2.4 Koroze a degradace stavebních materiálů

2.4 Koroze a degradace stavebních materiálů Petr Kotlík, Kateřina Doubravová, Ústav chemické technologie restaurování památek V úvodu této kapitoly je třeba zdůraznit, že k poškozování a degradaci stavebních materiálů dochází zejména na špatně provedených, příp. špatně udržovaných stavbách. V takovém případě ani velmi kvalitní materiál neodolá působení degradačních vlivů. Stavební materiály (zatvrdlé vápenné a cementové malty a omítky, sádrové či vápenné štuky, kámen, cihly střešní krytina apod.) jsou poškozovány působením fyzikálních a chemických dějů. Tyto pochody mohou být důsledkem působení povětrnosti, znečištěného prostředí, vzlínající vody obsahující soli v ní rozpuštěné, mohou být důsledkem nevhodného stavebního zásahu, špatného výběru materiálu či některé z jeho složek, případně jeho špatným technologickým zpracováním. Vzhledem k tomu, že stavební materiály jsou většinou heterogenní systémy, je důležité sledovat nejen poškození hmoty jako celku, ale i poškození jejích jednotlivých složek. 2.4.1 Rozdělení korozních a degradačních procesů Příčiny degradace stavebních materiálů (přírodních i umělých) je možno pro přehlednost rozdělit do tří hlavních skupin. •

Fyzikální degradace Mezi fyzikální degradační děje řadíme takové, při nichž je materiál vystaven různým

silám a tlakům (vně i uvnitř), jež poškozují jeho fyzikální strukturu. Vznik těchto sil nejčastěji souvisí se změnami teploty, působením vody a vodných roztoků solí, vznikem nových minerálů, mechanickými vibracemi a oděrem povrchu. •

Chemická degradace (koroze) Do této skupiny zahrnujeme děje, při nichž se mění chemické složení materiálu nebo

některé jeho složky reakcí s okolím (s vodou, s nečistotami z atmosféry nebo ze vzlínající vody, s metabolickými produkty živých organismů, při nevhodném konzervátorském zásahu apod.). Výsledkem probíhající chemické koroze je zpravidla změna barvy, objemu, především ale zvýšení rozpustnosti napadené složky. •

Biologická degradace (biodegradace, biokoroze) Pod tento pojem se zahrnují degradační procesy vyvolané či podmíněné působením

živých organismů. Jejich působení se však ve své podstatě projevuje jako fyzikální degradace (např. vrůstání kořenů nebo houbových vláken do substrátu) nebo chemická koroze (rozpouštění substrátu „lišejníkovými“ kyselinami apod.), tzn. vznikem tlaků, působících na materiál nebo chemickou přeměnou některé ze složek. 2 Koroze a degradace anorganických nekovových materiálů

50

Tabulka 2.4.1 Hlavní příčiny poškození stavebních materiálů Klimatické • teplota vlivy • vlhkost vzduchu, srážková voda • znečišťující látky v ovzduší Další faktory • voda – vzlínající, technologická • soli rozpustné ve vodě obsažené v původním materiálu, vzlínající z podloží, vznikající při chemických korozních dějích, soli jako důsledek nevhodného čištění apod. • působení živých organismů v závislosti na klimatických podmínkách a druhu stavebního materiálu • nevhodná poloha stavebního prvku, mechanické vlivy prostředí • nevhodný druh stavebního materiálu a jeho zpracování, nevhodná kombinace materiálů, v případě kamene nevhodný způsob těžby a opracování V reálné praxi samozřejmě nepůsobí jednotlivé procesy izolovaně, ale probíhají současně a navzájem se podporují. Navíc výsledky jednoho typu degradačního působení mohou podporovat průběh jiného. Např. pokud dojde u kamene, omítky, štuku, cihly apod. k fyzikálnímu poškození a ke vzniku prasklin, je materiál náchylnější i k chemickému ataku např. kyselým deštěm. A naopak, pokud má např. produkt korozních reakcí větší objem, dochází k poškození struktury materiálu silami doprovázejícími tyto objemové změny. Jestliže je výsledný produkt korozních reakcí rozpustnější, může docházet k jeho odplavování, a tak ke zvětšení pórovitosti materiálu. Pokud zdivo obsahuje hygroskopické soli, zůstává trvale provlhlé, což urychluje hydrolýzu k vodě citlivých složek (cihly, pálená krytina) nebo reakce s kyselými zplodinami v ovzduší apod. 2.4.2 Charakterizace hlavních degradačních faktorů 2.4.2.1 Teplotní změny Stavební materiály představují většinou heterogenní soustavy, jejichž složky se mezi sebou mohou některými svými vlastnostmi výrazně lišit. Jednou z takových vlastností je změna objemu jako odezva na změny teploty. Je dána schopností jednotlivých složek absorbovat teplo (závisící především na jejich barvě) a velikostí změny objemu tímto teplem vyvolané (koeficientem teplotní roztažnosti). Při zahřívání materiálu (sluncem, požárem, ale např. i při čistění horkou vodou či párou) se teplo šíří postupně od povrchu objektu do hmoty. Při tom mezi povrchem a vnitřkem hmoty, mezi osluněnou a zastíněnou částí apod. vzniká teplotní gradient. Rozdíly teplot i během relativně krátkého časového intervalu (včetně přírodních dějů – oslunění střídajícího se s deštěm, prudkého slunce během dne a nočního ochlazení apod.) mohou

2 Koroze a degradace anorganických nekovových materiálů

51

dosáhnout i několika desítek stupňů. Teploty povrchu staveb na osluněné jižní straně fasády mohou přesáhnout 60 °C. Je zřejmé, že např. částice kamene s tmavším odstínem budou při osvícení sluncem absorbovat větší množství tepla než částice světlé nebo dokonce bílé. Jednotlivé minerály (složky malty apod.) se však liší i koeficientem teplotní roztažnosti. Dokonce u některých minerálů je tato hodnota různá ve směru různých krystalových os. Uvedené jevy, tzn. rozdílná schopnost absorbovat tepelnou energii a rozdílné koeficienty teplotní roztažnosti jednotlivých složek i teplotní gradient mezi povrchovými a vnitřními vrstvami stavebního materiálu, jsou příčinou vzniku pnutí na rozhraní jednotlivých částic, krystalů apod. doprovázených vznikem jemných prasklin. Tento vznik trhlin a prasklin je samozřejmě doprovázen okamžitým poklesem pevnosti, růstem pórovitosti a zvětšováním povrchu materiálu, což vede dále ke snížení odolnosti proti působení vody a vodných roztoků solí.

Obrázek 2.4.1 Vliv teplotních změn na stavební materiály Teplotním změnám, resp. tomu, že objemové změny spojené s výkyvy teplot nejsou zcela reversibilní, je pravděpodobně možno přičíst i deformace některých kamenných objektů.


52

Známý je např. opukový jehlan, který stál v zahradách Pražského hradu. Během času se „ohnul“ do té míry, že hrozilo jeho vážné poškození a musel být nahrazen novým materiálem (opět opukou). Odklon od svislé osy bylo možno před jejich opravou pozorovat i u opukových přilbic věží Jiřského kláštera, opět na Pražském hradě. V obou případech se kamenná konstrukce ohýbala směrem k severu, tedy od sluncem nejvíce zahřívané strany ke straně nejchladnější. 2.4.2.2 Voda Pórovité stavební materiály obsahují vždy určité množství vody, které je v rovnováze s vlhkostí prostředí, v němž jsou umístěny. Tento rovnovážný obsah vlhkosti závisí na vlastnostech materiálu samotného a na teplotě a vlhkosti prostředí. Voda se v pórovitých materiálech vyskytuje jak v kapalném, tak v plynném skupenství. Kapalná voda je v pevných pórovitých materiálech přítomna ve dvou formách jako voda vázaná a voda volná. První typ (voda vázaná) je relativně pevně uchycena na stěny pórů. Obecně je možno rozlišit několik typů vazeb mezi molekulami vody a stěnami pórů – hlavně chemisorpční a fyzikálně sorpční síly (např. známé van der Waalsovy síly). Snížená pohyblivost takto vázaných molekul vody je příčinou toho, že při poklesu teploty pod 0 °C nezamrzá. Jednotlivé molekuly jsou však na povrchu pórů uspořádány s jistou pravidelností, která do určité míry připomíná krystalizaci. Zvláště v malých pórech tak mohou tímto způsobem vznikat tlaky obdobné těm, které doprovázejí vznik ledu. Tuto pevně vázanou vodu je možno z materiálu odstranit pouze velmi obtížně a za relativně drastických podmínek (vysoká teplota). Druhý typ – voda volná – není vázána na stěny pórů, ale může se v pórovitém systému vlivem gravitace, kapilárních nebo jiných sil pohybovat. Při zahřívání na teplotu těsně nad 100 °C volně vázaná voda z pórovitého systému odchází. Toho je využíváno např. při zjišťování vlhkosti stavebních materiálů. Velice důležitá je i tzv. technologická voda, tedy ta, která se do hmoty stavebních objektů dostává při čistění, stavebních úpravách apod. Uvažujeme-li pohyb vody směrem vzhůru (pohyb vzlínající vody), je reálná výsledná výška, do níž voda v konkrétním případě vystoupí, výsledkem dvou konkurenčních procesů – vzlínání a odpařování. V případě homogenní, izolovaně stojící zdi, která má na obou stranách stejné podmínky, má proto profil vlhkosti přibližně parabolický tvar. V případě smíšeného zdiva, nebo pokud nejsou na obou stranách zdi podmínky pro odpar vody stejné, může mít vlhkostní profil libovolný tvar. Protože rychlost odpařování závisí na povětrnostních


53

podmínkách – teplotě, relativní vlhkosti a rychlosti proudění vzduchu, může se výška, do které voda vystoupí, měnit i podle počasí, což platí samozřejmě také pro vlhkostní profil. Voda může do stavebních materiálů pronikat několika způsoby.

Obrázek 2.4.2 Zdroje vody ve stavebních materiálech Transport vody v pórovitých materiálech Rychlost pohybu vody i její množství v pórovitém materiálu významně závisí na charakteru pórovité struktury – na celkovém objemu pórů a na distribuci pórů podle velikosti. Popsat pórovitý systém stavebních materiálů je velmi složité, protože jejich póry nemají pravidelný, matematicky snadno popsatelný tvar, Jsou to nepravidelné dutinky nejrůznějších velikostí, tvarů i charakteru povrchu. Z hlediska pohybu kapalin a plynů jsou zajímavé pouze ty, které jsou navzájem propojené. V pórovitém materiálu se navíc nikdy nevyskytuje čistá voda, ale více či méně koncentrované vodné roztoky plynů nebo pevných látek, jejichž vlastnosti se od čisté vody mohou v různé míře lišit.


54

Obrázek 2.4.3 Mapy vzlínající vody se solemi na fasádě Ve svislém směru (opět za předpokladu rovných válcovitých kapilár) proti sobě působí hmotnost vodního sloupce (vyvolaná gravitací) a síla kapilárního vztlaku. Po jejich vyrovnání se ustaví rovnováha a kapalina v pórech již dále nestoupá. Pro kapilární sílu Fk platí vztah: Fk = 2 · π · r · γ · cos Θ a síla vyvolaná gravitací Fg, daná hydrostatickým tlakem působícím na průřezu kapiláry, je popsána vztahem: Fg = π · r2 · h · ρ · g Za předpokladu, že smáčecí úhel θ vody je blízký 0 °, je možno pro maximální dosaženou výšku získat zjednodušený vztah: hmax = 2 · γ / (ρ · g · r) kde γ je povrchové napětí, ρ hustota kapaliny, r poloměr pórů materiálu a g tíhové zrychlení. Je z něho zřejmé, že dosažená výška roste s rostoucím povrchovým napětím kapaliny a naopak klesá s její zvětšující se hustotou a poloměrem pórů. Vzhledem ke svým vlastnostem (malý smáčecí úhel v kontaktu se silikátovými materiály blížící se 0 °, vysoké povrchové napětí γ = 72,75 mN·m-2, nízká viskozita η = 1 mPa·s a relativně malá hustota ρ = 1000 kg·m3) má právě voda velmi dobré podmínky pro pronikání do pórovitých silikátových materiálů. Např. v rovné skleněné kapiláře o průměru 0,1 mm vystoupí do výše přibližně 15 cm, je-li průměr kapiláry 0,01 mm vystoupí do výšky přibližně 1,5 m. Obecně tedy, je-li průměr póru v metrech, je rovnovážná výška (rovněž v metrech) dána vztahem: hmax = 15 ·10-6 r Čím je voda pro stavební materiály nebezpečná? Nejznámější jsou pravděpodobně mrazová poškození. Při přechodu z kapalného do pevného skupenství se objem vody zvětšuje


55

přibližně o 10 %. Pokud tedy jsou póry zaplněné vodou nad určitou kritickou hranici (tato hodnota je pro různé materiály různá), dochází při tom k poškozování pórovitého materiálu krystalizačními tlaky ledu.

Obrázek 2.4.4 Rozpad opuky jako následek působení vody a mrazu

Obrázek 2.4.5 Poškození fasády vodou z okapového svodu


56

Velice vážné nebezpečí představuje voda jako rozpouštědlo a transportní medium některých látek včetně některých složek stavebního materiálu (hydroxidu vápenatého v cementu nebo dosud nezkarbonatované maltě, síranu vápenatého v sádrových omítkách a štucích apod.). Ty mohou být dále srážkovou nebo vzlínající vodou vyplavovány. Důsledkem může být rozpouštění dalších složek (např.u cementu), nebo vznik výkvětů.

Obrázek 2.4.6 Výkvěty nezkarbonatovaného hydroxidu vápenatého vzniklé prosakování vody z rubu zdi Voda rovněž urychluje nebo přímo umožňuje chemické reakce na povrchu pórů. U pálených materiálů (cihel, střešní krytiny, pálených dlaždic apod.) způsobuje dlouhodobý kontakt s vodou hydrolýzu sklovité matrice. Tento proces je sice pomalý, avšak jeho důsledkem je pozvolná ztráta mechanické pevnosti. Přítomnost vody je nezbytná pro existenci živých organismů (bakterií řas, lišejníků apod.) na povrchu nebo v pórech stavebních materiálů. Velké nebezpečí spojené s vodou hrozí při cyklických změnách jejího množství v materiálu obsahujícím jílové minerály a především vodorozpustné soli (viz dále). Obecně je možno říci, že i poměrně vysoký obsah vody ve stavebním materiálu (s výjimkou pálených hmot) je méně škodlivý, je-li dlouhodobě stálý, než jeho změny, byť při celkově malých množstvích vlhkosti.


57

Na celkový objem pórů i jejich distribuci je možno při určitém zjednodušení usuzovat např. z měření prováděného rtuťovou pórometrií. Přístupnost pórovitého systému pro vodu je zřetelná i z hodnot nasákavosti vodou.

Obrázek 2.4.7 Vliv vody na poškození stavebních materiálů 2.4.2.3 Atmosféra Vzduch obsahuje kromě základních složek (hlavně kyslíku, dusíku, argonu a oxidu uhličitého) ještě vodní páru, oxidy síry, dusíku, některé uhlovodíky a další plyny i částice pevných látek jako produkty průmyslových procesů, činnosti spalovacích motorů, živých organismů, sopečných erupcí apod. Největší nebezpečí výskytu a tedy i působení znečistěného ovzduší je ve velkých průmyslových aglomeracích. Vedle nejznámějších exhalátů – oxidů síry a dusíku – existují i další, na které se někdy zapomíná, především oxid uhličitý. Patří sice k přirozeným složkám ovzduší, ale jeho obsah ve vzduchu v důsledku spalování fosilních i recentních paliv neustále roste. Nebezpečný je hlavně pro materiály obsahující uhličitany. Na degradaci stavebních materiálů se podílejí i tuhé částice ze vzduchu – anorganické i organické. Pevné částice a kapky kapalin (především vodných roztoků) unášené vzduchem (angl. airborne particles) jsou součástí tzv. aerosolu. Je-li aerosol tvořen výhradně kapkami kapaliny, nazývá se zpravidla mlha (angl. mist), v případě pevných částic je označován jako prach, kouřem bývají nazývány zplodiny spalování paliv tvořené především pestrou směsí uhlovodíků a sazemi. Ve vzduchu se často nacházejí všechny uvedené skupiny látek zároveň, v různé koncentraci. Vymýváním plynných exhalátů ze vzduchu deštěm, sněhem nebo mlhou vznikají velmi zředěné roztoky anorganických kyselin, částečně jsou tyto plyny sorbovány i na povrch tuhých částic prachu. Tím roste kyselost srážkové vody a mluvíme v této souvislosti o kyselých deštích. Z chemického hlediska je tedy korozní působení kyselých exhalátů 2 Koroze a degradace anorganických nekovových materiálů

58

z ovzduší především reakcí anorganických kyselin (sírové, siřičité, dusičné, uhličité apod.) s jednotlivými složkami stavebních materiálů. Agresivita kyselých srážek je přes jejich nízkou koncentraci zřejmá. Jsou jimi napadány složky citlivé na kyselé prostředí, především uhličitany v přírodních vápencích, dolomitech, mramorech, opukách i ve vápenných maltách a omítkách. Stejně je napadán i hydroxid vápenatý (např.v betonu). Kyselina uhličitá je vytěsňována ze svých solí za vzniku nové vápenaté soli příslušné kyseliny a uvolňování oxidu uhličitého. Z původního uhličitanu tak vzniká siřičitan, síran, dusičnan, chlorid apod. Prvním signálem koroze je ztráta lesku leštěných materiálů s vysokým obsahem uhličitanu (povrch krystalů je naleptáván), postupně se však koroze projevuje závažnějšími změnami. Ca(OH)2 + 2 HNO3 + 2 H2O → Ca(NO3)2.4H2O Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4.2H2O Každá z těchto chemických reakcí je doprovázena změnami objemu pevných fází. Některé korozní produkty vzniklé výše popsanými chemickými reakcemi jsou podstatně rozpustnější než původní uhličitan (viz tabulka 2.4.2), proto jsou srážkovou vodou snadněji rozpouštěny a odplavovány. Pokud nejsou rozpustnější, nebo jsou v místě srážkového stínu, vytvářejí spolu s usazenými nečistotami tmavou krustu při současném ochuzování materiálu o pojivo. Je zřejmé, že důležitým prostředím pro zmíněné chemické reakce je voda, avšak je prokázáno, že probíhají, i když výrazně pomaleji, např. při vyšších koncentracích oxidu siřičitého i v podmínkách s velmi nízkým obsahem vlhkosti. Rozpustnost uhličitanu vápenatého stoupá i v přítomnosti oxidu uhličitého. Tento plyn se ve vodě rozpouští na kyselinu uhličitou. Vzájemnou reakcí této kyseliny např. s uhličitanem vápenatým vzniká hydrogenuhličitan (kyselý uhličitan) vápenatý podle rovnice: CaCO3 + CO2 + H2O ↔ Ca(HCO3)2 Tento proces je v přírodě kromě jiného příčinou krasových jevů. Obdobně reagují samozřejmě i další uhličitany (hořečnatý apod.). Vzniklé hydrogenuhličitany jsou ve vodě podstatně rozpustnější (např. hydrogenuhličitanu vápenatého se rozpustí 1,6 g v litru vody nasycené oxidem uhličitým) a proto i tento proces vede k místní korozi materiálů, jejichž základní složkou uhličitany jsou. Reakce vedoucí ke vzniku hydrogenuhličitanu je však vratná a za vhodných podmínek probíhá opačným směrem. Např. s rostoucí teplotou roztoku se oxid uhličitý uvolňuje a hydrogenuhličitan se rozkládá zpět na méně rozpustný uhličitan a vodu. Takto vzniklé úsady jsou však hrubozrnější a poréznější a proto jsou i snadněji napadnutelné (např. kyselými exhaláty) něž původní materiál.


59

Obrázek 2.4.8 Krápník vzniklý působením CO2 na vápenec sochy Působení oxidu uhličitého je tedy z chemického hlediska vratné a je bezpodmínečně vázané na přítomnost kapalné vody, zatímco reakce uhličitanu s oxidy síry, dusíku apod. vedou k nevratné změně chemického složení uhličitanové složky materiálu a tedy k trvalé změně vlastností, hlavně rozpustnosti. Navíc mohou probíhat i v prostředí vodní páry a určitou rychlost si zachovávají i v přítomnosti velmi malého obsahu vlhkosti. Reakcí některých složek cementu s látkami obsaženými v ovzduší či vzlínající vodě vznikají v pórech cementu sloučeniny s větším specifickým objemem, než jaký měly původní reaktanty, což vede k poškození materiálu vlivem krystalizačních tlaků. Např. působení kyseliny sírové vede k velkým objemovým změnám a výsledkem je vznik významných vnitřních tažných napětí v důsledku vzrůstu objemu při vzniku sádrovce. Sádrovec může reagovat s ostatními součástmi cementu za vzniku objemných produktů. Uvedené reakce je možno popsat následujícími rovnicemi: 4CaO.Al2O3.13H2O + 3 CaSO4.2H2O + 14 H2O → 3CaO.Al2O3.CaSO4.32H2O + Ca(OH)2 (vzrůst objemu o 54 %) 3CaO.Al2O3.6H2O + 3 CaSO4.2H2O + 20 H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (ettringit - vzrůst objemu o 95 %) 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O + 2 CaSO4.2H2O + 16 H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (ettringit - vzrůst objemu o 55 %)


60

2 (CaO)1.7SiO2.4H2O + 2 CaCO3 + 2 CaSO4.2H2O + 11,4 H2O → Ca6[Si(OH)6]2(CO3)2(SO4)2.22H2O (thaumasit) + 1,4 a(OH)2(CaSiO3.CaSO4.CaCO3.15H2O)6 Optimální podmínky pro vznik thaumasitu jsou u betonu vystaveného působení síranů v přítomnosti uhličitanů – za chladu a vlhka. Některé složky cementu mohou reagovat s chemickými sloučeninami obsaženými v ovzduší, vzlínající vodě, apod. za vzniku sloučenin rozpustných nebo bez vazebných vlastností. Příkladem může být. reakce oxidu uhličitého s hydroxidem vápenatým za vzniku uhličitanu vápenatého, který je pak postupně přeměněn na hydrogenuhličitan vápenatý (viz výše). Působení kyseliny dusičné může způsobit nejprve velké změny objemu a posléze zvýšení pórovitosti, protože vzniklé dusičnany vápenaté jsou velmi dobře rozpustné a mohou být odplaveny. Pronikání oxidu uhličitého do struktury betonu je příčinou snižování hodnoty pH kapalin v jeho porézním sytému (v důsledku jeho reakce s volným hydroxidem vápenatým, jehož přítomnost zajišťuje vysokou alkalitu prostředí). To může vést ke korozi ocelové výztuže, jež je v původním, alkalickém prostředí minimální.

Obrázek 2.4.9: Poškození betonu v důsledku koroze ocelové armatury Nejen složení atmosféry, ale i proudění vzduchu (vítr) může přispívat k degradaci stavebních materiálů. Návětrné strany objektů jsou při dešti více namáhány, jsou vystaveny intenzivnějšímu mechanickému působení dešťových kapek i většímu zavlhčení než plochy před větrem chráněné, naopak ale rychleji vysýchají. Vítr může také přinášet pevné částečky písku apod., které mohou působit erozně.


61

2.4.2.4 Vodorozpustné soli Vodorozpustné soli jsou dnes považovány za nejčastější příčinu poškození stavebních materiálů, hlavně v dolních partiích staveb. Zdroje solí ve stavebních materiálech jsou různé. Druh a množství solí ve stavební konstrukci závisí na vlastnostech použitého materiálu, na stupni a době zavlhčení konstrukce, na způsobu kontaminace a na dalších faktorech souvisejících s prostředím (např. proudění vzduchu). Ve stavbách se nejčastěji vyskytují (a proto jsou zpravidla i sledovány) sírany, chloridy, dusičnany, z kationtů vápenatý, sodný, hořečnatý, někdy amonný. Ze složení solí lze usuzovat na jejich původ i když většinou jen s určitou pravděpodobností.

Obrázek 2.4.10 Vliv ve vodě rozpustných solí na stavební materiály Kritická množství solí v konstrukci staveb se velmi liší podle typu materiálu, charakteru soli, přítomnosti vlhkosti atd. Obecné stanovení mezního množství obsahu dané soli v konstrukci, nad nímž je již nutno se její přítomností vážně zabývat, je z tohoto důvodu nemožné. Z praxe lze říci, že ve většině stavebních materiálů vystavených působení okolí se


62

nacházejí chloridy a dusičnany v množství do 0,2 % hm., sírany (rozpustné) potom v množství do cca 2 % hm. Je ovšem možné, že i při tomto obsahu solí již k degradaci (např. omítky) jejich vlivem dochází, a naopak, že za jiných podmínek se množství nad uvedenou hranicí degradačními účinky neprojevuje. Zjištěný obsah solí v objektu závisí i na způsobu odběru vzorku, na tom, zda se jedná o povrchovou vrstvu (kde obvykle bývá obsah solí vyšší), nebo o hmotu materiálu v hloubce pod povrchem. Chování solí v pórech souvisí s množstvím vody v materiálu. Tabulka. 2.4.2 uvádí hodnoty rozpustnosti některých solí, které se ve stavebních materiálech mohou objevovat. Tabulka 2.4.2 Rozpustnost vybraných anorganických solí ve vodě při 20 °C a relativní vlhkost vzduchu nad jejich nasycenými roztoky RH [%] Sůl Rozpustnost [g⋅l-1] síran vápenatý – CaSO4 · 2 H2O 2,4 100 síran draselný – K2SO4 111 98 dusičnan draselný – KNO3 316 95 uhličitan sodný – Na2CO3 · 10 H2O 914 92 síran hořečnatý – MgSO4 · 7 H2O 1172 90 síran sodný – Na2SO4 · 10 H2O 583 87 chlorid sodný – NaCl 360 76 chlorid draselný – KCl 340 76 dusičnan sodný – NaNO3 880 75 dusičnan amonný – NH4NO3 1920 62 dusičnan hořečnatý – Mg(NO3)2 · 6 H2O 2805 54 dusičnan vápenatý – Ca(NO3)2 · 4 H2O 4305 53 uhličitan draselný – K2CO3 · 2 H2O 1410 43 chlorid hořečnatý – MgCl2 · 6 H2O 3051 33 chlorid vápenatý – CaCl2 · 6 H2O 5359 32 hydrogenuhličitan vápenatý – Ca(HCO3)2 1,6 – uhličitan vápenatý – CaCO3 0,013 – uhličitan hořečnatý – MgCO3 0,094 – Vysoká rozpustnost některých solí je i příčinou jejich velké pohyblivosti v pórovitém systému. Ve formě roztoku mohou být transportovány z míst s vyšším obsahem do partií, kde je jejich koncentrace nižší. Rychlost transportu je dána hlavně množstvím vody v pórech. Bylo např. zjištěno, že vápenný štuk, použitý jako výplň vrtu po odebrání vzorku pro stanovení solí ve zdivu jednoho z objektů na Pražském hradě, obsahoval po 7 měsících kontaktu s okolním zdivem prakticky shodné koncentrace chloridů a dusičnanů jako okolní zdivo. V původním vzorku bylo nalezeno 0,5 % chloridových aniontů a 1,4 % dusičnanových aniontů, ve štuku po uvedené době 0,5 % chloridů a 1,2 % dusičnanů. U samotného štuku, který byl po stejnou dobu uložen jako kontrolní vzorek v laboratoři, nebyly zmíněné anionty vůbec nalezeny. 2 Koroze a degradace anorganických nekovových materiálů

63

Pro chování solí je důležitá i hodnota relativní vlhkosti vzduchu, která udává podmínky, za nichž může daná sůl z nasyceného roztoku krystalizovat, příp. hydratovat. Je možno říci, že soli, nad jejichž nasycenými roztoky je relativní vlhkost vzduchu vyšší než cca 75 %, krystalizují v běžných podmínkách často, soli, u nichž je tato hodnota v rozmezí cca 50-75 % krystalizují zřídka a soli s touto hodnotou pod 50 % RH krystalizují za normálních podmínek v přírodě pouze výjimečně, většinou zůstávají v roztoku. Soli z první i druhé skupiny mohou za určitých podmínek (nízká vlhkost vzduchu, zvýšená teplota) ztrácet krystalickou vodu a za vhodných podmínek ji opět přijímat (i ve formě vodní páry). To znamená, že mohou rekrystalizovat, aniž by přešly do roztoku. Pro řadu běžných solí leží teplota dehydratace v rozmezí 30-40 °C. Ve stavebních materiálech, zvláště historických objektů, se většinou vyskytují relativně bohatá zastoupení solí, pocházející z různých zdrojů. Některé mohou reagovat přímo s určitou složkou stavebního materiálu za vzniku nových, velice nebezpečných sloučenin. (Viz výše –vznik minerálů ettringit (Candlotovy soli) nebo thaumasit.

Obrázek 2.4.11 Poškození sgrafita působením vzlínající vlhkostí a solí Jak krystalizace, tak i hydratační změny solí v pórovitém systému stavebních materiálů jsou doprovázeny tlaky – krystalizačními či hydratačními, které působí na stěny pórů ve snaze oddálit je od sebe. Hodnoty krystalizačních a hydratačních tlaků u solí, které se běžně ve stavebních konstrukcích vyskytují, se pohybují řádově v desítkách MPa.


64

Obrázek 2.4.12 Typické poškození omítky vzlínající vlhkostí a solemi Pokud tyto síly překročí pevnost spojení jednotlivých zrn či krystalů, dochází k destrukci struktury materiálu.

Obrázek 2.4.13 Poškození cihelného zdiva vzlínající mořskou vodou


65

Obrázek 2.4.14 Typické poškození kamenného obkladu vzlínající vodou a solemi Soli, jejichž relativní vlhkost nad nasyceným roztokem je méně než 50 %, krystalizují pouze při mimořádně nízké vlhkosti vzduchu. Jedná se o hygroskopické soli, které snadno přijímají vodu z ovzduší. Způsobují tak zavlhčení struktury stavebního materiálu. Na fasádě objektu, jež je těmito solemi kontaminován, se projevují tmavými vlhkými skvrnami. Celkově přispívají k degradačním procesům podmíněným přítomností vody. Vlhkost v konstrukcích ovlivňuje však i některé fyzikální vlastnosti stavebních materiálů, např. jejich termoizolační schopnost. Chování objektu, který je trvale ve spojení se zdrojem spodní vody, je možno přirovnat ke knotu. Voda (obsahující rozpuštěné soli) proniká do základů stavby, odtud kapilárními silami dále do zdiva nad úrovní terénu a z povrchu objektu se odpařuje. Soli, které se tímto způsobem dostanou k povrchu, se zde koncentrují, a podle okolních podmínek krystalizují. Buď na povrchu nebo v pórech těsně pod ním tvoří výkvěty, jež pórovitý stavební materiál výše popsanými pochody poškozují. Jak bylo uvedeno dříve, u reálných objektů se mohou objevit i jiné zdroje vlhkosti, stejně tak jako jiné zdroje solí. Korozní mechanizmus je však ve všech uvedených případech obdobný. 2.4.2.5 Živé organismy Názory na vliv živých organismů jako jednoho z činitelů způsobujících nežádoucí změny vlastností stavebních materiálů se vyvíjely postupně. Zatímco u organických látek (dřeva, papíru, usně apod.) o nebezpečí poškození účinkem bakterií, hub či hmyzu již dlouho nikdo nepochybuje, v případě anorganických látek je dosud někdy jejich destrukční účinek 2 Koroze a degradace anorganických nekovových materiálů

66

podceňován. Přispívá k tomu i fakt, že v praxi lze obvykle pouze obtížně odlišit účinky biodegradace či biokoroze na tyto materiály od jiných degradačních dějů. Mnohdy jsou proto děje vyvolané biologickými činiteli přičítány dějům abiotickým. Praktické zkušenosti, laboratorní práce i stále se rozvíjející znalosti toho, co živé organismy k životu potřebují, však jednoznačně ukazují na nezanedbatelné možnosti živých organismů podílet se na poškozování hmoty i u anorganických stavebních materiálů. Mezi původce biokoroze, tedy mezi živé organismy, které biokorozi stavebních materiálů mohou vyvolávat, patří bakterie, řasy, houby (plísně), lišejníky, vyšší rostliny i živočichové. Jak bylo řečeno dříve, ve své podstatě se biologické poškození projevuje chemicky nebo fyzikálně (mechanicky). Živé organismy potřebují pro zdárný růst určité vhodné podmínky (vlhkost – především substrátu, na němž vegetují, teplo, světlo, živiny apod.), některé jsou však schopné přežívat i za podmínek, které pro ně zdaleka nejsou optimální. Bakterie Z chemického hlediska představují pro stavební materiály největší nebezpečí bakterie. K růstu potřebují hlavně zdroj živin – uhlíku, dusíku a minerálních prvků a zdroj energie. Maximum růstu bakterií je pozorováno při vlhkosti materiálu nad 10 %. Optimální teplota pro jejich existenci leží v rozmezí 5-35 °C, přímé sluneční světlo růst většiny bakterií potlačuje. Základní dělení bakterií vychází z toho, jaké zdroje uhlíku či energie pro svůj růst využívají. Bakterie, které získávají uhlík výhradně z oxidu uhličitého, jsou řazeny mezi autotrofní, pro druhy heterotrofní jsou zdrojem uhlíku organické látky (soli organických kyselin, sacharidy, tuky, bílkoviny apod.). Chemotrofní bakterie získávají energii oxidací anorganických nebo organických látek, bakterie fototrofní ze slunečního záření. Dále rozlišujeme bakterie žijící jen za přístupu kyslíku (striktně aerobní), nebo naopak jen za nepřístupu kyslíku (striktně anaerobní druhy). Existují však i tzv. fakultativně anaerobní druhy, jež se někdy chovají jako aerobní a za jiných podmínek jako anaerobní (podobně existují i fakultativně autotrofní bakterie, které mohou vystupovat jako autotrofní, jindy jako heterotrofní). Je zřejmé, že největší nebezpečí pro kámen a další stavební materiály představují bakterie chemotrofní a autotrofní. Bývají součástí tzv. sírového cyklu nebo dusíkového cyklu v přírodě. Sirné, chemolitotrofní bakterie (vegetující na anorganických substrátech) se vyskytují v půdě, ve vodě a všude tam, kde je dostatečný zdroj síry. Optimální hodnota pH pro tento druh je 7 (ale snášejí i širší rozmezí kyselosti), teplotní rozmezí 25-30 °C. Postupně oxidují sloučeniny obsahující síru v nižším oxidačním stupni až na sírany, případně kyselinu sírovou. Může vznikat až 5 % roztok této silné anorganické kyseliny. Zdrojem síry a sirných sloučenin 2 Koroze a degradace anorganických nekovových materiálů

67

bývá prach, ptačí trus a množství solí obsahujících síru je i v půdě a ve spodní vodě. Protože jsou tyto bakterie aerobní, jsou obvykle v největším množství nalézány v povrchových vrstvách materiálu. Hlavními zástupci jsou Thiobacillus thioparus, T. denitrificans, T. thiooxidans. Desulfurikační – striktně anaerobní, fakultativně autotrofní bakterie naopak redukují sloučeniny obsahující síru ve vyšším oxidačním stupni (podobně jako vyšší rostliny) až na sulfan a získaný kyslík využívají pro svůj růst. Vyskytují se hojně v půdě, odkud pronikají se spodní vodou do pórů stavebního materiálu. Mohou růst v dosti širokém teplotním rozmezí, některé druhy až při teplotách okolo 50 °C. Patří sem druhy Desulfovibrio desulfuricans, D. vulgaris, Desulfotomaculum nigrificans, D. ruminis a další. Dusíkový kruh je tvořen mimo jiné chemoautotrofními nitrifikačními bakteriemi a bakteriemi vážícími vzdušný dusík. První skupina oxiduje amoniak nebo amonné soli až na dusičnany (případně na kyselinu dusičnou). V první fázi (např. v přítomnosti kmenů Nitrosomas či Nitrosobolus) vznikají dusitany nebo kyselina dusitá, ve druhé fázi dusičnany (kmen Nitrobacter). Optimální teplota je 25-30°C, hraniční rozmezí pH 6-10. Všechny uvedené druhy jsou striktně nebo fakultativně aerobní, proto je můžeme nalézt opět především v povrchových vrstvách. Zdrojem dusíku může být amoniak v dešťové vodě, v půdě, v organických zbytcích apod. Probíhá-li oxidace v přítomnosti např. uhličitanu vápenatého, vzniká přímo dusitan nebo dusičnan vápenatý a uvolňující se oxid uhličitý je využíván jako stavební materiál bakterií. Charakteristickým rysem činnosti nitrifikačních bakterií je, že se napadený kámen stává poréznějším a postupně ztrácí soudržnost. Do dusíkového cyklu se zapojují vedle uvedených bakterií i vyšší rostliny a živočichové, potřebující ke své výživě dusíkaté sloučeniny. Jejich produkty buď přímo nebo za spoluúčasti mikroorganismů přejdou až na amoniak a ten je nitrifikačními bakteriemi zpětně oxidován až na dusičnany. Kruh se uzavírá. Podobně jako v sírovém cyklu nemusí všechny jeho fáze probíhat na jednom místě. Významnou funkci transportního media hraje v tomto procesu voda. Jiným významnými bakteriemi, jejichž činnost ohrožuje odolnost stavebních materiálů jsou bakterie Ferrobacillus ferrooxidans a Thiobacillus ferrooxidans. Hrají důležitou roli při oxidaci železnatých iontů na železité, čímž získávají potřebnou energii. Kmen Thiobacillus je např. schopen oxidovat vedle železa i sloučeniny síry až na sírany. Existují i další, méně běžné druhy bakterií, které se nicméně na korozi stavebních materiálů mohou podílet. Disociaci uhličitanů např. podporují bakterie kmene Arthrobacter.


68

Průzkumy mikroflóry na kameni v poslední době ukázaly, že se zde značně rozvíjí společenství chemoorganotrofních bakterií, které je schopno rozkládat uhlovodíky pocházející z průmyslových procesů i z domácích topenišť. Působí na substrát organickými kyselinami, které produkují (kyseliny glukonová, citronová, šťavelová, jablečná, jantarová apod.), a tím jej poškozují. Zároveň jsou původci tzv. extracelulárních polymerních látek (substancí) – EPS, jež byly nalezeny na povrchu řady městských objektů. Tyto látky ovlivňují fyzikální chování materiálu, např. kamene, především podporují pronikání vody do jeho pórovitého systému a tím přispívají k jeho korozi. Do skupiny těchto tzv. silikátových bakterií patří Micrococcus luteus, Pseudomonas fluorescens, Bacillus licheniformis a řada dalších. Obecně je možno říci, že ve spodních částech objektů jsou podmínky vhodné pro redukční, anaerobní bakterie. Redukované sloučeniny síry a dusíku zde vzniklé jsou transportovány vodou vzhůru. Dostávají se do prostředí s podmínkami vhodnými pro oxidaci a za účasti vhodných aerobních bakterií jsou skutečně oxidovány. Vzniklé soli jsou jednak využívány vyššími rostlinami a zároveň samy mohou na stavební materiál působit korozně. Řasy Další skupinou živých organismů, které na stavebních materiálech vegetují, jsou řasy. Jsou většinou autotrofní, ke svému růstu potřebují světlo, dostatek minerálních látek a hlavně dostatek vlhkosti. Mohou však existovat i jako heterotrofní, bez světla. Snadno je nalezneme v místech, kde se určitý čas hromadí voda. Mají-li příznivé podmínky, vytvářejí souvislé barevné (zelené, ale i šedé, hnědé, namodralé apod.) povlaky o různé tloušťce. Snášejí i relativně velké výkyvy teplot. Prostředí s pH ≈ 12 je pro ně nepříznivé, v závislosti na druhu může optimální hodnota pH ležet v rozmezí 3,5-9. Vyvíjejí se ve vodním filmu na povrchu materiálu. Na suchém povrchu sporulují a tak přežívají nepříznivé podmínky, při zlepšení podmínek se však růst opět obnoví. Hojný výskyt je možno zaznamenat především v zimě a na jaře. Snad nejznámější a nejrozšířenější řasou je zelená zrněnka. Můžeme se však setkat i s rudo-oranžovým povlakem řasy Haematococcus pluvialis apod. Známé jsou kolonie řas vegetujících v okolí světel v krasových jeskyních. Jiným konkrétním příkladem jsou Braunova sochařská díla v areálu Nový les u Kuksu (královédvorský pískovec), na nichž byly identifikovány např. oranžově rezavé povlaky řasy Trentepholia aurea, zelené řasy oddělení Chlorophyta (nejběžnější Protococcus vulgaris) a některé další, méně hojné. Hlavní nebezpečí řas pro stavební materiály je v produkci oxidu uhličitého při dýchání. Ten může v období, kdy neasimilují, napadat uhličitanové složky materiálu a podporovat jejich rozpouštění ve formě hydrogenuhličitanu. Řasy produkují i organické kyseliny, jež mohou rovněž rozpouštět uhličitany; mohou být i zdrojem organických barviv 2 Koroze a degradace anorganických nekovových materiálů

69

(např. karotenu). Řasy mohou pronikat do pórovitého systému stavebních materiálů (mikroprasklin apod.), za příznivých podmínek (především dostatku vlhkosti) se zde množit, zvětšovat svůj objem a expanzními tlaky materiál narušovat. Porosty řas spolu s nečistotami (sazemi, prachovými částicemi atd.) tvoří na povrchu materiálu vrstvu, jež produkuje sliz, podporující zadržování vody. Řasy se rovněž spolupodílejí na vzniku krusty. Jsou prvními představiteli života na povrchu staveb, na jejichž odumřelých zbytcích mohou růst další, vývojově vyšší organismy. Houby Zbytky organických látek, které se prakticky vždy vyskytují na površích stavebních objektů, tvoří živnou půdu nejen pro heterotrofní bakterie (viz výše), ale zejména pro houby. Protože neobsahují chlorofyl, nejsou houby schopné asimilovat a využívají pro svůj růst již existující organické sloučeniny. Saprofytické houby rozkládají již odumřelé organismy, parazitické vegetují na živých organismech. Vegetativní aparát hub – mycelium – se skládá z rozvětvených vláken – hyf, které mohou pronikat do pórovitého systému stavebních materiálů. Mnohdy můžeme pozorovat prorůstání houbových vláken do zděné konstrukce z napadeného dřeva apod.; zdroj organických látek tedy může být i mimo anorganický stavební materiál. Pro zdárný růst potřebují houby vedle organických látek (postačuje pouze malé množství) i přiměřenou teplotu prostředí (optimální je 20-30 °C) a dostatek vlhkosti. Důležitá je rovněž vhodná kyselost podkladu. Optimální je slabě kyselé prostředí, některé druhy však snášejí i poměrně nízké pH ≈ 3. Korozní nebezpečí, které houby představují pro stavební materiály, je spojeno především s organickými kyselinami, jež produkují – s kyselinou šťavelovou, vinnou, jantarovou, octovou atd. Ty reagují s některými složkami stavebních materiálů a rozkládají je. Je zřejmé, že napadají především uhličitany (za vzniku vápenatých a hořečnatých solí příslušných kyselin), ale zcela odolné proti jejich působení nejsou ani silikátové minerály, chlorit, illit, živce apod. Mechanické působení hub je, podobně jako u řas, způsobeno objemovými změnami souvisejícími s obsahem vody ve tkáních.


70

Obrázek 2.4.15 Porost mechu, lišejníků a mikroskopických hub na kameni Lišejníky Trvalé soužití – symbiózu – hub a řas nalézáme u lišejníků. Heterotrofní houba získává živiny produkované autotrofní řasou a naopak poskytuje řase minerální soli, je zásobárnou vody i mechanickou oporou systému. Lišejníky se vyvíjejí pomalu, jsou odolné vůči extrémním teplotám, přežívají i dlouhá období sucha, optimální hodnoty pH jsou v rozmezí 5 až 6, hraniční 2 až 9. Některé druhy jsou citlivé na čistotu ovzduší, jiné druhy však můžeme nalézt i v centru velkých měst, kde obsah exhalátů nebývá nejnižší. V Praze byl opakovaně zaznamenáván např. výskyt druhu Cystocoleus ebeneus, tvořící černé povlaky na náhrobcích Starého židovského hřbitova v samém centru města apod. Houbová vlákna lišejníků pronikají do substrátu jen málo (u druhů epilithických), nebo do pórovitého systému aktivně vrůstají (endolithické druhy). Je zřejmé, že lišejníky ze skupiny endolithických jsou pro stavební materiály zvláště nebezpečné. Bylo zjištěno, že houbová vlákna mohou prorůstat např. z jednoho krystalu kalcitu do druhého, bez ohledu na jejich štěpné plochy. Jak bylo zmíněno výše, tkáň houbových vláken zadržuje velké množství vody a její objem s obsahem vody značně kolísá. To je doprovázeno tlaky, kterými vlákno působí na své okolí a mechanicky je poškozuje. Chemické nebezpečí lišejníků je spojeno opět s organickými kyselinami, které uvolňují houbové složky, a jimiž leptají substrát – v našem případě stavební materiál, krytinu


71

apod. Obsah šťavelanů vápenatého a hořečnatého ve stélkách lišejníků je ve velmi dobré korelaci se složením substrátu. Na povrchu řady staveb bylo identifikováno nezanedbatelné množství šťavelanu vápenatého, jehož původ je přičítán právě zde vegetujícím lišejníkům. Mezi tzv. lišejníkové kyseliny patří celá skupina látek s chelatačními účinky – kyselina salicylová, vinná, citronová, řadí se sem dále i méně běžné kyseliny – lekanorová, lobarová, evernová apod. Jsou pro jednotlivé druhy specifické. Napadají opět především uhličitanové složky stavebních materiálů (i v zásaditém prostředí), ale i další přítomné látky a podílejí se na uvolňování iontů Ca2+, Al3+, Fe2+, Mn2+ a některých dalších. Lišejníky, především zásluhou své houževnatosti a chemické reaktivity metabolitů, představují pro kámen, omítky, střešní krytinu apod. značné nebezpečí, zvláště pokud mají dostatek času ke svému působení. Mechy V místech, kde se nashromáždilo i jen malé množství humusu, zbytky odumřelých rostlin apod. – např. v prasklinách, v prohlubeninách nebo na římsách – se po čase objeví mechy. Mají velkou schopnost zadržovat vodu a tím podporují korozi stavebních materiálů. Mechanické působení mechů souvisí i s prorůstáním jejich vyživovacích orgánů – rhizoidů – a s následným transportem vody do struktury stavebního materiálu. Navíc i mechy jsou producenty některých organických kyselin, jejichž nebezpečnost byla popsána výše. Vyšší rostliny Na málo udržovaných objektech se mohou uchytit a růst i vyšší cévnaté rostliny – byliny, dokonce i keře a stromy.

Obrázek 2.4.16 Náletové břízy prorůstající do konstrukce kamenné věže


72

Mají-li dostatek času a potřebné živiny, jsou schopny vyvolat vážná poškození staveb. Literatura uvádí, že kořeny rostlin nemohou proniknout do neporušené hmoty stavebního materiálu, avšak vnikají do spár, štěrbin či prasklin. Tlaky, které růst kořenů doprovázejí, mohou pohnout i velice těžkými bloky kamene, betonu apod. Za několik let se při vhodných podmínkách zvětší průměr kmene nebo kořene o řadu centimetrů a původní úzká spára, v níž kořen nebo kmen roste, se úměrně tomu rozšíří.

Obrázek 2.4.17 Náletová zeleň na cihlové střešní konstrukci Je zřejmé, že může dojít i ke statickému poškození stavby, k posunu krycích desek a zatékání do konstrukce, k poškození klenby, k rozpadu schodiště apod. Některé práce uvádějí, že tlaky doprovázející růst kořenů ve směru osy mohou dosahovat hodnot až 2,5 MPa, ve směru radiálním až 0,7 MPa, jiní autoři uvádějí i hodnoty vyšší. Ve srovnání s těmito mechanickými poruchami se může chemické působení vyšších rostlin zdát zanedbatelné, avšak huminové kyseliny, které jejich kořeny vylučují, jsou kyseliny v pravém smyslu slova a jako takové se chovají. Napadají uhličitany, vytěsňují


73

z nich oxid uhličitý a tvoří vápenaté či hořečnaté soli, často s vyšší rozpustností než původní sloučeniny. Důsledky jsou zřejmé. Samostatným problémem jsou pnoucí rostliny (např. břečťan), obrůstající fasády budov, pomníků atd.

Obrázek 2.4.18: Popínavá rostlina na fasádě O jejich vhodnosti či nevhodnosti se vedou občasné spory. Jejich zastánci argumentují tím, že rostliny tvoří jakýsi ochranný plášť fasády, omezují přístup srážkové vody a exhalátů k fasádě, jejich listy odpařují velké množství vody, kterou rostliny odčerpávají ze sousedství stavby apod. Naproti tomu odpůrci poukazují na omezené větrání obrostlé fasády, a tedy sníženou možnost odparu vzlínající vlhkosti z konstrukce zdi, na nebezpečí prorůstání kořenového systému základovým zdivem apod. Faktem zůstává, že příchytky (příchytné terčíky), jimiž se některé rostliny přidržují podpůrné zdi, nejsou uzpůsobeny k přijímání živin (nejedná s tedy o vyživovací orgány), avšak pevnost přichycení podporují vrůstáním tkáně terčíků do drobných nerovností povrchu, po němž se pnou. Odstranění těchto terčíků (byť odumřelých) s povrchu stavebního materiálu se neobejde bez drobných poškození podkladu. Je-li tento podklad narušen, odtrhává se při jejich odstraňování i nezanedbatelná část hmoty fasády a tím je dále poškozována.


74

Obrázek 2.4.19 Detail příchytek popínavé rostliny se zbytky podkladu (fasádního nátěru) Dalším nebezpečím je prorůstání vegetačních výhonků do škvír a štěrbin (mezi střešní tašky, za obklad apod.). Tím mohou rovněž popínavé rostliny stavební objekt poškozovat. Ani stromy rostoucí ne přímo u objektu, ale jen v blízkém sousedství, nemusí zůstat bez vlivu na jeho stav. Činnost kořenů je zřejmá, stejně jako možnost mechanického poškození pádem stromu nebo jeho části při silném větru apod. Jsou však publikovány i případy poškození staveb v důsledku přílišného vysoušení jílového podloží, jednoznačně souvisejícího s existencí stromů v jejich blízkosti. Jindy naopak poražení vzrostlého stromu vedlo ke zvýšení vlhkosti ve zdivu blízké stavby. Stromy v obou případech fungovaly jako účinná čerpadla zemní vlhkosti a tím ovlivňovaly množství vody v podloží a následně i množství vody vzlínající do konstrukce stavby. Skupiny stromů mohou poskytovat objektům pod nimi umístěným (sochám apod.) i jakési přístřeší, chránící je před srážkami apod. Tento ochranný účinek však může být snížen vylučováním vodných roztoků organických látek (u některých javorů, lip apod.), skapávajících a usazujících se na povrchu objektu pod stromy. Tyto látky mohou být příčinou zvýšeného znečistění povrchu, protože často bývají lepkavé a zachycují nečistoty ze vzduchu, mohou však být i zdrojem živin, které jsou využívány jinými organismy. Je tedy zřejmé, že existenci stromů v blízkosti staveb, soch apod. je třeba pečlivě zvážit. Soužití vegetace a stavebních objektů však může být prospěšné např.i v případě zřícenin či archeologických objektů. V řadě případů je travní porost účinnou ochranou jejich korun zdiva. Tyto zpravidla suchomilné traviny omezují pronikání srážkové vody do konstrukce zdiva a tím je chrání před poškozením vodou. Hmyz za běžných podmínek se z´hmyz na degradaci či korozi stavebních materiálů přímo nepodílí. Existuje však jev zhoršující vzhled staveb, který s existencí hmyzu na povrchu


75

staveb přímo souvisí. Se oteplováním klimatu se do našich krajů šíří i teplomilnější druhy živočichů včetně některých druhů hmyzu. Jeden z pavouků (čeledi Dyctimidae), jehož výskyt byl zaznamenám na našem území teprve před několika lety) vytváří na povrchu fasád okrouhé pavučinky o průměru cca 8 cm. Na ně se chytají kromě drobného hmyzu, jenž uvedeným pavoukům souží jako potrava, i další nečistoty. Na fasádě tak vznikají shluky skvrn, především v blízkosti lamp či jiného osvětlení. Velice často je však nalézáme i na dalších plochách.

Obrázek 2.4.20 Znečistění stěny pavučinkami Původní domněnky, že původci těchto pavučinek preferují některý barevný odstín nebo typ fasádní barvy byly vyloučeny. Rovněž úvahy o chemické ochraně fasád před tímto „napadením“ (krátkodobý a nespecifický účinek běžných insekticidů – ekologické důvody, naprosto nahodilý výskyt pavoučků daný směrem větru, který je unáší z místa vylíhnutí) byly vyvráceny. Ptáci Ze živočichů, ponecháme-li stranou člověka samotného, představují pro stavební objekty největší nebezpečí ptáci. Vedle všeobecně známých hejn holubů se můžeme setkat i s koloniemi jiřiček či vlaštovek, hnízdících pod římsami, v průjezdech nebo v otevřených lodžiích, v blízkosti vodních ploch i s racky, méně často i s některými dalšími druhy. Ptactvo se může podílet na mechanickém poškození stavebních materiálů především vybíráním látek obsahujících vápník nebo křemenných zrn, které potřebují pro zdárný růst 2 Koroze a degradace anorganických nekovových materiálů

76

i hnízdění. Speciálním problémem jsou datlovití ptáci, kteří napadají dutě znějící povrchy (např. zateplovací vrstvy) vedeni instinktem, že v tomto prostoru je pravděpodobný výskyt hmyzu, jenž jim slouží jako potrava. V místech, kde se ptáci shromažďují, hnízdí či přespávají (hřadují), ucpávají zbytky mrtvých ptačích těl, skořápek i hnízdního materiálu žlaby a okapové svody a tím zhoršují či přímo znemožňují odvod srážkové vody a způsobují, že voda stéká po fasádě, v zimním období zamrzá v okapech a poškozuje je. Může docházet i k ucpávání vyústění větracích a ventilačních systémů. Ptačí trus, hromadící se na místech, kde se ptáci zdržují, obsahuje řadu anorganických i organických, často hygroskopických látek (fosforečnany, dusičnany, kyselinu močovou atd.), které mohou být (např. srážkovou) vodou rozpouštěny, případně transportovány pórovitým systémem stavebního materiálu. Při odpařování vody mohou pak některé vodorozpustné soli v místech krystalizace stavební materiál vážně poškozovat. Chemické látky přítomné v trusu slouží rovněž jako významný zdroj živin pro další živé organismy (bakterie, řasy, houby atd.), které tyto složky využívají pro svůj růst. Při tom se mohou uvolňovat i agresivní organické či anorganické kyseliny (hodnota pH ptačích exkrementů leží zpravidla v oblasti 5 až 8), jež napadají uhličitanové složky omítek, kamene atd. 2.4.2.6 Mechanické působení prostředí Anorganické stavební materiály – přírodní i umělé (kámen, malty, cihly apod.) i konstrukce z nich postavené mohou být poškozovány i mechanickými vibracemi (průjezdem těžkých automobilů v blízkosti objektu, leteckým provozem v sousedství velkých letišť, zemětřesením, ale i zvukem zvonů, výjimečně i varhan apod.). Zvláště namáhané jsou mostní konstrukce, ale vážná poškození můžeme zaznamenat i u vyšších štíhlých objektů např. sloupů uprostřed náměstí se silným dopravním provozem. Jediným způsobem ochrany v takových případech je odklonění provozu nebo naopak přenesením objektu do méně namáhané lokality. U vzácných sbírkových předmětů se v oblastech se zvýšeným seismickým nebezpečím navrhuje jako ochrana umístění na pružné podložky. 2.4.2.7 Složení materiálu a jeho zpracování Druh pojiva malt a omítek Pojivo malty ovlivňuje mechanické vlastnosti malty i její odolnost vůči fyzikálním a chemickým degradačním pochodům. Obecně lze říci, že při správném postupu přípravy nejméně degraduje malta cementová a nejvíce malta vápenná. Odolnost krystalizaci solím a mrazovému poškození závisí na druhu pojiva jen částečně. Důležitá je také distribuce velikosti pórů, kterou neovlivňuje pouze druh pojiva, ale také zrnitost plniva, přítomnost


77

dalších přísad, a také způsob přípravy. Odolnost znečištěnému ovzduší v závislosti na druhu pojiva je uvedena v kapitole 2.4.2.3. V závislosti na druhu pojiva pevnost v tlaku stoupá v řadě vápenný hydrát, hydraulické vápno a cement. Druh horniny Podstatný vliv na korozní odolnost kamenných objektů má i výběr kamene, způsob vytěžení a následného opracování. Jednotlivé části stavebních konstrukcí jsou odlišně namáhány nejen mechanicky, ale i co do ataku vodou (srážkovou, kondenzační i vzlínající), teplotním namáháním apod. Je zřejmé, že jiný typ horniny bude vhodný pro dlažby, obložení soklů, římsy a parapety oken apod. a jiný, méně kvalitní, bude stačit pro méně namáhaná místa staveb – stěny bez ozdob (zvláště v interiéru) apod. V prvém případě je nutná minimální nasákavost (uvádí se pod 5 %) a dostatečná pevnost, v případě dlažeb a schodů i dostatečná odolnosti oděru. V druhém případě nejsou požadavky tak náročné, pórovitost přesahující 30 % nemusí být překážkou. Např. opukové dlaždice pro podlahu (byť v interiéru), kde se počítá s dosti velkým počtem návštěvníků, není z technologického hlediska právě nejvhodnější volba. Vysoká nasákavost opuky bude příčinou nepříjemného špinění, údržba (omývání) neupraveného kamene povede k transportu nečistot (včetně případných solí v zimním období) do hmoty kamene a navíc mechanická odolnost opuky proti oděru je malá, a bude proto docházet k relativně rychlému „prochození“ frekventovaných tras. Naopak pro obklady interiérů, výtvarné prvky vnitřních stěn apod. opuka zcela vyhovuje a její specifické vlastnosti se mohou dobře uplatnit. Způsob těžby kamene Významný vliv má i způsob těžby a následné opracování kamene. Oddělování bloků kamene v lomu pomocí dřevěných klínů, které po namočení zvětšovaly objem a kámen trhaly, bylo ve srovnání s pozdějším používáním trhavin šetrnější. Nedocházelo v takové míře ke vzniku jemných prasklin, jež narušují strukturu horniny, snižují její pevnost i odolnost proti dalšímu poškozování. V závislosti na typu horniny i velikosti uvolňovaných bloků se používají i jiné druhy těžby. U měkčích kamenů (mramory, vápence apod.) se uplatňuje např. řezání lanem. V některých lomech se běžně používá i směsí solí, které se spolu s vodou vpravují do předem vyvrtaných otvorů. Krystalizační tlaky, které doprovázejí hydrataci a krystalizaci těchto speciálních maltovin umožňují pomalé trhání bloků bez rázových vln. Proces trhání je možno v kterémkoliv místě ukončit. Tímto způsobem je možno oddělovat např. dosti pravidelné bloky, které se díky přirozené vrstevnatosti horniny samy rozpadají na desky přímo použitelné jako hrubá kamenná dlažba. 2 Koroze a degradace anorganických nekovových materiálů

78

U některých hornin je důležitá i doba těžby, případně čas mezi vytěžením a dalším kamenickým zpracováním. Dokud je blok součástí horninového masivu v lomu, obsahuje množství vody, které je v rovnováze s okolní horninou. Po vytěžení však obsah vody postupně klesá. Zároveň se mohou dosud rozpuštěné látky (především anorganické soli jako hydrogenuhličitan vápenatý apod.) transportovat k povrchu. Tento proces může být příčinou zvýšení pevnost či tvrdosti povrchových vrstev bloku. Z praxe je tento jev znám u některých pískovců, vápenců, zvláště zřetelný rozdíl byl pozorován u travertinu. Dříve v našich podmínkách těžba v lomech ustávala na podzim, přes zimu se lomová stěna zakrývala slámou, aby nedošlo k promrzání a tím poškození kamene a těžit se začínalo opět na jaře. Zvláště u opuky bylo doporučováno jako nejvhodnější období pro těžbu léto. Před dalším opracováním byl kámen ponechán určitou dobu volně vysychat. Někteří praktici však naopak zastávají názor, že je vhodné opracovávat kámen co nejdříve po vylomení, neboť je měkčí. Opracování kamene Odolnost proti korozi ovlivňuje i způsob řemeslného opracování, protože jsou při něm povrchové vrstvy kamene značně mechanicky namáhané. Některé studie, zabývající se vlivem typu použitých nástrojů a způsobu jejich používání, dokazují, jak nebezpečné je používání např. pemrlice (palice se zubatou údernou plochou). Po jejím použití byly nalezeny tenké praskliny až do hloubky 1,2 mm u mramoru a 10 mm u pískovce. Vznik prasklin je samozřejmě doprovázen vzrůstem pórovitosti, tedy zvětšováním vnitřního povrchu kamene. Povrch opracovaný pemrlicí je značně nesoudržný. Přes tento fakt byla ještě v nedávné době pemrlice používána i na kámen památkových objektů. V porovnání s pemrlicí je použití rýhovačky (širokého dláta) nebo kamenického dláta méně škodlivé. Srovnání rovněž ukázalo, že strojní opracování bylo (při použití obdobného nástroje) méně nebezpečné než ruční. Způsob uložení kamene v konstrukci Také způsob uložení kamene v konstrukci stavby má vliv na jeho trvanlivost. Anizotropie sedimentárních hornin (především opuky) je důvodem, proč by kámen měl být např. ve zdi uložen tak, aby sedimentární vrstvy byly kolmé na směr namáhání, tedy ve většině případů vodorovně (výjimkou jsou např. klenby). V opačném případě dochází dříve či později ke štípání (odlučování větších kusů) podél jednotlivých vrstev. K poškození porézních materiálů může docházet i v důsledku nevhodné úpravy povrchu. Např. olejové nátěry, používané v minulosti na kamenné objekty, zpravidla zcela uzavírají porézní strukturu v povrchové vrstvě kamene a tím zabraňují průchodu plynů včetně vodní páry touto vrstvou (kámen nemůže „dýchat“). Pokud však může voda pronikat za tuto 2 Koroze a degradace anorganických nekovových materiálů

79

vrstvu (vzlínáním, zatékáním nenatřeným místem apod.), velice často dochází působením vodní páry v porech k odtrhávání nátěrem uzavřené hmoty kamene. Stejně nebezpečné může být ošetření povrchu kamene voskem, zvláště je-li kámen kontaminován vodorozpustnými solemi. Některé horniny, zvláště mramory, jsou náchylné k plastickému toku. Dlouhodobé, pomalé působení vnějších sil (vlastní hmotnost, nevhodné zatížení apod.) může vyvolat např. deformaci (prohnutí) svisle umístěných a nedostatečně upevněných slabých náhrobních desek. Také vodorovně umístěné mramorové trámy či desky bez dostatečné podpěry uprostřed se mohou díky toku trvale prohnout, aniž by došlo k mechanickému poškození. K tomuto druhu deformace (umožněné strukturou mramoru) přispívá i vyšší vlhkost prostředí. Kombinace různých materiálů Riziko poškození představují i případy, kdy je kámen, cihla apod. ve styku s jinými materiály, především s kovy – např. čepy, spony, skoby atd. Pokud bylo pro tento účel použito běžné oceli, je nebezpečí, že bude železo korodovat. Jeho korozní produkty mají však 6-10× větší objem než původní kov, a to je příčinou častého praskání silikátového materiálu v sousedství takovýchto železných doplňků. Navíc samozřejmě hrozí nebezpečí vzniku barevných skvrn (sloučeniny železa). V minulosti bývalo železo v kamenných blocích chráněno zalitím olovem, ojediněle roztavenou sírou, někdy i pocínováním. Žádný z těchto postupů však není zcela bezpečný. Dnes se tam, kde hrozí nebezpečí koroze kovových součástí ve styku s kamenem, zpravidla používají barevné kovy (měď, mosaz), především pak ocel s vhodnými protikorozními vlastnostmi.

Obrázek 2.4.21 Poškození kamene korozními produkty železného čepu K poškození kamene může také docházet tam, kde byly použity příliš pevné a málo propustné správkové tmely nebo spárovací hmoty (viz obrázek 2.4.5). 2 Koroze a degradace anorganických nekovových materiálů

80

kámen

kámen

spárová cementová malta

spárová vápenná malta

kámen

kámen

Vlhkost se vypařuje kamenem a jeho Vlhkost se vypařuje maltou a její čelo čelo je poškozováno. se poškozuje. Obrázek 2.4.22 Schéma poškozování kamene při použití nevhodného spárování V případě, že je použita spárovací hmota s větší paropropustností než má kámen, dochází k poškozování pouze spár nebo tmelů, které lze snadno nahradit. Kámen v tomto případě není poškozován. Literatura ke kap. 2.4 • • • • • • • • •

Winkler E. M.: Decay and Preservation of Stone. The Geol. Soc. of America, 1978. Brown P. W., Clifton J. R.: Mechanisms of deterioration in cement-based materials and in lime mortar. Durability of building materials, 5, 409-420 (1988). Rovnaníková P., Malý J.: Stavební chemie. FS VUT, Brno, 1994. Rovnaníková P.: Portlandský cement – historie, výroba, vlastnosti. Cement v památkové péči, STOP, Praha 1998. Kotlík P. a kol.: Stavební materiály historických objektů. VŠCHT, Praha 1999. Kotlík P., Šrámek J., Kaše J.: Opuka. STOP, Praha 2000. Kolektiv autorů: Vápno. STOP, Praha 2001. Rovnaníková P.: Omítky. STOP, Praha 2002. Fára P.: Sanace vlhkého zdiva. STOP, Praha2003.


81

2.4 Koroze a degradace stavebních materiálů

Recommend Documents