodní stavba režim spodní vody: –Trvale vlhké (HPV nachází pod základovou spárou-vzlínání) –Střídavě vlhké/suché (HPV kolísá, zvyšování koncentrace látek během času-krystalizace, –Tlaková voda-v klidu (HPV nad ZS, hydrostatický tlak vodylepší pronikání agresivních látek do hloubky betonu –Talková voda-proudící (HPV nad ZS, vyplavování složek betonu)
29
ČSN EN 206-1, Změna Z3. Beton-Část 1:Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda –
Definice chemické agresivity prostředí dle koncentrací látek (hydrogeologický průzkum)
převzato z „Průvodce betonářskou normou ČSN EN 206-1 Změna Z3“ 30
Hrubý návrh betonové směsi na základě stupně vlivu prostředí
31
převzato z „Průvodce betonářskou normou ČSN EN 206-1 Změna Z3“
Diagnostika a sanace betonových konstrukcí zjištění hloubky karbonatace –vývrt z konstrukce → roztok fenoftaleinu (1%-ní roztok) zbarví do fialova (pH betonu vyšší jak 9,5) Pokud je pH nižší, roztok se nezabarví → koroze výztuže Zkarbonatovaná část (nízké pH)
Bez karbonatace (vyšší pH)
převzato z http://pavemaintenance.wikispaces.com/Carbonation+of+Concrete+-+Dahee
Ostatní druhy koroze → z chemických analýz, kdy se z konstrukce vybere reprezentativní vzorek a ten je následně zkoumán na přítomnost agresivních chemických látek v laboratoři. 32
Sanace povrchové koroze narušení do malých tlouštěk konstrukce (bez vlivu na výztuž) –mechanické očištění povrchu (otryskání pískem, tlakovou vodou nebo různými vibračními nástroji-mikrotrhliny) –nanese adhezní vrstva (např. na bázi epoxidové pryskyřice) a provede se nový povrch z cementové malty nebo betonu s jemnou frakcí kameniva –na již vyspravený a vyzrálý povrch konstrukce je možné nanést nátěr, který je difúzně nepropustný pro CO2 nebo jiné plyny.
33
Sanace hloubkové koroze čili takové, která už má i za následek korozi výztuže –mechanické očištění povrchu (otryskání pískem, tlakovou vodou nebo různými vibračními nástroji-mikrotrhliny) –Odstranění korozí narušené výztuže nebo očištění již zkorodované výztuže (pokud je ještě co očistit). Přidání nové výztuže → vhodné opatřit konzervačním nátěrem (pozor na snížení soudržnosti!!) popř. použít výztuž nekovovou (skelnou, uhlíkovou). –Na očištěný povrch se nanese adhezní vrstva (např. na bázi epoxidové pryskyřice) a provede se nový povrch z cementové malty nebo betonu s jemnou frakcí kameniva –Na již vyspravený a vyzrálý povrch konstrukce je možné nanést nátěr, který je difúzně nepropustný pro CO2 nebo jiné plyny.
34
1. 2. 3. 4. 5. 6. 35
Difúzně nepropustný nátěr Hranice sanované oblasti („zdravý“ beton) Stávající zkorodovaná výztuž-výměna, či zbavení koroze Nová výztužná síť Nová vrstva betonu, sanační hmoty Vytvoření adhezního můstku pomocí epoxy. pryskyřice
36
Seznam použitých zdrojů : Literatura: [1] PAVLÍKOVÁ M. ; PAVLÍK Z. ; HOŠEK J.: Materiálové inženýrství I. Praha. ČVUT skripta, 2011. ISBN 978-80-01-04932-7 [2] NEVILLE, A.M.: Properties of Concrete. Paerson Education Limited, Edinburgh 2003.ISBN 0-582-23070-5. [3] DHIR, R.K.; McCARTHY, M.J.; NEWLANDS, M.D. : Concrete for extreme conditions. London: Thomas Telford. 2002. ISBN 0-7277-3178-5. [4] WITZANY, J; ČEJKA T.; WASSERBAUER, R; ZIGLER, R. : PDR-poruchy, degradace, rekonstrukce. Praha. ČVUT skripta, 2010. ISBN 978-80-01-04488-9. [5] JIRÁSEK, J., VAVRO, M. : Nerostné suroviny a jejich využití. Ostrava: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR & Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava, 2008. ISBN 978-80-248-1378-3
Normy: [1] ČSN EN 1992-1-1 Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí-Část 11: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Praha: ČNI 2006 [2] ČSN EN 197-1: Cement - Část 1: Složení, specifikace a kritéria shody cementů pro obecné použití. Praha: ČNI 2001 [3] ČSN EN 206-1Změna Z3: Beton - Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Praha: ČNI 2008 37
Připomínky a návrhy k prezentaci zasílejte prosím na
[email protected] Materiál slouží pouze pro studijní a výukové účely v rámci předmětů vyučovaných na Fakultě stavební ČVUT v Praze!
Materiál vznikl za podpory z Fondu rozvoje vysokých škol v rámci projektu 1283/2013/B1/b Tvorba předmětu Betonové konstrukce v extrémních návrhových situacích.
© Michal Hora, Radek Štefan 2013 38
