MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA ÚSTAV CHEMIE
Atmosferická koroze historických betonových staveb
Bakalářská práce
Bc. Kateřina Valíková Vedoucí práce: prof. RNDr. Pavla Rovnaníková, CSc. 2010
Prohlašuji, že jsem bakalářskou diplomovou práci vypracovala samostatně s využitím uvedených pramenů a literatury.
V Brně 27. 5. 2010
2
Děkuji vedoucí práce prof. RNDr. Pavle Rovnaníkové, CSc. za cenné rady a čas, Světlaně Filípkové za trpělivost a BcA. Josefu Červinkovy za poskytnutí materiálů do experimentální části.
3
Abstrakt: V bakalářské práci se zabývám betonem, jeho historickým vývojem, postupným prosazováním v architektuře a jeho degradací chemickou korozí. Přičemž se soustředím na beton s portlandským cementem a na pochody probíhající při jeho atmosférické korozi, diagnostikou míry atmosférické koroze a sanací. Postupy diagnostiky (chemický rozbor a termická analýza) jsou pak využity v experimentální části k zjištění stavu betonového vzorku odebraného z železobetonového žebra baldachýnu pražského paláce Lucerna a jeho zařazení do etapy karbonatace.
Klíčová slova: Beton, betonová architektura, portlandský cement, atmosferická koroze
4
Abstract: In my bachelor thesis, I deal with concrete, his historical development, making his way through the field of architecture and its degradation by chemical corrosion. I focus on Portland cement concrete and processes ongoing during its atmospherical corrosion as well as the determination of degree of atmospherical corrosion and re-development. Diagnostical methods (chemical and thernal analysis) are used in experimental part to determine an estate of concrete sample taken from reinforced concrete rib of Prague´s palace Lucern sunblind and to clasify its carbonation phase.
Key words: Concrete, concrete architecture, Portland cement, atmospherical corrosion
5
Obsah: Cíl práce .................................................................................................................................. 8 1
Úvod................................................................................................................................. 9
2
Historie betonu .............................................................................................................. 10
3
Beton v architektuře ...................................................................................................... 11 3.1
Prosazování betonového stavitelství v 19.století .................................................. 11
3.2
20.století, století betonu ........................................................................................ 14
4
Portlandský cement ....................................................................................................... 20 4.1
5
Silikátové minerály a jejich hydratace .................................................................. 21
Degradace betonu ......................................................................................................... 23 5.1
Chemická koroze kapalným agresivním prostředím ............................................ 23
5.2
Degradace kameniva ............................................................................................. 25
5.3
Atmosferická koroze ............................................................................................. 26
6
5.3.1
Difuze............................................................................................................ 27
5.3.2
Karbonatace .................................................................................................. 29
5.3.3
Sulfatace........................................................................................................ 31
5.3.4
Koroze betonu dalšími kyselinotvornými plyny ........................................... 32
5.3.5
Koroze výztuže v degradovaném betonu ...................................................... 33
5.3.6
Fyzikálně chemické stanovení atmosferické koroze..................................... 34
Ochrana a sanace zkorodovaných betonových konstrukcí ........................................... 41
Experimentální část Rozbor vzorku betonu z markýzy pasáže paláce Lucerna na Štěpánské ulici v Praze 7
Palác Lucerna ................................................................................................................ 46
8
Analyzovaný betonový segment ................................................................................... 46
9
Příprava vzorků ............................................................................................................. 50
10
Použité metody ............................................................................................................. 53
10.1
Termická analýza .................................................................................................. 53
10.2
Chemický rozbor................................................................................................... 56
10.2.1
Vážkové analýzy ........................................................................................... 56
10.2.2
Odměrné analýzy .......................................................................................... 57
10.2.3
Měření pH ..................................................................................................... 58 6
11
Výsledky ....................................................................................................................... 59
12
Zhodnocení ................................................................................................................... 60
12.1
Stupeň karbonatace ............................................................................................... 60
12.2
Etapa karbonatace ................................................................................................. 60
13
Závěr ............................................................................................................................. 61
Bibliografie ........................................................................................................................... 62
7
Cíl práce: Cílem práce je v teoretické části popsat historický vývoj betonu, chemické složení portlandského cementu, jako nejběžnějšího pojiva betonu, a jeho degradaci, konkrétně atmosferickou korozí, uvést její průběh, diagnostiku a možnou sanaci. V experimentální části bude pozornost věnována stanovení stupně karbonatace a míry atmosférické koroze betonového vzorku z železobetonového žebra baldachýnu pražského paláce Lucerna, který musel být pro havarijní stav konstrukce nahrazen.
8
1. Úvod Tématem bakalářské práce je beton uplatněný na stavbách v historii a jeho degradace atmosferickou korozí. I když se o betonu uvažuje jako o moderním materiálu a je spjat hlavně s 20. stoletím, jeho historie sahá mnohem hlouběji, a to až do starověku, kdy byl materiál, podobný modernímu betonu, využíván v Římské říši k výstavbě viaduktů a dalších monumentálních staveb. Sice se jeho znalost na dlouhou dobu ztratila, ale 19. stoletím se opět vrátil do stavitelství a jeho prostřednictvím vznikla řada staveb, které dnes považujeme za významné kulturní památky. Tento „nejmladší“ stavební materiál si postupně vydobyl své místo ve stavebnictví, a v dnešní době, kdy jsou stavby z betonu památkově chráněnými objekty, je potřeba, aby se jím zabývaly památkáři a restaurátoři. V památkové péči se s cementem můžeme setkat často při obnově starých památek, kdy se betonové konstrukce používají k jejich ochraně a snaží se je opravit, ale také oproti tomu bylo jeho prostřednictvím mnoho památek zničeno, a to například necitlivým spárováním historického zdiva či betonovými nástřiky na povrch zdí. Jeho postavení v památkové péči je tudíž stále rozpačité, na jednu stranu se beton využívá k opravě památek a na druhou stranu bývají památky před ním chráněny. V obou případech je znalost betonu nezbytná, jednak aby se zabránilo nevhodnému použití, ale zároveň také, aby se na něj nezanevřelo, a v neposlední řadě nesmíme zapomenout, že postupem času do památkového fondu přichází řada moderních staveb z první poloviny 20. století, jejíž hlavním materiálem je beton, a které je potřeba chránit.
9
2. Historický vývoj betonu Hydraulická pojiva byla známa už ve starověku, první doklady o jejich používání pochází ze Středomoří z doby kolem 700 let před naším letopočtem, kdy se do vápna začala přidávat zemina z různých oblastí nebo sopečný popel. Výsledná malta velmi rychle tvrdla i pod vodou a dosahovala vysokých pevností.1 V Římské říši se vyráběl beton velmi podobný dnešnímu betonu z portlandského cementu. Tento římský beton se připravoval z páleného vápna, pucolánového popela a kameniva z pemzy a jeho znalost se s rozšiřováním Římské říše dostala i do zbytku Evropy, ale zároveň se zánikem říše a pak následným stěhováním národů tato znalost zanikla. Až v 18. století byl beton znovu objeven. V 50. letech 18. století se tímto průkopníkem ve výrobě betonu stal John Smeaton, který díky pokusům dospěl k závěru, že schopnost tvořit pevnou hmotu i pod vodou nemá vápno vyrobené z čistého vápence, ale že je potřeba ho znečistit jílem, toto znovu vynalezené hydraulické pojivo začal mísit s oblázky a rozdrcenými cihlami jako kamenivem do betonové směsi.2 Vědecky teorii hydraulických pojiv zpracoval až koncem 18. století Louis Joseph Vicat, který ve své práci uvádí: „…není možná dokonalá hydraulická malta bez kysličníku křemičitého, a v každém vhodném vápnu k její přípravě bylo chemickým rozborem nalezeno určité množství jílu složeného z kysličníku křemičitého a hlinitého…“3 a pokud není tato hydraulická složka obsažena v dostatečném množství, je třeba ji dodávat. Tyto poznatky nadále využil Joseph Aspdin, leedský zedník, který 21. 10. 1824 dostal britský patent na výrobu portlandského cementu4, toto
1
LÁNÍK, J., CIKRT, M. Dvě tisíciletí vápenictví a cementárenství v českých zemích. Praha: SV CEVA, VUMO, 2001, s. 20.
2
Tento výklad historie betonu byl však zpochybněn s tím, že Canal du Midi byl vystavěn za použití betonu už v roce 1670. (http://www.beton.cz/encyklopedie/historie )
3
Viz LÁNÍK, J., CIKRT, M. (Pozn. 1), s. 21.
4
Úryvek z patentu 5022: „Můj způsob výroby cementu nebo umělého kamene pro průčelí budov, vodovody, studně a jiné účely, ke kterým jej lze upotřebit (a který nazývám „portlandským cementem“) je tento: Beru určité množství vápence, takového, který zpravidla slouží ke stavbě a opravě silnic, a beru ho ze silnice, jakmile je rozdrolen a přeměněn v prach. Avšak nemohu-li obdržet dostatečné množství ze silnice, vezmu vápenec samotný a připravím drolinu nebo moučku z vápence, jak se jinde činí, než se pálí. Vezmu však určité množství hlíny nebo jílu, mísím je s vodou do úplného rozdělání, ať již ročně nebo strojně. Po tomto postupu vnesu tuto směs do pánve na kaši a odpařuji, buď sloučením s teplem, anebo vystavením působení ohně nebo páry, přiváděné tahy nebo potrubím pod pánev nebo do jejího okolí, až se voda zcela odpaří. Potom rozlámu uvedenou směs na vhodné žmolky a pálím je v peci, obdobné vápenické, až je kyselina uhličitá vypuzena. Takto pálená směs se mele, tluče nebo rozválí na jemnou moučku.“ (MATOUŠKOVÁ, A. Od tradičního vápenictví na území Českého krasu ke vzniku moderní továrny na výrobu portlandského cementu v Králově Dvoře v roce 1911. Beroun, 1995, s. 32.)
10
datum se stalo mezníkem v historii betonu a začátkem výroby cementu jak ho známe dnes. Přesto se ale stávalo, že při pálení cementu nebyla dosažena teplota slinutí, tuto nutnou podmínku pro výrobu pravého cementu, později zdůraznil až Isaak Charles Johnson, který poprvé vypálil suroviny do slinutí, a od poloviny 19. století se začal portlandský cement masově vyrábět5. U nás byla první cementárna založena roku 1860 komanditní společností šlechtických podnikatelů v Bohosudově a roku 1868 pak v Podolí Ferdinandem Bártou a následně ještě v Radotíně roku 1872, na Moravě pak byla první cementárna založena 1872 (nebo 1873, údaje se rozcházejí)6. Další cementárny vznikaly až po roce 1900, například v Berouně, Čížkovicích, Maloměřicích a Štramberku.7
3. Beton v architektuře 3.1.
Prosazování betonového stavitelství v 19. století
Beton je dnes považován za dominantní stavební materiál, jeho prosazení na poli stavitelství ale nebylo okamžité. Hlavně v českých zemích musel rozvoj betonového stavitelství překonat řadu překážek, jednou z těchto překážek byl i samotný pražský stavitelský úřad, který preferoval staroměstské vápno. S výhodnými vlastnostmi betonu nepočítaly ani předpisy, které neustále lpěly na dodržování jednotlivých parametrů, co se týče tloušťky stěn, kleneb a podobně, a smetly tak veškeré přednosti betonu jako stavebního materiálu.8 Navíc jakékoliv novátorství bylo vždy podřízené finančnímu efektu, nová technologie, jako byl cement a beton, musely prve prokázat ekonomickou výhodnost. Proto na začátku byly používány jen tam, kde byly už zavedené a prověřené pracovní postupy. Jiná situace byla u technických staveb, ty na rozdíl od veřejných staveb nebyly omezeny předpisy a betonové konstrukce zde našly hlavní uplatnění. Dále od poloviny 19. století se ve stavitelství začal beton prosazovat v zakládání pozemních 5
V roce 1897 působilo v habsburské monarchii 38 firem zabývajících se výrobou cementu. (MATOUŠKOVÁ, A. Od tradičního vápenictví na území Českého krasu ke vzniku moderní továrny na výrobu portlandského cementu v Králově Dvoře v roce 1911. Beroun, 1995, s. 35.)
6
SEIDLOVÁ, I., DOHNÁLEK, J. Dějiny betonového stavitelství v českých zemích. Praha: IC ČKAIT, s.r.o., 1999, s. 62.
7
MATOUŠKOVÁ, A. Od tradičního vápenictví na území Českého krasu ke vzniku moderní továrny na výrobu portlandského cementu v Králově Dvoře v roce 1911. Beroun, 1995, s. 45. 8
Viz LÁNÍK, J., CIKRT, M. (Pozn. 1), s. 24.
11
staveb, první použití této technologie, které se dostalo do širšího povědomí, bylo u stavby České spořitelny9 projektované architektem Ignácem Ullmannem, kde roku 1858 byl do části základu stavby použit beton z anglického cementu. Stavitel Jan Bělský10, který stavbu řídil, navrhoval, aby byla celá budova založena na betonu, k tomu ale nedošlo a do převážné části základů byly použity dřevěné rošty. Toto se později, vzhledem k poloze stavby v blízkosti Vltavy, nevyplatilo a začaly vznikat vážné poruchy a trhliny. Jen části založené na betonu zůstaly uchráněné. Tento osud reprezentační stavby byl v soudobém tisku dopodrobna sledován a stal se tak zároveň propagací betonu. Od 80. let pak bylo toto zakládání naprostou samozřejmostí a dokonce se beton využíval i k sanaci starších základů.11 Od roku 1870 se zároveň začalo experimentovat se železobetonovými stropy, u nás tento primát patří Josefu Niklasovi.12 V 70. letech byl postaven i první celobetonový dům, a to stavitelem Otto Ehlenem, který si roku 1875 postavil v Praze na Letné svoji vlastní vilu z „konkretu“ (podle tehdejší terminologie). Tato stavba vzbudila v Praze značný ohlas a následně dostal Ehlen nabídku na výstavbu sklárny v Poděbradech, kde měl uplatnit stejnou technologii.13 Zatímco se betonové stavby jen postupně a poměrně pomalu prosazovaly ve „velkém“ stavitelství, objevila se velmi široká možnost použití betonu u standardizovaných výrobků, jako jsou drobné stavební a zdobné prvky – schody, sloupky, zahradní vázy a další kusové zboží určené i pro interiéry, například z leštěného betonu se vyráběly desky na stoly. Zároveň se beton dostává i do uměleckého řemesla, z cementu se vyrábějí štukatérské i některé sochařské práce. Čtyři betonové sochy Bernarda Seelinga zdobí i Křižíkovu fontánu v Praze, která byla prezentována na Zemské jubilejní výstavě roku 1891 firmou Max Hegrgett, stala se zde nejpopulárnější atrakcí a napomohla tak další popularizaci betonu v širších kruzích.
9
Dnes budova ČSAV na Národní třídě v Praze
10 Podle- SEIDLOVÁ, I., DOHNÁLEK, J. (Pozn. 6) / V akademických dějinách umění je uváděno jméno Quido Bělský 11
Viz SEIDLOVÁ, I., DOHNÁLEK, J. (Pozn. 6)
12
VYBÍRAL, J. Inženýrská a průmyslová architektura romantického historismu; In: Dějiny českého výtvarného umění (III / 1) 1780-1890. Praha: Academia, 2000, s. 203.
13
Viz MATOUŠKOVÁ, A. (Pozn. 7), s. 39.
12
Hlavní doménou betonu byly od 2. poloviny inženýrské vodní stavby. Při regulací toků14, stavbách náhonů, jezů apod. se běžně používalo betonu a hlavně cementové spojovací malty a omítky, které dodávaly povrchu potřebnou hladkost a nepropustnost. Roku 1882 byla u nás postavena první zděná přehrada, byla to přímá 16 m vysoká přehrada pro plavení dříví na Korytnici, velký rozmach ve stavění zděných přehrad nastal až ve 20. století, ke kterému vedly zkušenosti z obrovských povodní z roku 1897. Na rozdíl od vodních děl, kde beton neměl konkurenci a prosadil se bez problému, byla jiná situace u mostů. Rakousko-Uhersko bylo státem železných mostů a Čechy, tedy pražské mostárny, byly jejich hlavním výrobce. Beton do tohoto monopolu pronikal jen pozvolna a to ze začátku jako součást základů.15 Zlomem se pak staly 80. a 90. léta, kdy se začaly projevovat negativní důsledky stárnutí použitých železných mostních konstrukcí. Ke konci 80. let pak proběhla revize, kdy proti tzv. „nespolehlivému kovu“ prokázaly někdy i stovky let staré kamenné mosty své nepopiratelné výhody. V mostním stavitelství se tak opět začaly preferovat masivní kamenné mosty, pro které ale namísto drahých klasických kamenných kvádrů byl používán beton, v té době byl totiž brán jako „umělý kámen“. Počátky budování betonových a železobetonových mostů v českých zemích jsou spojeny se jmény Josefa Melana a Karla Herzána. Josef Melan od roku 1892 prováděl zatěžkávací zkoušky s betonovou klenbou a za ukázku jeho práce nám může sloužit například jeho největší most, kterým je překlenuta skalní průrva ve vnitřní komunikaci hradu Veveří u Brna. Herzán pak v roce 1903 vybudoval železobetonový trámový most o třech asi 14 m širokých otvorech přes Otavu v Katovicích a silniční most přes Bečvu v Přerově, kde rozpětí tří oblouku přesáhlo už 20 m. Stavby betonových a železobetonových mostů završily v posledních desetiletích 19. století vývoj betonového stavitelství. Tyto mosty byly nejen ekonomicky výhodné, ale prokázaly i technické a estetické parametry, které nemohl poskytnout žádný jiný materiál. Současně svým umístěním manifestovaly tyto přednosti nového materiálu před nejširší veřejností. Protože na rozdíl od i nejpozoruhodnějších stropních kleneb, které mohly být oceněny jen úzkým
14
Součástí regulace Vltavy byla i výstavbou ochranného a obchodního přístavu v Holešovicích s betonovým „proplachovacím“ kanálem, po toku řeky jsou pak zdymadla.
15
Nová pražská řetězová lávka z roku 1870 měla, měla kvádrové pilíře podbetonovány a výplňovým materiálem byl beton prokládaný lomovým kamenem (pod hladinou byl použit perlmooský cement, na vyšší části pak staroměstské vápno).
13
kruhem odborníků, stavby mostů o větším rozpětí probíhaly vždy za velké pozornosti obyvatel.16
Obr. 1. vlastní vila Otto Ehlena17
3.2.
20. století, stoletím betonu
Beton vstoupil do nového století jako velmi slibný materiál, od konce 19. století byl široce využíván pro inženýrské stavby, tovární haly, mosty, přehrady, na však pro „vysokou“ architekturu. Beton byl považován za barbarský materiál, který nemá svůj vlastní tvar. Byl označován za bezcharakterní, a pokud byl použit, bylo ho třeba skrýt za nějaký „morálnější“ materiál, například kámen.18 Ale je třeba dodat, že už od počátku 20. století se v českém stavitelství objevují snahy projektantů vtisknout kulturní tvar i tomuto „barbarskému“ materiálu. Za takový ojedinělý příklad může být považována stavba Hlávkova mostu (1909-1912), ve své době byl tvořen dvěmi částmi, železnou, která byla při rozšiřování v 60. letech nahrazena železobetonovou, a betonovou, vytvořenou architektem Pavlem Janákem a inženýrem Františkem Menclem. Ta je vyzdobena 2,6 m velkými reliéfy vytesanými přímo do betonového zdiva od Bohumila Kafky a Ladislava 16
Viz SEIDLOVÁ, I., DOHNÁLEK, J. (Pozn. 6)
17
Ibidem, s. 122.
18
MARGOLDOVÁ, J. Z historie užití betonu; In: Beton v architektuře, samostatná příloha Beton TKS. Praha, 2005.
14
Kofránka, medailony Josafa Mařatky a Otto Guttfreunda a sochami Práce a Humanity, pocházejícími od Jana Štursy.19 Vývoj betonu se ale spíše než na tyto sochařské práce s hmotou soustředil na jeho využití při stavbě nosných konstrukcí. Železobetonová rámová konstrukce, kterou si už v roce 1892 patentoval Francois Hennebique20, byla v českých zemích poprvé použita Karlem Herzánem a inženýrem jeho firmy Alešem Ledererem při rozšíření pražské Městské pojišťovny, a pak Stanislavem Bechyně a firmou Karel Skorkovský na stavbu přístavby tělocvičny pražského Sokola a ve druhé fázi výstavby paláce Lucerna.21 I na tomto poli se železobeton prosazoval pozvolna a to jako konkurent „důvěryhodnější“ ocelové konstrukce obezděné cihlami. Zásadní průlom přišel až po 2. světové válce, která s sebou mimo jiné přinesla i nedostatek oceli. Zároveň válkou zničená města vyžadovala rychlou obnovu veřejných staveb, stejně tak jako domů a následně i budování nových obytných celků. Takovéto kvantitativní nároky znamenaly uchýlit se k prefabrikované výrobě a během 50. a 60. let vznikala řada různých průmyslově vyráběných železobetonových systémů22. „Objekty byly přímo na místě rychle sestavovány z prefabrikovaných stěn, stropů, schodišť a střech s minimem úsilí a práce.“23 Socialistický režim tak do důsledku dovršil funkcionalistický meziválečný program standardizace i industrializace stavebnictví. Ale jejich formě sociálního programu bydlení moderního člověka dali podobu až „asociální“ panelákové výstavby. Vznikaly tak rozsáhlé sídlištní celky monotónně seskládaných panelů, jejichž programovou typizaci z dnešního pohledu nezmírnily ani humanizační snahy 60. let, kdy se panelákové stavby osazovaly tradiční mansardovou střechou. Výsledkem byla jen deziluze z betonu generacemi, které v těchto zástavbách vyrůstaly. Paralelně k tomuto se v architektuře objevovaly tendence, které dokázaly naplno těžit z estetických/antiestetických kvalit betonu, byly to skulpturalismus a brutalismus. Svou 19
VYBÍRAL, J. Inženýrská architektura a užitkové stavby; In: Dějiny českého výtvarného umění (IV / 1) 1890-1938. Praha: Academia, 1998, s. 186.
20
VORLÍK, P. Železobetonový skelet a meziválečná průmyslová architektura v Československu; In: Beton TKS, č. 3, Praha, 2005, s. 32.
21
Viz VYBÍRAL, J. (Pozn. 19), s. 191.
22
K roku 1973 to bylo v Československu 20 konstrukčních typů. (JASIEVIČ, V. Betón a železobetón v architektúre. Bratislava: Alfa, 1987.)
23
Viz MARGOLDOVÁ, J. (Pozn. 18)
15
podstatu mají zakódovanou už v názvu. Skulpturalismus byl ve svém výrazu syntézou sochařství a architektury, architekti tvarovali hmotu stavby jako sochaři. Za typický příklad by mohly sloužit železobetonové andělské perutě, které v letech 1965-1969 vztyčil František Maria Černý nad ruinou klášterního chrámu v pražských Emauzích, a suverénně tak propojil historickou architekturu s moderní svébytnou stavbou. Naproti skulpturalismu, který zdůrazňoval estetický, umělecký ráz, byl brutalismus programově antiestetický. „Třebaže už zpočátku zamýšlel vyjadřovat „drsnou poezii“, nešlo brutalismu ani tolik o umění jako spíše o etiku, o pravdu: pravdu materiálů, konstrukcí, sociálního obsahu architektury.“24 Vzhledem ke své orientaci na západ musel brutalismus a ve větší míře i tzv. „zrůdný“ skulpturalismus překonávat ideologické zábrany, proto asi ani nepřekvapí, že realizovaných staveb je jen velmi málo a mezi ty nejlepší brutalistické stavby patří skupina československých ambasád z 60. let. První z nich je velvyslanectví v Brazílii z let 1961-1965 od Karla Filsaka, Karla Bubeníčka, Jiřího Loudy a Jana Šrámka, kde je ještě typický brutalistický výraz surového betonu umírněn opláštěním stavby bílými kachličkami. Drsná nádhera pohledového betonu s otisky dřevěného bednění se naplno projevila až v dalších realizacích stejného týmu architektů, a to budovou československé mise při OSN v Ženevě (1966-1969) a ambasádou v Novém Dillí (1966-1973). Za vrchol české brutalistní architektury je pak považováno provedení velvyslanectví v Londýně (1966-1969) od Jana Šrámka a Jana Bočána, které dostalo ocenění Královské akademie britských architektů za nejlepší novostavbu provedenou během roku 1969 na anglickém území cizím architektem.25 Nesmíme zapomenout, že nejen v brutalistních stavbách, kde sice beton naplno uplatnil svůj vlastní výraz, ale ve všech stavbách 20. století, ať už patří mezi zdařilejší či méně zdařilé realizace architektů, je beton zastoupen. Tato moderní architektura je součástí celého historického vývoje české architektury a i když se jedná o nejmladší článek tohoto řetězce, je potřeba, aby ji začala brát památková péče v potaz. Nezájem o ochranu staveb z 20. století (a to tedy hlavně z 2. poloviny) plyne z nedostatečného časového odstupu, který bývá potřeba k patřičnému zhodnocení památkové kvality této architektury. „Památková hodnota však asi nespočívá v mechanicky odpočítaném stáří 24
ŠVÁCHA, R. Architektura 1958-1970; In: Dějiny českého výtvarného umění (VI / 1) 1958-2000. Praha: Academia, 2007, s. 66. 25
http://www.mzv.cz/jnp/cz/o_ministerstvu/majetek_a_rozpocet/budovy_architektura/nase_budovy_v_zahranici/slohov e_promeny_ceskych_ambasad.html
16
památky, nýbrž v její schopnosti vypovídat architektonickými prostředky o kulturním a historickém obsahu doby, která památku tvořila. A tuto schopnost mohou mít památky i velmi mladé…“26 S potřebou ochrany těchto architektur přijde na řadu i nutná ochrana betonu jako jejich stavebního materiálu.
Obr. 2. Hlávkův most27
26
ŠVÁCHA, R. Přežije Brusel?; In: GORYCZKOVÁ, N.(ed) Péče o památky moderní architektur, Sborník příspěvků. Památkový ústav v Ostravě, Ostrava, 1999, s. 5.
27
LUKEŠ, Z. Architektura secese v Čechách 1896 – 1914; In: Dějiny českého výtvarného umění (IV / 1) 1890-1938. Praha: Academia, 1998, s. 145.
17
Obr. 3. Emauzský klášter (klášter benediktýnů benediktýn u kostela P. Marie a slovanských patronů) patron 28
Obr. 4. Pohled na střechu kostela29
28
http://www.google.cz/imgres?imgurl=http://www.casopisstavebnictvi.cz/UserFiles/Image/2009/0910/22_emauzy.jpg &imgrefurl=http://www.casopisstavebnictvi.cz/pece-o-klasterni-areal-v&imgrefurl=http://www.casopisstavebnictvi.cz/pece emauzich_N2741&usg=__7sOTAKpm0yjs1RQZHxLj0NQJFKI=&h=600&w=600&sz=77&hl=cs&start=17&sig2=W MKiYfEh4PJqvvxHtr3TSQ&um=1&itbs=1&tbnid=FLLhgTeHAlbB4M:&tbnh=135&tbnw=135&prev=/images%3Fq %3Demauzsk%25C3%25BD%2Bkl%25C3%25A1%25C5%25A1ter%26um%3D1%26hl%3Dcs%26 %3Demauzsk%25C3%25BD%2Bkl%25C3%25A1%25C5%25A1ter%26um%3D1%26hl%3Dcs%26rls%3Dcom.micro soft:cs:IE-SearchBox%26rlz%3D1I7IBMA_en%26tbs%3Disch:1&ei=Mrn SearchBox%26rlz%3D1I7IBMA_en%26tbs%3Disch:1&ei=Mrn-S86RNYvwmwOVqsWWDA S86RNYvwmwOVqsWWDA 29 Ibidem
18
Obr. 5. Československé velvyslanectví v Novém Dillí30
Obr. 6. Československé velvyslanectví v Londýně31
30
Viz ŠVÁCHA, R. (Pozn. 24), s. 62
31
http://www.mzv.cz/jnp/cz/o_ministerstvu/majetek_a_rozpocet/budovy_architektura/nase_budovy_v_zahranici/velka_ britanie_architektura.html
19
4. Portlandský cement Beton je kompozitním materiál, je tvořen plnivem – kamenivem a pojivem – cementem, který po tvrdnutí tvoří kompaktní pevnou hmotu. Kromě těchto dvou hlavních složek, se do směsi přidává voda, příměsi jako vysokopecní struska, popílek, křemičité úlety, metakaolin, mikromletý vápenec a přísady (plastifikující, těsnící, provzdušňující, urychlující nebo zpomalující). Portlandský cement, pojmenován podle analogie vlastností se stavebním kamenem od Portlandu,
je
práškové
hydraulické
pojivo,
vyrobené
jemným
rozemletím
křemičitanového slínku s hlavní přísadou sádrovcem ve funkci zpomalovače tuhnutí. Po smíšení s vodou vytváří pevnou a vodě odolnou hmotu. Základní surovinovou složkou pro výrobu Portlandského slínku jsou středně až silně znečištěné vápence s obsahem uhličitanu vápenatého kolem 76 až 78 %, aby mohl veškerý oxid vápenatý, vzniklý rozkladem vápence při pálení, zreagovat s hydraulickými oxidy (SiO2, Al2O3, Fe2O3) na sloučeniny schopné hydraulického tvrdnutí. Při vyšším obsahu uhličitanu vápenatého ve výchozí surovině se přidávají jílové složky, popřípadě další korekční složky jako bauxit, odpady z hutnictví a křemenný písek. Přesný výpočet složení surovinové směsi umožňuje výrobu cementu požadovaného mineralogického složení. 32 Surovinová moučka se pálí v rotačních pecích za vzniku slínkových minerálů. V teplotním pásmu kolem 1300 °C, v tzv. exotermické fázi, vznikají dikalciumsilikát, trikalciumaluminát a tetrakalciumaluminátferit, nejdůležitější ze slínkových minerálů, trikalciumsilikát, vzniká nad teplotou 1350 °C nazývanou „mez slinutí“ (v rotační peci se dosahuje teploty až 1470 °C). Následuje fáze chlazení, která musí proběhnout velmi rychle, aby nedošlo ke zpětnému rozkladu trikalciumsilikátů na dikalciumsilikát a oxid vápenatý. A poté se směs mele se sádrovcem. Při smíšení s vodou dochází k hydrataci bezvodých sloučenin a následnému tuhnutí a tvrdnutí cementu. Tento proces je komplexem fyzikálních a chemických dějů, při kterém dochází k přechodu z plastického do pevného stavu vytvořením pevných spojů mezi zrny kameniva a hydratačními produkty cementu.33 Hydratace je dlouhodobější proces, v kterém reagují kalciumsilikáty s vodou za vzniku svých hydrátů (CSH gelů), které jsou hlavním spojovacím elementem v betonu, a menšího množství Ca(OH)2. Ca(OH)2 je 32
ROVNANÍKOVÁ, P. Omítky, Chemické a technologické vlastnosti. Praha: STOP, 2002, s. 29-30.
33
ROVNANÍKOVÁ P., ROVNANÍK P. Stavební chemie, Anorganická chemie a chemie anorganických stavebních materiálů. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2004, s. 38.
20
nejnáchylnější jší ke karbonataci a svou přítomností p zaručuje uje betonu potřebnou pot vysokou koncentraci OH -inotů . Pro zjištění zjišt ní míry obsahu hydroxidu se vytváří model hydratace, který analyzuje chemické cké a fyzikální procesy za dobu života betonu. Určuje Ur se stupeň hydratace, tzv. αH34 :
λ1, t1, κ1….materiálové konstanty závislé na chemickém složení cementu 4.1.
Slínkové ové minerály a jejich hydratace35
Trikalciumsilikát – 3CaO·SiO2 (C3S), alit -
má vysokou hydraulickou aktivitu, tudíž rychle reaguje s vodou
-
je nositelem počáteč čátečních i konečných pevností
-
obsahuje 4 % C3A, 2 % MgO a oxidy železa
-
má spolu s C3A ze slínkových minerálů minerál nejmenší chemickou odolnost
-
reaguje s vodou podle rovnice: 2 (3CaO·SiO2) + 6 H2O
3CaO·2SiO2·3H2O + 3 Ca(OH)2
Dikalciumsilikát – 2CaO·SiO SiO2 (C2S), belit -
hydraulicky ydraulicky aktivní je jenom β-forma (β-C2S)
-
reaguje s vodou opožděně opožd a přispívá ke konečným pevnostem
-
může že obsahovat malé množství alkalických kovů, kov , které stabilizují β-formu
-
má nepatrně vyšší chemickou odolnost než trikalciumsilikát
-
reaguje s vodou podle rovnice: 2 (2CaO·SiO2) + 4 H2O
3CaO·2SiO2·3H2O + Ca(OH)2
Trikalciumaluminát – 3CaO·Al 3CaO· 2O3 (C3A) -
reaguje s vodou nejrychleji, nejrychleji proto je nutné reakci zpomalit, jinak by byl by čerstvý beton nezpracovatelný; k tomuto účelu se používá již zmíněný ěný sádrovec. V jeho přítomnosti ítomnosti hydratací trikalciumaluminátu vzniká primárně ettringit, který vytvoří vytvo
34
YOON, I.-S., ÇOPUROĞLU, LU, O., PARK, K. K.-B. Effect of global climatic chase on carbonation progres sof concrete; concrete In: Atmospheric Environment, č. 41, 2007, s. 7277. 35
Viz ROVNANÍKOVÁ, P., ROVNANÍK, P. (Pozn. 33) Viz ROVNANÍKOVÁ, P. (Pozn. 32)
21
na povrchu zrn vrstvičku vrstvi ku bránící okamžité reakci slínkových minerálů minerál s vodou a posouvá tak počátek poč doby tuhnutí řádově o hodiny. Sekundárně Sekundárn pak ettringit reaguje s dalšími podíly trikalciumaluminát za vzniku tzv. monosulfátu -
má stejně jako C3A malou chemickou odolnost
-
hydrataci C3A v přítomnosti sádrovce popisuje rovnice: 3 CaO·Al2O3 + 3 CaSO4·2H2O + 26 H2O
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O (ettringit)
-
monosulfát vzniká reakcí: 3 CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O + 2(3CaO·Al2O3) + 4 H2O 3 (3CaO· 3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)
Tetrakalciumaluminátferit – 4CaO·Al2O3·Fe2O3 (C4AF) -
tvoří se při poměru ěru A:F = 1:1, někdy n kdy vznikají ne zcela definované sloučeniny, slou které lze obecněě vyjádřit vyjád vzorcem C2(A,F)
-
nachází se ve světlé ětlé skelné fázi
-
reaguje s vodou za vzniku C4(A,F)Hx, C3AH6 a C3FH6
-
zee slínkových minerálů minerál má největší chemickou odolnost
-
někteří autořii jeho existenci ve slínku popírají a uvádí, že v podstatě podstat jde o tuhý 36 roztok C2F a C6A2F ve formě form skloviny se značnou nou vazností a malým smrštěním. smršt
„Volné CaO, stejně jako MgO, je ve slínku slí omezeno z důvodu vodu pomalé reakce s vodou, kdy v zatvrdlém cementovém tmelu dochází k tvorbě hydroxidů Ca(OH)2 a Mg(OH)2 s větším molárním objemem.“37 Dochází tak k tzv. vápennému rozpínání (VmCaO
36
MATOUŠEK, M., DROCHYTKA, R. Atmosferická koroze betonů. Praha: ČKAIT, 1998, s. 31.
37
Viz ROVNANÍKOVÁ, P., ROVNANÍK, P. (Pozn. 33), 33) s. 39.
22
5. Degradace betonu Na beton působí řada činitelů způsobujících jeho degradaci, a podle charakteru účinku jejich vlivu rozdělujeme korozi na fyzikální38, chemickou a biologickou, která je podle druhu působení organismu také dvojí, a to fyzikální např. při porušování betonu mechanicky růstem kořenů a zadržováním vody nebo chemická biokoroze, která je způsobována
produkty
životních
pochodů
vyšších
živočichů
a
bakterií.39
Nejnebezpečnější pro beton je chemická koroze, ta je způsobena buď kapalnými látkami – hovoříme tak o chemické korozi kapalným prostředím, anebo plynným agresivním prostředím a tudíž se jedná o atmosferickou korozi. „Rychlost koroze je určována průběhem chemické reakce agresivních látek se složkami cementového tmelu a rychlosti výměny kapalného prostředí u povrchu betonu. Málo rozpustné produkty vytvářejí na povrchu betonu vrstvičku, která brání vnikání dalších agresivních látek do betonu. Rychlost koroze je určována difúzí agresivních látek povrchovou vrstvičkou (řídí se zákony difúze).“40 Všechny procesy koroze betonu souvisejí se snížením obsahu hydroxidu vápenatého v cementovém tmelu a mají vliv na korozi ocelové výztuže. 5.1.
Chemická koroze kapalným agresivním prostředí
Podle typu reakce betonu s kapalným agresivním prostředím se rozlišují tři druhy koroze cementu, jak je uvedeno na následujícím schématu (Obr. 1.).
38 Na fyzikální korozi mají vliv teplota, vlhkost a mechanické porušování betonu a to nárazy, třením či proudící vodou, která vyplavuje cementový tmel a obnažuje tak kamenivo. Také při nízkých teplotách, kdy mrzne voda v kapilárních pórech a následně vzniklý led působí na stěny pórů velkým krystalizačním tlakem. A stejně tak vysoké teploty mohou být škodlivé, kdy při teplotách nad 150°C se začne uvolňovat vázaná voda z hydratovaných produktů a rozkladem cementu dochází k poklesu pevnosti betonu.
39
ROVNANÍKOVÁ P., ROVNANÍK P., KŘÍSTEK R. Stavební chemie, Degradace stavebních materiálů a chemie kovů. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2004, s. 18. 40
Ibidem, s. 11.
23
POŠKOZENÍ CEMENTOVÉHO TMELU KAPALNÝM PROSTŘEDÍM
KOROZE I. DRUHU Vyluhování složek cementového tmelu
Rozpustné Ca2+ sloučeniny
KOROZE II. DRUHU Výměnné reakce vznik nevazebných sl.
Neexpansivní nerozpustné Ca2+ sloučeniny
KOROZE III. DRUHU Tvorba produktů s velkým objemem
Nahrazení Ca2+ iontů v CSH sloučeninách
Vzrůst porozity a propustnosti
Ztráta alkality
Vzrůst vnitřního tlaku
Ztráta hmotnosti
Ztráta pevnosti
Trhliny a drcení
Deformace
Obr. 7. Schéma poškození betonu kapalným agresivním prostředím41
Koroze I. druhu spočívá ve vyluhování a dalším rozpouštění hydroxidu vápenatého z tmelu, čímž se jak zvyšuje porozita materiálu, tak také ztrátou hydroxidových iontů se snižuje pH pórového roztoku, a tedy i stabilita hydratovaných slínků, stejně tak jako pasivita ocelové výztuže. „Koroze II.druhu je způsobena výměnnými reakcemi mezi složkami cementového tmelu, zejména Ca(OH)2. Zahrnuje reakce agresivního CO2, hydroxidů, kyselin,
41
Ibidem, s. 11.
24
hořečnatých natých a amonných solí (mimo sírany). Výsledkem jsou buď bu rozpustné, nebo nerozpustné sloučenin, které nemají vazebné vlastnosti.“42 Rozpustné produkty jsou poté odplavovány a jsou napadány další podíly cementového cementové tmelu, na druhou stranu vzniklé nerozpustné sloučeniny vytvářejí na povrchu ochrannou vrstvičku a brání tak dalšímu pronikání agresivních látek a někdy dochází i k částečnému zpevnění povrchu betonu. Kyseliny reagují s hydroxidem vápenatým, hydratovanými silikáty a alumináty vápenatými z cementového tmelu za vzniku příslušných p íslušných vápenatých solí. solí Stejně tak i koncentrované roztoky alkalických hydroxidů jsou pro cementový tmel škodlivé. Rozpouštějí jí silikátové a aluminátové složky za vzniku rozpustných křemičitanů k a hlinitanů. Dochází tak k úplnému rozkladu pojivé složky betonu. Do koroze III. druhu spadá porušování betonu tvorbou tvo objemových mových sloučenin. slou Sem patří například íklad sádrovcová koroze, koroze, kdy reakcí hydroxidu vápenatého se sírany sír vzniká sádrovec, který zaplňuje uje póry a po rekrystalizaci na objemnější objemn krystaly tlačí tla na jejich stěny. Sádrovec dále může ůže reagovat s alumináty za vzniku sekundárního ndárního ettringitu (tzv. sulfoaluminátová koroze)), jehož molární objem je 2,65x větší tší než molární objem původních látek. 5.2.
Degradace kameniva
I když se v předešlé edešlé kapitole jednalo hlavně hlavn o korozi pojiva, stejn tejně tak i kamenivo podléhá degradaci obdobnou obnou k těmto třem druhům m uvedených ve schématu chemické koroze kapalným prostředím. ředím. Dochází k rozpouštění ní a vyluhování rozpustných složek kameniva va jako je například např sádrovec, k výměnným nným reakcím agresivního CO2 s uhličitanovými itanovými složkami kameniva (dolomity a vápence), které přecházejí p na rozpustnou formu. Tento děj dě je shodný s principem krasových jevů v přírodě. př Ca2+ + 2 HCO3-
CaCO3 (s) + H2O + CO2
Mimo to dochází také k oxidaci pyritu a dedolomitizaci dolomitického kameniva. kameniva Také obdobně jako v korozi III. druhu vznikají v kamenivu objemné objemn sloučeniny tzv. alkáliovým rozpínáním (ASR (A – alkali silica reaction), kdy reaktivní částice SiO2 ve formě kompaktních xerogelů (opály, opály, chalcedony, silicity) v přítomnosti ítomnosti alkálií z cementu a vody 42
Ibidem, s. 12.
25
přecházejí do alkalicko-silikátového gelu, který má větší objem než původní xerogel. Toto rozpínání se projeví na povrchu vznikem trhlinek a někdy dochází až k vytlačení kapek gelu na povrch betonu. 5.3.
Atmosferická koroze
Atmosferická koroze se často souhrnně nazývá karbonatace podle dominantního podílu agresivního CO2 na degradaci a touto korozí vzniklých produktů – karbonátů. Jak už bylo uvedeno je způsobena kyselými plyny z ovzduší, kromě zmiňovaného CO2 k nim patří SO2, SO3, H2S, NOX, HF, HCl, chlor a další. Tyto plyny se do betonu dostávají póry, porozita materiálu je tudíž pro degradaci rozhodující, a to nejen že tvoří cestu pro přístup agresivním plynům, ale zároveň umožňuje vstup vodě, jejíž přítomnost je pro korozi nezbytná (suché plyny prakticky beton nekorodují). A zároveň se v betonu nachází roztok hydroxidu
vápenatého,
který reaguje s agresivními
plyny jako
první.43
Póry
v cementovém tmelu lze rozdělit podle velikosti na: -
gelové (2 až 4 nm) – nacházejí se v hydratačních produktech a jsou neprůtočné pro vodu
-
kapilární (0,01 až 10 µm) – vznikají odpařením vody, která se nespotřebovala na hydrataci, jejich množství je závislé na vodním součiniteli44
-
technologické (0,05 až 2 mm) – vytvářejí se uzavřením vzduchu při technologickém zpracování, v některých případech jsou vytvářeny záměrně (pórobetony)45
Plyny a vodní páry pronikají do betonu přes póry difúzí, která se tak stává rozhodujícím aspektem koroze. Tento fyzikální děj se také využívá pro zjištění hloubky karbonatace a určení tak předpokládané životnosti konstrukce při matematickém modelování procesu karbonatace.
43
ANN, K.Y., PACK, S.-W., HWANG, J.-P., SONG, H.-W., KIM, S.-H. Service life prediction of concrete bridge structure subjected to carbonation; In: Construction and Materials, č. 24, 2010, s. 1494.
44
Vodní součinitel vyjadřuje poměr záměsové vody k cementu (v/c). Podle mineralogického složení slínku se teoretická hodnota pohybuje okolo 0,20 až 0,25.
45
Viz ROVNANÍKOVÁ, P., ROVNANÍK, P. (Pozn. 33), s. 44.
26
5.3.1. Difúze Molekulární difúze je fyzikální jev, kdy se jednotlivé molekuly zastupují. Jedná se o zastupování plynu v plynu, tudíž ve vodou zaplněných pórech nemůže difúze probíhat.46 Matematickým vyjádřením difúze v izotropním prostředí za stálých podmínek je první Fickův zákon: i = - D · grad c47 Podle kterého je množství difundující látky procházející jednotkou plochy za jednotku času i přímo úměrné gradientu koncentrace c ve směru kolmém k této ploše. D, koeficient difúze, je tady součinitelem úměrnosti. Hnací silou difúze plynů a par je ve smyslu prvního Fickova zákona jejich koncentrační spád, resp. u deskových konstrukcí koncentrační rozdíl difundujícího plynu po obou stranách desky. V technické praxi jej pak vyjadřujeme rozdílem parciálního tlaku difundujícího plynu nebo páry p (Pa).48 Základní difúzní zákon pak můžeme přepsat do tvaru: i = δ · grad p Kde δ je součinitel difúzní vodivosti, materiálová konstanta, která číselně udává, kolik kg vodní páry projde daným materiálem, plochou 1 m2 do hloubky 1 m, za 1 sekundu při tlakovém rozdílu 1 Pa po obou stranách. Z prvního Fickova zákonu se pak odvozuje difúzní model pro difúzi CO2. A pokud předpokládáme, že hloubka karbonatace je shodná s čelem karbonatace, za jehož okrajem je koncentrace CO2 rovno nule, můžeme vypočítat přímo hloubku karbonatace Xc v čase t a tuto rovnici vyjádřit jako:
46
Jestliže při difúzi nastává ještě i rozpuštění plynné fáze v pevné, hovoříme o permeaci.
47
Fickův zákon lze takto vyjádřit jen v případě stálého koncentračního gradientu, v případě, že se koncentrace s časem (τ) mění, využíváme druhý Fickův zákon: δc/δτ= D δ2c/(δx2) 48
Viz MATOUŠEK, M., DROCHYTKA, R. (Pozn. 36), s. 15.
27
Kde je difúzní koeficient CO2 (cm2/s) a je koncentrace CO2 v atmosféře. Člen a (kg/m3) vyjadřuje celkové množství CO2 potřebné pro úplnou karbonataci, toto množství lze vyjádřit ze vztahu mezi CaO a míry hydratace49:
0,75 · C · CaO ·
( …. obsah cementu)
Z těchto rovnic vyplývá, že rychlost karbonatace je rozhodující mírou závislá na koncentraci oxidu uhličitého v atmosféře, a tato koncentrace se s postupem času rapidně zvyšuje.
Obr. 8. Graf se změnami koncentrace CO2 v globálním měřítku50
Prostředí se tak stává daleko agresivnější a je důležité zkoumat i míru propustnosti oxidu uhličitého přes ochranné povrchy, ať už nátěry nebo různé druhy povlaků. (Například D.C.Park vytvářel modely difuzní propustnosti CO2 pro různé povlaky, viz 51) Schopnost materiálu odolávat difúzi je charakterizována činitelem difúzního odporu µ. Tato konstanta udává, kolikrát větší difúzní odpor klade určitá látka proti stejně tlusté vrstvě vzduchu o stejné teplotě. Používá se jako materiálová konstanta k popisu látek a zahrnuje se i do výpočtu pro posouzení trvanlivosti daného materiálu. Při ní se hodnotí buď doba, za kterou prodifunduje škodlivý plyn do předem stanovené hloubky, anebo 49
Viz YOON, I.-S., ÇOPUROĞLU, O., PARK, K.-B. (Pozn. 34), s. 7275.
50
Ibidem
51
PARK, D.C. Carbonation of concrete in relation to CO2 pereability and degradation of coatings; In: Construction and Building Materials, č. 22, 2008, s. 2260-2268.
28
přímo hloubka průniku škodlivého plynu v materiálu za přesně definovanou jednotku času. Vyhodnocení se provádí podle níže uvedeného vztahu. Základní vztah mezi určovanou veličinou a veličinami dosazovanými pro CO2 je 52: d · µ · ρ · CaO · °K &'( 2,987 · 10/0 p·τ Pro SO2 se dá vztah analogicky přepsat jako: d · µ · ρ · CaO · °S 2,274 · 10/0 p·τ d…tloušťka vzorku (m) µ…činitel difuzního odporu ρ…objemová hmotnost (kg/m3) CaO…obsah oxidu (%) v betonu schopného reakce s kyselinotvornými plyny °Kmax…maximální stupeň karbonatace (80%)…°S…stupeň sulfatace p…parciální tlak CO2 (v běžné atmosféře 30Pa) τ…čas 5.3.2. Karbonatace Podstatou karbonatace je neutralizační reakce oxidu uhličitého se zásaditými produkty hydratace cementu za vzniku karbonátů, které už nemají dané pojivové vlastnosti nebo jsou rozpustné. Tato reakce ve výsledku způsobuje snižování pH pod přípustnou hodnotu (pH=9) a následné nebezpečí koroze ocelové výztuže železobetonu. Změření pH (orientačně fenolftaleinem) se tak používá jako první a nejrychlejší způsob zjištění stavu materiálu. Podle chemických přeměn v cementu v průběhu karbonatace tento proces Matoušek rozděluje do čtyř etap.53
52
Viz MATOUŠEK, M., DROCHYTKA, R. (Pozn. 36), s. 147.
53
MATOUŠEK, M. Působení vybraných atmosférických činitelů na stavební konstrukce a možnosti využití difúzních pochodů pro jejich ochranu a zvětšení trvanlivosti. Doktorská disertační práce. Brno: FAST VUT v Brně, 1977.
29
V průběhu hu karbonatace nejdříve nejd CO2 napadá Ca(OH)2, který je rozpuštěn rozpušt v pórovém roztoku, a vzniká tak CaCO3, který vykrystalizuje přímo v kalcitové modifikaci v pórech a postupně je tak zaplňuje, ňuje, tímto zhutněním sice zabraňuje uje dalšímu přístupu př agresivního plynu, ale na druhou stranu se začíná za měnit mikrostruktura ikrostruktura cementu. Tento děj zahrnuje první etapa karbonatace. karbonatace Neutralizačními reakcemi snížená koncentrace Ca(OH)2 v roztoku způsobí sobí jeho další rozpouštění rozpoušt ní a opakování uvedené reakce až do vyčerpání zásob hydroxidu. Poté v tzv. druhé etapě začne CO2 reagovat s dalšími produkty hydratace54. Následující schéma (Obr. 9.) znázorňuje kinetiku těchto ěchto přeměn p a to jak s přechodnými fázemi, tak i s konečnými nými stabilními podobami karbonátů. karbonát Zjištění v jaké formě je přítomen CaCO3 je důležité pro posouzení míry karbonatace arbonatace daného materiálu. materiálu
Obr. 9. Schéma přeměn v průběhu karbonatace55
V druhé etapě je vzniklý uhličitan uhli vápenatý společně s amorfním gelem kyseliny křemičité v pseudomorfózách po hydratačních hydrata ních zplodinách maltovin, tedy jako velmi jemnozrnné krystalické novotvary CaCO3. V této fázi nedochází k výrazným změnám zm mechanických vlastností betonu, dochází však k výraznému poklesu pH56. Mechanické vlastnosti se postupněě zhoršují až během b třetí etapy karbonatace, kdy dochází k překrystalizování dříve říve vzniklých uhličitanů uhli na poměrně velmi rozměrné, rozm proti 54
Pro jejich stálost by bylo zapotřebí pH kolem 10 a vysoká koncentrace vápníkových iontů. iontů. Při Př pH ≤ 6,5 jsou již všechny komponenty ty tmelu nestálé (Viz ( MATOUŠEK M., DROCHYTKA, R. (Pozn. 36), s. 21.). 21 55
Viz MATOUŠEK M., DROCHYTKA, R. (Pozn. 36), 36) s. 22.
56
Postupnou hydratací hrubších zrn cementového slínku si dokáže cementový tmel doplňovat dopl ovat úbytek hydroxylových iontů a udržet si tak relativně vysokou hodnotu pH mezizrnečného mezizrne roztoku.
30
dřívějším útvarům i více než desetkrát větší, krystaly kalcitu a aragonitu. A zároveň méně stálé modifikace CaCO3 přecházejí vlivem vlhkosti i vyšší teploty na modifikace stálejší. Ve čtvrté etapě už celou strukturu cementu prostupují hrubé krystaly kalcitu popřípadě aragonitu a dochází tak k úplné karbonataci.57 Tyto velké krystaly vytvářejí v celé struktuře betonu krystalizační tlaky a zároveň s mikrostrukturálními přeměnami způsobují destrukci cementového tmelu, k silnému korozivnímu napadení výztuže a v konečném stavu může dojít k úplné ztrátě soudržnosti betonu.58 5.3.3. Sulfatace Obdobným procesem ke karbonataci je sulfatace, pojmenována obdobně jako u karbonatace podle produktu koroze. Způsobuje ji oxid siřičitý, který proniká do betonu a reaguje s hydratačními produkty za vzniku sádrovce a ettringitu. Tato koroze nebyla dříve příliš zdůrazňována vzhledem k zanedbatelnému množství SO2 v porovnání s CO2, který se hlavně podílí na degradaci betonu. Podobně jako u karbonatace i zde lze formulovat čtyři pomyslné etapy sulfatace. Stejně jako v předešlém případě i tady nejdříve v první etapě reaguje SO2 s rozpuštěným Ca(OH)2 v pórovém roztoku za vzniku hemihydrátu siřičitanu vápenatého, který postupně zaplňuje póry a úbytkem hydroxidu klesá hodnota pH. V druhé etapě po vyčerpání zásob hydroxidu se začínají přeměňovat ostatní hydratační produkty, které zatím zůstávají v pseudomorfózách, ve tvarech po hydratačních a karbonatačních produktech, a nadále zaplňují póry. K překrystalizování dochází ve třetí etapě, kdy se primárně vzniklý hemihydrát siřičitanu vápenatého modifikuje do objemově rozměrných krystalů sádrovce, které už zcela póry zaplní, a ve čtvrté etapě už jeho krystaly prostupují celou strukturu cementového tmelu a dojde ke vzniku trhlinek v betonu a ztrátě jeho pevnosti. „Při střídavém provlhčování lze někdy zaznamenat ještě stádium páté, které je charakteristické zřetelnějším rozpadem betonu v důsledku vzniku bisulfátu, resp. monosulfátu vápenatého, což je ovlivněno hodnotou pH. Při hodnotách pH nižších než 6,5 uvedené sloučeniny již nalezeny nebyly. Tato etapa může nastat přímo i po třetí etapě.“59
57
DROCHYTKA, R., ROVNANÍKOVÁ P., HELA, R. Diagnostika koroze železobetonových konstrukcí; In: SANACE betonových konstrukcí, č. 4., r. IV., 1996, s. 12.
58
Viz MATOUŠEK M., DROCHYTKA, R. (Pozn. 36), s. 24.
59
Ibidem, s. 97.
31
Přeměny ny karbonatace a sulfatace jsou uvedeny na následujícím schématu (Obr. 10):
Obr. 10. Schéma přeměn v průběhu sulfatace60
Etapy karbonatace a sulfatace se samozřejmě samoz v reálném prostředí ředí prolínají a dochází tak k tzv. synergické korozi CO2 a SO2. Vzhledem k většímu tšímu obsahu CO2 v ovzduší dochází nejprve ke karbonataci cementu. cementu Poté, co se CO2 dostává do hlubších vrstev betonu, začíná SO2 v povrchových vrstvách přeměňovat ovat jemnozrnné produkty karbonatace. Stejným mechanismem koroze postupuje i nadále, karbonatační karbo novotvary jsou vždy následnými sulfatačními sulfata reakcemi přeměněny na produkty sulfatace. (Vzhledem k nižší koncentraci SO2
v poměru k CO2 jsou vyšší stádia sulfatace
61
dlouhodobou záležitostí.)
5.3.4. Koroze betonu dalšími kyselinotvornými plyny Mezi další plyny, které negativně negativn působí sobí na cementový tmel potažmo beton, patří pat sulfan, nacházející se především ředevším v zemědělských objektech, ech, a oxidy dusíku NOX, které vznikají přii spalovacích procesech a v chemickém průmyslu.
60
61
Ibidem, s. 97. Ibidem, s. 99.
32
5.3.5. Koroze výztuže v degradovaném betonu Ocelová výztuž železobetonu je v případě nepoškozeného betonu uložena v silně zásaditém prostředí. V takovém prostředí se na povrchu železa vytváří poměrně hutná vrstva stálých oxidů a hydroxidů železa, které ocel na povrchu pasivují. Atmosférickou korozí, v největší míře tedy karbonatací, se tato zásaditost pórového roztoku snižuje, a to již ve fázi počáteční karbonatace z původní hodnoty pH 12,4 na 9. Při této hodnotě pH se už ochranná vrstva výztuže stává pórovitou a málo stálou. Ztrátou pasivity a za přítomnosti vlhkosti a vzdušného kyslíku výztuž koroduje.62 Koroze výztuže může být dvojí – chemická nebo elektrochemická. Chemická koroze je způsobena přímým působením korozivních látek (kyseliny a kyselinotvorné plyny) na výztuž. Zatímco elektrochemická koroze probíhá v přítomnosti elektrolytu dvěma spřaženými ději – katodovým a anodovým (viz Obr. 11).
O2 2 Fe(OH)2 + 1/2 O2 + H 2O → 2 Fe(OH)3
H2 O BETON
2 Fe2+ + 4 OH - → 2 Fe(OH)2
2 Fe0 – 4 e- → 2 Fe2+ anoda
O2 + 2 H2 O + 4 e- → 4 OHOCEL
katoda
0br. 11. Schéma elektrochemické koroze výztuže63
62
Za přítomnosti chloridů ale i síranů a dusičnanů může dojít ke korozi výztuže už i v alkalickém prostředí.
63
Viz ROVNANÍKOVÁ, P., ROVNANÍK, P., KŘÍSTEK, R. (Pozn. 39), s. 42.
33
5.3.6. Fyzikálně chemické stanovení atmosférické koroze Pro určení míry atmosférické koroze je potřeba určit stupeň karbonatace (případně i sulfatace), stupeň modifikačních přeměn a hodnotu pH. -
Stupeň karbonatace (°K) je procentuální vyjádření poměru zkarbonátovaného CaO k celkovému obsahu CaO, schopného reakce s kyselinotvornými plyny - celkové CaO se zjistí z chemickým rozborem nalezeného oxidu vápenatého (CaOR) a sírového, který ve výpočtu zastupuje oxid vápenatý: CaO = CaOR – O,7 . SO3 - zkarbonátované CaO se vypočte z obsahu CO2 vázaného na uhličitan vápenatý: CaOkarb = 1,273 (CO2j + CO2h) CO2j-obsah CO2 vázaného na jemnozrnný CaCO3 CO2h-obsah CO2 vázaného na hrubozrnný CaCO3
°K -
3'45 6 3'4
· 100
Stupeň sulfatace (°S) je procentuální vyjádření poměru CaO vázaného na plynné oxidy síry k celkovému obsahu CaO - určí se výpočtem z obsahu CaO, SO3 a SO2, zjištěným termochemickým stanovením °S
-
Stupeň
O, 700 · SO7 · 0,875 · SO · 100 CaO
modifikačních
přeměn
(°MP)
vyjadřuje
a jemnozrnných krystalů CaCO3 (je bezrozměrným číslem) °MP
34 : 34 ;
34
poměr
hrubozrnných
Po zjištění hodnot těchto veličin je možné určit v jaké etapě karbonatace se vzorek nachází (viz tabulka), ovšem získáme jenom orientační údaj vzhledem k určitému překrývání jednotlivých etap.64
Etapa I II III IV
Stupeň karbonatace méně než 55 55 - 73 73 - 85 více než 85
Stupeň modifik. přeměn více než 0,5 0,5 - 0,4 0,4 - 0,8 více než 0,8
Hodnota pH více než 10,8 10,8 - 9,6 9,6 - 8,0 méně než 8,0
Zkušební postupy: Pro fyzikálně chemické stanovení atmosférické koroze se provádí tyto stanovení: a. Chemické stanovení ztráty žíháním b. Stanovení CaO - lze využít jakékoliv analytické metody, v praxi se nejvíce uplatňuje komplexometrická titrace Chelatonem 3 - z obsahu CaO můžeme také přibližně vypočítat obsah cementu ve výchozí betonové směsi, zde je ovšem nutné znát ještě hodnotu nerozložitelného podílu v kyselině c. Stanovení síranové síry (vážkovou metodou) d. Elektrochemické stanovení pH ve výluhu - při nutnosti rychlého zhodnocení stavu konstrukce se samotná hodnota pH může stát ukazatelem míry degradace
64
Viz MATOUŠEK, M., DROCHYTKA, R. (Pozn. 36), s. 118.
35
Obr. 12. Graf vztahu pH k etapě karbonatace65
e. Termická analýza - Používá se k určení množství penetrovaného CO2 v betonovém materiálů materiál a zároveňň podle jednotlivých teplotních intervalů, intervalů, v kterých dochází k uvolňování ňování oxidu, můžeme m odlišit zda-li li se jednalo o oxid z rozkladu jemnozrnného nebo hrubozrnného uhličitanu vápenatého penatého. (viz samostatná kapitola) f. Rentgenometrické stanovení hlavních mineralogických složek (laterit, kalcit, sádrovec, CaSO3.1/2H2O, CaSO4.1/2H2O a ettringit) g. Snímkování mikrostruktury betonu na rastrovacím elektronovém mikroskopu h. Doplňkové kové metodymetody Infračervená absorpční ní spektrografie (využívá se ji pro určení ur jedné nebo více sloučenin enin ve zkoumaném vzorku) - měření míry koroze pomocí akustické emise66
65
Viz MATOUŠEK, M., DROCHYTKA, YTKA, R. (Pozn. 36), 36) s. 118.
66
Viz DROCHYTKA, R., ROVNANÍKOVÁ P., HELA, R. (Pozn. 57)
36
Termická analýzaMetodami termické analýzy se sledují pochody, probíhající při zahřívání nebo ochlazování vzorků, jako dehydratace, oxidace, tepelná disociace, krystalizace, tání, sublimace, polymerace, fázové přeměny a jiné změny. Navíc dílčí metody termické analýzy zaznamenávají změny hmotnosti vzorku, uvolňování nebo pohlcování tepla, vzácněji také změny objemové nebo rozměrové, vývoj nebo pohlcování plynů, změny elektrické vodivost atd. Pro přesnější popis dějů probíhajících v analyzovaném vzorku se používá více těchto dílčích metod najednou během jednoho měření. Nejčastější tzv. simultánní metodou je TG – DTA a obdobné TG – DSC (použita v experimentální části): Termogravimetrie (TG) -
patří mezi dynamické analytické metody, při které se sleduje změna hmotnosti analyzovaného vzorku v závislosti na teplotě nebo čase
-
při zahřívání dochází k uvolňování plynu, což se odrazí ve snížení hmotnosti zkoumané látky
mAB(s) = mA(s) + mB(g)
Diferenční termická analýza (DTA) -
tato dynamická metoda sleduje pochody, při kterých dochází ke změnám fyzikálních
vlastností
zkoumaného
vzorku
(jedná
se
o
exotermické
a endotermické pochody) -
tyto změny se projevují uvolňováním nebo spotřebováním tepelné energie za plynulého ohřevu nebo ochlazování analyzovaného a srovnávacího vzorku, porovnávají se tak teplotní změny zkoumaného vzorku se srovnávacím vzorkem, který těmto změnám nepodléhá
-
teplotní rozdíl ∆T se zaznamenává graficky jako křivka s teplotními maximy a minimy, podle toho kde došlo k exotermním nebo endotermním reakcím
Diferenční kompenzační kalorimetrie (DSC) -
měřenou veličinou je zde reakční entalpie
-
dělí se dále na DSC s kompenzací příkonu a na DSC tepelného toku „DSC s kompenzací příkonu se nazývá též jako „obrácená“ DTA. Zatímco u DTA jsme zjišťovali teplotní rozdíly mezi vlastním a srovnávacím vzorkem, podstatou DSC s kompenzací příkonu je naopak zachování nulového teplotního rozdílu mezi 37
měřeným a srovnávacím vzorkem. Tato varianta DSC je charakterizována dvěma oddělenými měřícími celami a dvěma tepelnými zdroji a měříme tedy elektrický příkon, který je potřebný k udržení konstantní teploty obou vzorků. Křivka DSC dQ / dt = f (t), kde Q značí tepelnou energii, stejně jako křivka DTA, obsahuje píky. Odlišnost od DTA spočívá v jejich opačné orientaci vzhledem k ose x. Při endotermickém ději byla v případě DTA hodnota rozdílu teplot záporná, u DSC tomuto ději odpovídá kladná hodnota tepelné energie.“67 Metoda termické analýzy bývá pro svou jednoduchost nejčastěji používanou zkouškou při rozboru betonu. Každá složka betonu je charakterizována teplotním rozmezím svého rozkladu. U hydroxidu vápenatého dochází při zahřívání k uvolňování vody, stejně tak jako u hydratovaných silikátů. Při vyšších teplotách pak dochází k rozkladu produktů karbonatace, při kterém se uvolňuje CO2, a jak už bylo uvedeno výše, podle teplotního rozmezí, v kterém dochází k úbytku jeho množství z analyzovaného vzorku, můžeme určit, v jak stabilní formě byl oxid vázán. Přičemž stabilnější forma – kalcit, tedy hrubozrnný karbonát, se rozkládá později než jemnozrnné, méně stabilnější formy, jako je vaterit a aragonit. V uvádění teplotních intervalů nejsou odborníci v literatuře jednotní. Francouzští vědci Villain, Thiery a Platret zkoumali experimentálně tyto teplotní intervaly na cementové pastě a betonové maltě,68 přičemž brali v potaz i hloubku odběru, a tudíž i postup karbonatace. Jejich výsledky shrnují následující grafy:
67
http://ustavchemie.sci.muni.cz/tgir/uloha8.pdf
68
Nejčastěji se k analýze využívá cementová malta méně pak beton, kde může být výsledek naměřeného množství kalcitu z karbonatace zkresleno započítáním rozkládajícího se kalcitu z vápencového kameniva. (vápenné agregáty se rozkládají mezi 720-980°C)
38
Obr. 13. Výsledky DTG vzorků cementové pasty P45 z různých hloubek (po 14denní karbonataci).69
Obr. 14. Výsledky DTG vzorků betonové malty B35EAS z různých hloubek (po 14denní karbonataci)70
69
VILLAIN, G., THIERY, M., PLATRET, G. Measurement methods of carbonation profiles in concrete: Thermogravimetry, chemical analyssis and gammadensimetry; In: Cement and Concrete Research, č. 37, 2007, s. 1187.
70
Ibidem, s. 1188
39
Grafy ukazují, že H2O z hydrátů se uvolňuje v rozmezí mezi 430 – 530 °C, poslední pík začíná u 750 °C a v hlubších vrstvách stoupá až na 780 – 950 °C, mezi tím jsou umístěny ještě dva píky (550 – 780 °C), které jsou ve spodních vrstvách těžce od sebe rozlišitelné. Navíc i v těch nejvíce zkarbonátovaných cementech vždy zůstává zbytkový Ca(OH)2, který byl v průběhu karbonatace překryt vrstvou karbonatačních novotvarů, která se při zkouškách rozloží. V literatuře se často objevují dvojí interpretace úbytku množství mezi 530 – 650 (760)°C, bývá to připisováno uvolněné vodě z hydrátů, a to u nekarbonátovaných betonů, na druhé straně karbonatací CSH vzniklý vaterit se také rozkládá v tomto rozmezí (500 – 700 °C). Analýzy výše uvedených grafů byly pro ověření ještě kombinovány se spektrometrii a v závěru se tým Villain, Thiery a Platret71 přiklonili k verzi, že se převážně jedná o uvolněný CO2. Tudíž v rozmezí 530 - (650) 760 °C se rozkládá méně stabilní karbonát a stabilní karbonáty se rozkládají při teplotách 760 (650) – 950 °C. Zároveň přiznávají, že přesné teploty není zatím možné určit. K podobným závěrům dochází i Matoušek a Drochytka72, kteří uvádějí, že jemnozrnný vaterit a podíl jemnozrnného aragonitu se začíná rozkládat v rozmezí 550 – 580 °C, přičemž tento rozklad končí nejpozději kolem 700 °C, a to podle množství přítomného jemnozrnného karbonátu. Ztráty hmotnosti nad touto teplotou pak připisují rozkladu hrubozrnného podílu aragonitu a kalcitu. Za konečnou teplotu rozkladu veškerých modifikací karbonátu považují už ale teplotu kolem 800 °C. 950 °C jako konečnou teplotu pak ve shodě s francouzskými vědci uvádějí odborníci z taiwanské univerzity Chang a Chen, kteří ve své studii73 docházejí ke stručnějším závěrům a konstatují, že u DTG křivky se první pík objevuje kolem 100 °C a značí odpaření vody z větších pórů, kolem 130 °C jde pak o vodu z mikroskopických pórů. Další pík mezi 425 – 550 °C připisují dehydrataci Ca(OH)2 a poslední ztráta mezi 550 – 950 °C odpovídá CO2. Na závěr je třeba poznamenat, že při odečítání výsledků z DTG (nebo DSC) křivek je třeba pamatovat, že tento stav je ovlivněn řadou faktorů, ať je to hloubka odběru a její množství nebo i složení kameniva, u něhož obsah kalcitu může ovlivnit poměr mezi 71
Ibidem, s. 1191.
72
Viz MATOUŠEK, M., DROCHYTKA, R. (Pozn. 36), s. 114.
73
CHANG, Ch.-F., CHEN, J.-W. The experimental investigation o concrete carbonation depth; In: Cemnet and Concrete Research, č. 36, 2006, s. 1763.
40
jemnozrnnými a hrubozrnnými karbonáty a nakonec i choulostivost a obtížnou kalibraci měřících přístrojů. Proto je potřeba tyto výsledky korigovat i dalšími chemickoanalytickými zkouškami.
6. Ochrana a sanace zkorodovaných betonových konstrukcí Nejúčinnější ochranou je samozřejmě primární prevence vhodnou volbou materiálu. Vzhledem k značnému vlivu porozity na rychlost degradace je výhodné používat dobře zhutněné betony, jejichž nízká porozita zabraňuje pronikání agresivních látek do materiálu. Následně se používají ochranné povrchové úpravy betonu (sekundární prevence), a to nejen jako prevence před atmosferickou korozí, ale také při sanacích (opravách) už degradovaných betonových konstrukcí. Možnosti a postup sanace betonových konstrukcí závisí na jejím stavu a etapě karbonatace, v které se nachází. Sanací se snaží probíhající karbonataci vrátit o etapu zpět nebo ji zastavit či alespoň zpomalit. Pokud se zatím u betonu karbonatace neprojevila, tak se ani většinou nijak nesanuje, jen se opraví případné povrchové vady a jiná místa, kde by se mohla karbonatace výrazně rozběhnout, nejlépe polymercementovou maltou a povrch se opatří novou omítkou případně ochrannými nátěry(viz výše). Větší zásahy se musí podniknout v případě, kdy už se karbonatace začala negativně projevovat (II. a III. etapa). V těchto případech se degradovaný beton odsekává až na „zdravou“ vrstvu nebo podle potřeby až na železnou konstrukci, která se podle míry koroze buď čistí, anebo nahrazuje. Odsekané části se pak nahradí novým betonem a opatří nátěrem. Tyto stupně sanace s přihlédnutím na etapu karbonatace pro názornost ještě jednou shrnuje následující tabulka, jak ji uvádí Matoušek a Drochytka74:
74
Viz MATOUŠEK, M., DROCHYTKA, R. (Pozn. 36), s. 151.
41
Stupeň Etapa Stav koroze karbonatace I. I. Povrchová koroze betonu II.
počátek II.
III.
II.
IV.
III.
Sanační opatření Důkladné očištění povrchu a impregnace
Povrchová koroze betonu se zjevným poškozením hran a ploch
Odstranění poruchových zón degradovaného betonu, vyspravení povrchu, impregnace Hlubší koroze betonu spojená s Odstranění poruchových zón napadením roznášecí výztuže degradovaného betonu, odstranění zničené výztuže, očištění výztuže; ochrana výztuže před další korozí, přidání nové výztuže, vyspravení povrchu, obnovení krycích vrstev, obnovení alkality betonu, impregnace povrchu Hluboká koroze betonu, Odstranění poruchových zón poškozená roznášecí výztuž, degradovaného betonu, koroze hlavní výztuže velké odstranění zničené výztuže, poškození povrchu betonu, očištění výztuže, přidání nové ohrožení statické funkce výztuže, ochrana výztuže před konstrukce korozí, vytvoření adhezního mostu, reprofilace konstrukce, povrchová impregnace
V těchto případech se vždy jedná o invazivní zásahy naproti tomu, jako zajímavá metoda, se jeví elektrochemická realkalizace, nedestruktivní metoda, která vychází vstříc požadavkům historiků a památkářů po zachování původního povrchu a materiálu historických staveb a jiných památek kulturního dědictví. Může být aplikována pouze na železobetonové konstrukce. Jejím principem je obnova zásaditosti betonu okolo ocelové výztuže
elektrochemickým
způsobem.
Tato
metoda
je
založena
na
použití
stejnosměrného proudu mezi anodou umístěnou dočasně na povrchu betonu a ocelovou výztuží jako katodou. Anoda je zapuštěna v elektrolytu tvořeným celulózou napuštěnou vodným roztokem uhličitanu sodného nebo draselného, jehož kationty po připojení ke zdroji napětí penetrují k ocelové výztuži, zatímco od ní se zase k povrchu dostává
42
hydroxidový aniont (Obr. 15.) a postupně tak obnovují zásaditost betonu a tím i zvyšují pH.75
Obr. 15. Schéma elektrochemické realkalizace76
Obr. 16. Postup realkalizace betonovým povrchem77
75
BERTOLINI, L., CARSANA, M., REDALLI, E. Conservation of historical reinforced concrete structures damaged by carbonation induced corrosin by means of electrochemical realkalisation; In: Journal of Cultural Heritage, č. 9, 2008, s. 377. 76
77
Ibidem, s. 377. Ibidem, s. 378.
43
Obr. 17. Způsob aplikace anody a elektrolytu na sloup78
78
Ibidem, s. 381
44
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Rozbor vzorku betonu z markýzy pasáže paláce Lucerna na Štěpánské ulici v Praze
45
7. Palác Lucerna Palác Lucerna je víceúčelový komplex domů se sítí pasáží ve stylu přechodu od secese k moderně. Byl vybudován na úzké parcele mezi Vodičkovou a Štěpánskou ulicí mezi lety 1907 až 1921 projektantem Vácslavem Havlem. Výstavba byla rozdělena válkou do dvou fází, v první etapě (1907 – 1911) vznikl dům při Vodičkově ulici a dnešní kino, ve druhé etapě bylo dostavěno křídlo ve Štěpánské ulici spolu se zasklenou patrovou pasáží, která ho propojila se starší částí. Nad tím pak byla budova rozšířena o třetí trakt a o dvoranu se zastřešenou kopulí, vyvolávající dojem skutečné zveličené lucerny. Z technického hlediska je pozoruhodné řešení partie při Štěpánské ulici, která je celá nesena unikátním železobetonovým rámem, na němž se v roce 1919 jako statik podílel Stanislav Bechyně. Nosné stěny, schody, komíny a zábradlí byly jenom z betonu. Lucerna byla tak ve své době konstrukčním unikátem a jednou z prvních železobetonových staveb v Československu vůbec a nyní je památkově chráněna.79
8. Analyzovaný betonový segment Vzorek pochází z železobetonového žebra markýzy zastřešující vstup do pasáže ze Štěpánské ulice, která byla pro silnou korozi po roce 2008 sejmuta a nahrazena replikou. Železobetonová žebra zaklenují prostor markýzy a vytváří tak oválnou kopuli nad vstupem. Prostor mezi žebry je vyplněn skleněnými luxfery osazenými do železobetonových spár. Později, když začala touto sklobetonovou konstrukcí protékat voda, byl celý baldachýn shora natřen zeleným pravděpodobně hydroizolačním nátěrem. Přesto byly při průzkumu roku 2008 odhaleny na železobetonových žebrech stopy po protékání vody mezi skleněnými tvárnicemi, žebry i vodorovnými žebírky a lícní povrch obloukových žeber se začal od konstrukce odtrhávat. „Při průzkumu byla část odtrženého povrchu obloukového žebra sejmuta [obr. 21, 22, 23]. Bylo zjištěno, že odtržení povrchu v tloušťce cca 4 centimetry způsobila koroze výztuže. Výztuž, která prochází v ose žebra a která původně měla cca Ø18 mm, je úplně zkorodovaná. Po stranách žebra procházely původně dva pruty podélné subtilní 2 výztuže (průměr cca 6 mm), které jsou rovněž v místě sondy zcela zkorodované. Třmínky nebyly v místě sondy zjištěny. Do odtrženého 79
http://www.zastarouprahu.cz/kauzy/lucerna/projekt.htm http://www.archiweb.cz/news.php?type=1&action=show&id=3838
46
povrchu žeber se opírají jednotlivá pole sklobetonové výplně, proto nebylo provedeno více sond, aby nedošlo k dalšímu většímu narušení konstrukce. Odhadujeme, že z horní strany obloukových žeber je zkorodováno více než 80 % výztuže a ve vodorovném žebru je zkorodováno více než 50 % výztuže do té míry, že ji nelze více považovat za nosnou (ani oslabený profil). Zjištěné zkorodované zbytky výztuže a jejich otisk do betonu ukazují, že původně použitá výztuž byla hladká, kruhového průřezu. Ze spodní strany bylo zjištěno jedno místo, kde je výztuž obnažena v délce cca 30 cm. Obnažená výztuž je značně zkorodována. Na dalších místech jsou patrné trhliny, zřejmě způsobené korodující výztuží.… Odhadujeme, že ze spodní strany bude výztuž zkorodovaná z 30-50% do té míry, že ji nebude možno více považovat za nosnou (ani oslabený profil).“80
Obr. 18. Pohled na fasádu ze Štěpánské ulice M1:20081
80
ČERVINKA, J. Předběžný průzkum a záměr na obnovu markýzy pasáže paláce Lucerna ve Štěpánské ulici. Nymburk, 2008, s.2
81
Ibidem, s. 4.
47
Obr. 19. Pohled na baldachýn z vysokozdvižné plošiny82
Obr. 20. Baldachýn ze spodní strany83
82
83
Ibidem, s. 12. Ibidem, s. 8.
48
Obr. 21. Místo odběru z obloukového žebra84
Obr. 22. Detail místa odběru85
84
Ibidem, s. 10.
85
Ibidem, s. 11.
49
Obr. 23. Segmenty betonového žebra s otisky výztuže (v odvodňovacím žlabu)86
9. Příprava vzorků pro analýzy Ze segmentu železobetonového žebra byly odříznuty kousky betonu. -
Vzorek 1 pochází z okraje segmentu v místě odlomení od obvodového žebra
-
Vzorek 2 je z částí hlouběji po délce žebra
Oba dva vzorky byly rozemlety, homogenizovány a vysušeny při teplotě 105 °C.
86
Ibidem, s. 11.
50
Obr. 24. Segment žebra z vnější strany se zbytky „hydroizolační“ barvy
Obr. 25. Segment žebra z vnitřní strany s otisky zkorodované výztuže
51
Obr. 26. Místo odběru vzorků
Obr. 27. Vzorek 1
52
Obr. 28. Vzorek 2
10. Použité metody 10.1.
Termická analýza
Byla aplikována simultánní metoda TG-DSC za použití přístroje NETZSCH STA 449 C. Zvyšování teploty probíhalo v intervalech 5 K/min do 1000 °C v normální atmosféře (za přítomnosti vzduchu a při normálním tlaku).
53
VZOREK 1:
54
VZOREK 2:
55
Poznámka: Ve výsledcích mohlo dojít ke zkreslení od reálného stavu cementu. Maximální možná navážka u tohoto přístroje byla do 30 mg. V běžném betonu je poměr pojiva ke kamenivu 1 : 4, tzn., že v navážce bylo max. 6 mg pojiva a tato nízká navážka mohla ovlivnit přesnost výsledku.
10.2.
Chemický rozbor
10.2.1. Vážkové analýzy Stanovení ztráty žíháním: Žíhá se v elektrické pícce při teplotě kolem 1000°C do konstantní hmotnosti. Stanovení SiO2 Vzorek se kyselinou nerozloží dokonale beze zbytku, a proto se vážkově stanovuje oxid křemičitý spolu s kyselinami nerozložitelným podílem. Ten lze pak ze samostatné navážky zvlášť určit jiným postupem. a. Stanovení SiO2 a kyselinou nerozložitelného podílu: Navážka vzorku betonu se stejným množstvím chloridu amonného se rozloží koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou a následně zahřívá na vodní lázni. Poté se zředí horkou vodou a po usazení filtruje. Sraženina se na filtru promývá horkým 5% roztokem HCl, a dále horkou vodou do vymizení reakce na chloridy. Sraženina se poté žíhá a váží ke kvantitativnímu stanovení. b. Stanovení podílu nerozložitelného kyselinou: Navážka vzorku se rozloží koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou a následně se zahřívá na vodní lázni, přičemž se kromě nerozložitelného podílu vyloučí i určité množství kyseliny křemičité, ta se po odfiltrování ze sraženiny na filtrátu oddělí převedením do roztoku 1% hydroxidem sodným. Roztok se po zahřátí zneutralizuje zředěnou HCl (1:1) na methylčerveň a přidá se pár kapek kyseliny navíc. Sraženina se filtruje a promývá 2% roztokem chloridu amonného. 56
Stanovení seskvioxidů Stanovení se provádí ve filtrátu po SiO2 srážením 10% roztokem amoniaku na methylčerveň za horka, kde se R2O3 vyloučí ve formě voluminózních hydroxidů odděleně od kationtů Ca2+ a Mg2+. Před srážením se do roztoku přidává několik kapek kyseliny dusičné, k oxidaci eventuálního Fe2+ na Fe3+, a chlorid amonný, který zabrání tvorbě hydroxidů v koloidní formě a potlačuje disociaci vodného roztoku amoniaku (koncentrace hydroxylových iontů tak nedosáhne takové hodnoty, kdy by se mohl začít srážet Mg2+). Sraženina se poté filtruje a promývá teplým 1% roztokem dusičnanu amonného do vymizení reakce na chloridy. Stanovení síranové síry Síranové ionty obsažené ve vzorku se rozpustí koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou a za varu při hodnotě pH 1 - 1,5 (úprava se provádí zředěným roztokem amoniaku nebo HCl) se vysráží chloridem barnatým (120 g BaCl2.2H2O v 1 l vody podle ČSN EN 196-2) ve formě těžce rozpustného síranu barnatého, který se poté filtruje a promývá vařící vodou do vymizení reakce na chloridy. Z množství BaSO4 se pak odvodí procentuální zastoupení SO3. 10.2.2. Odměrné analýzy Bichromátometrie – stanovení Fe2O3 Vzorek se rozloží koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou a zahřeje se k varu. Poté se Fe3+ redukuje chloridem cínatým do odbarvení žlutého roztoku, přidá se nasycený roztok chloridu rtuťnatého a k okyselení ještě zředěná kyselina fosforečná a sírová (1 : 1). Titruje se 0,1M dichromanem draselným na indikátor difenylamin. Chelatometrie a. Příprava zásobního roztoku: Vzorek betonu se rozpustí zředěnou kyselinou chlorovodíkovou a odpaří do sucha na pískové lázni. Odparek se zvlhčí opět zředěnou HCl, převede do odměrné baňky a doplní destilovanou vodou.
57
b. Stanovení CaO: Principem stanovení je přímá titrace kationtu Ca2+ ve vzorku odměrným roztokem Chelatonu 3 v silně alkalickém prostředí (přidává se 20% roztok triethanolaminu a 20% roztok KOH) na indikátor murexid. Stanovení je možné provádět i v přítomnosti Mg, který tvoří s chelatonem slabší komplex, takže se na chelát váže nejprve kationt Ca2+. c. Stanovení MgO: Při tomto stanovení se titruje suma CaO a MgO v přítomnosti amoniakálního tlumivého roztoku, zředěného amoniaku (1 : 1), 20% roztoku triethanolaminu a malého množství chloridu hydroxyl amonného na indikátor Erio T. Ze sumy CaO a MgO se potom odečte množství vápníku stanoveného v předešlé titraci.87 10.2.3. Měření pH Nejprve se provedlo orientační zjištění pH pomocí 1% roztoku fenolftaleinu a směsného indikátoru Rainbow na čerstvé lomové ploše betonového segmentu. Přičemž fenolftalein prokázal hodnotu pH nad 9,5 a Rainbow Indicator hodnotu mezi 11 - 13. Přesnější pH bylo určeno ve výluzích ponornou elektrodou.
Obr. 12. Orientační zjištění pH – v horní části fenolftaleinem (fialové zbarvení), v dolní Rainbow Indikátorem (modré zbarvení) 87
BRANDŠTETER, J., ROVNANÍKOVÁ, P., ŠIMEK, Z. Chemie stavebních látek. Laboratorní cvičení. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 1991.
58
11. Výsledky VZOREK 1: Výsledky termického rozboru Teplotní rozmezí Složka 76,4 – 158,9°C Dehydratace/rozklad sulfátů 416,1 – 436,0°C H2O z Ca(OH)2 669,0°C – 733,8°C
Chemický rozbor Ztráta žíháním Nerozložitelný podíl SiO2 SO3 R2O3
CO2 z jemnozrnného CaCO3
Úbytek 0,97% 0,49% 9,35%
18,92% 30,96% 9,13% 0,47%
Fe2O3
4,68%
CaO MgO
27,05% 5,32%
celkem
96,53%
3,25%
Naměřené pH výluhu: 12,52 VZOREK 2: Výsledky termického rozboru Teplotní rozmezí Složka
Úbytek
399,0 – 421,8°C
H2O z Ca(OH)2
0,83%
666,4°C – 732,5°C
CO2 z jemnozrnného CaCO3
9,50%
Chemický rozbor Ztráta žíháním Nerozložitelný podíl SiO2 SO3 R2O3 CaO MgO celkem
18,71% 30,04% 9,36% 0,47%
Fe2O3
5,09% 24,75% 8,75%
3,08%
97,17% 59
Naměřené pH výluhu: 12,47
12. Zhodnocení 12.1.
Stupeň karbonatace
VZOREK 1:
°K
3'45 6 3'4
· 100
CaO = CaOR – 0,7 · SO3
CaO = 27,0500 – 0,7 · 0,4720 = 26,7196% CaOkarb = 1,273 · CO2j
CaOkarb = 1,273 · 9,35 = 11,9026% °K
11,9026 · 100 44,5463% 26,7196
VZOREK 2:
°K
3'45 6 3'4
· 100
CaO = CaOR – 0,7 · SO3
CaO = 24,7539 - 0,7 · 0,4731 = 24,4227% CaOkarb = 1,273 · CO2j
CaOkarb = 1,273 · 9,5 = 12,0935% °K 12.2.
12,0935 · 100 49,5175% 24,4227 Etapa karbonatace
Vzhledem k nízkému stupni karbonatace (pod 55 %) a stále vysokému pH u obou vzorků, bylo zjištěno, že segment železobetonového žebra spadá do I. etapy karbonatace, což také podporuje prozatímní nepřítomnost hrubozrnného uhličitanu.
60
13. Závěr Analýzami bylo zjištěno, že beton železobetonových žeber spadá do I. etapy karbonatace, a stále si tedy zachovává většinu svých kvalit. Na betonu železobetonové konstrukce se ale nacházela řada trhlin vzniklých teplotní dilataci (u menších žebírek tvořících kostru pro skleněnou výplň) a dalšími poruchami. Těmito trhlinami se do konstrukce dostávala voda a korodovala výztuž. Postupující koroze výztuže navíc způsobila další rozpraskání betonu a nově vzniklými trhlinami mohla pronikat další voda a kyselinotvorný plyn, koroze se tedy ještě urychlila. Kvůli trhlinám tudíž beton i přes svůj dobrý stav nemohl tvořit patřičnou ochranu výztuže, a ta korodovala do té míry, že přestala být nosnou a při předběžném průzkumu Josefem Červinkou88 bylo rozhodnuto, že je potřeba konstrukci, a tedy celý baldachýn vyměnit. Tato akce výměny byla ukázkou nutného definitivního zásahu památkové péče. Palác Lucerna není jedinou železobetonovou památkou, navíc je mnoho významných staveb pro kulturní dějiny, které sice nebyly prohlášené za kulturní památku, ale pozornost a ochranu památkové péče si zaslouží. Výměna baldachýnu Lucerny byla konečným zakročením. Pro památkovou ochranu by mělo být důležité předejít těmto úplným náhradám nebo jiným drastickým zákrokům včasnými průzkumy materiálu a konstrukcí železobetonových staveb a prováděním údržby, např. použitím vhodné sekundární ochrany ve formě různých nátěrů a impregnací nebo lokálními opravami, které by zamezila další postup koroze. Železobetonové stavby i samotný jejich materiál tvoří svědectví své doby, které je potřeba zachovat.
88
ČERVINKA, J. Předběžný průzkum a záměr na obnovu markýzy pasáže paláce Lucerna ve Štěpánské ulici. 2008.
61
Bibliografie: Historie betonu LÁNÍK, J., CIKRT, M. Dvě tisíciletí vápenictví a cementárenství v českých zemích. Praha:SV CEVA, VUMO, 2001. MATOUŠKOVÁ, A. Od tradičního vápenictví na území Českého krasu ke vzniku moderní továrny na výrobu portlandského cementu v Králově Dvoře v roce 1911. Beroun, 1995. http://www.beton.cz/encyklopedie/historie Beton v architektuře CZUMALO, V. O výrazu betonu; In: Beton v architektuře, samostatná příloha Beton TKS. Praha, 2005. JASIEVIČ, V. Betón a železobetón v architektúre. Bratislava: Alfa, 1987. MARGOLDOVÁ, J. Z historie užití betonu; In: Beton v architektuře, samostatná příloha Beton TKS. Praha, 2005. SEIDLOVÁ, I., DOHNÁLEK, J. Dějiny betonového stavitelství v českých zemích. Praha: IC ČKAIT, s.r.o., 1999. ŠVÁCHA, R. Architektura 1958-1970; In: Dějiny českého výtvarného umění (VI / 1) 1958-2000. Praha: Academia, 2007, s. 31-69. ŠVÁCHA, R. Přežije Brusel?; In: GORYCZKOVÁ, N.(ed) Péče o památky moderní architektur, Sborník příspěvků. Památkový ústav v Ostravě, Ostrava, 1999, s. 3-1. VORLÍK,
P.
Železobetonový
skelet
a
meziválečná
průmyslová
architektura
v Československu; In: Beton TKS, č. 3, Praha, 2005, s. 31-35. VYBÍRAL, J. Inženýrská a průmyslová architektura romantického historismu; In: Dějiny českého výtvarného umění (III / 1)1780-1890. Praha: Academia, 2000, s. 278-281.
62
VYBÍRAL, J. Inženýrská architektura a užitkové stavby; In: Dějiny českého výtvarného umění (IV / 1) 1890-1938. Praha: Academia, 1998, s. 181-191. http://www.mzv.cz/jnp/cz/o_ministerstvu/majetek_a_rozpocet/budovy_architektura/nase_ budovy_v_zahranici/slohove_promeny_ceskych_ambasad.html http://www.google.cz/imgres?imgurl=http://www.casopisstavebnictvi.cz/UserFiles/Image /2009/0910/22_emauzy.jpg&imgrefurl=http://www.casopisstavebnictvi.cz/pece-oklasterni-areal-vemauzich_N2741&usg=__7sOTAKpm0yjs1RQZHxLj0NQJFKI=&h=600&w=600&sz=7 7&hl=cs&start=17&sig2=WMKiYfEh4PJqvvxHtr3TSQ&um=1&itbs=1&tbnid=FLLhgT eHAlbB4M:&tbnh=135&tbnw=135&prev=/images%3Fq%3Demauzsk%25C3%25BD% 2Bkl%25C3%25A1%25C5%25A1ter%26um%3D1%26hl%3Dcs%26rls%3Dcom.micros oft:cs:IE-SearchBox%26rlz%3D1I7IBMA_en%26tbs%3Disch:1&ei=MrnS86RNYvwmwOVqsWWDA Portlandský cement ROVNANÍKOVÁ, P. Omítky, Chemické a technologické vlastnosti. Praha: STOP, Praha, 2002. ROVNANÍKOVÁ P., ROVNANÍK P. Stavební chemie, Anorganická chemie a chemie anorganických stavebních materiálů. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2004. http://www.fce.vutbr.cz/veda/juniorstav2008_sekce/pdf/3/Horak_Marek_CL.pdf http://is.muni.cz/th/106311/prif_b/BP.txt Degradace betonu a sanace ANN, K.Y., PACK, S.-W., HWANG, J.-P., SONG, H.-W., KIM, S.-H. Service life prediction of concrete bridge structure subjected to carbonation; In: Construction and Materials, č. 24, 2010, s. 1494-1501. BERTOLINI, L., CARSANA, M., REDALLI, E. Conservation of historical reinforced concrete structures damaged by carbonation induced corrosin by means of electrochemical realkalisation; In: Journal of Cultural Heritage, č. 9, 2008, s. 376-385. 63
DROCHYTKA,
R.,
ROVNANÍKOVÁ
P.,
HELA,
R.
Diagnostika
koroze
železobetonových konstrukcí; In: SANACE betonových konstrukcí, č. 4., r. IV., 1996, s. 11-20. CHANG, Ch.-F., CHEN, J.-W. The experimental investigation o concrete carbonation depth; In: Cemnet and Concrete Research, č. 36, 2006, s. 1760-1767. MATOUŠEK, M., DROCHYTKA, R. Atmosferická koroze betonů. Praha: ČKAIT, 1998. PARK, D.C. Carbonation of concrete in relation to CO2 pereability and degradation of coatings; In: Construction and Building Materials, č. 22, 2008, s. 2260-2268. ROVNANÍKOVÁ P., ROVNANÍK P., KŘÍSTEK R. Stavební chemie, Degradace stavebních materiálů a chemie kovů. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2004. VILLAIN, G., THIERY, M., PLATRET, G. Measurement methods of carbonation profiles in concrete: Thermogravimetry, chemical analyssis and gammadensimetry, In: Cement and Concrete Research, č. 37, 2007, s. 1182-1192. YOON, I.-S., ÇOPUROĞLU, O., PARK, K.-B. Effect of global climatic chase on carbonation progres sof concrete, In: Atmospheric Environment, č. 41, 2007, s. 72747285. Experimentální část BRANDŠTETER, J., ROVNANÍKOVÁ, P., ŠIMEK, Z. Chemie stavebních látek. Laboratorní cvičení. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 1991. ČERVINKA, J. Předběžný průzkum a záměr na obnovu markýzy pasáže paláce Lucerna ve Štěpánské ulici. Nymburk, 2008. ČSN EN 196-2: Metody zkoušení cementu – Část 2: Chemický rozbor cementu http://www.zastarouprahu.cz/kauzy/lucerna/projekt.htm http://www.archiweb.cz/news.php?type=1&action=show&id=3838
64
