Spoľahlivosť betónových nádrží bioplynových staníc
Pri racionálnom navrhovaní betónových konštrukcií treba zohľadniť všetky typy zaťažení, ktorým je konštrukcia vystavená počas zhotovovanie, prevádzky, príp. i rekonštrukcie. Nádrže bioplynových staníc patria do skupiny stavieb, kde nepriame a environmentálne zaťaženia predstavujú veľké riziko spoľahlivosti, najmä z hľadiska ich používateľnosti a trvanlivosti. V príspevku sa analyzujú účinky týchto zaťažení, ako aj príčiny vzniku deliacich trhlín.
1. Nádrže bioplynových staníc
Súčasťou bioplynových staníc (BPS) sú najmä otvorené alebo zakryté valcové nádrže (obr. 1). Dno, steny i strop nádrží BPS sa najčastejšie zhotovujú z monolitického železobetónu. Pri ich návrhu je vhodné zohľadniť odporúčania smernice pre vodonepriepustné betónové konštrukcie [1], [2]. Jedná sa o technologické, konštrukčné a výrobné opatrenia na obmedzenie vzniku a šírky trhlín a tesnosť pracovných škár. Problematický je styk steny s dnom a stropom, ako aj samotný strop. Ten sa väčšinou betónuje v jednom cykle, bez pracovných škár.
V závislosti od použitej vstupnej suroviny na výrobu bioplynu sa môžu funkcie nádrží odlišovať. Jedná sa najčastejšie o tieto typy nádrží:
- homogenizačné na zber a premiešanie vstupnej suroviny (hnoj/hnojovica alebo rastlinná siláž)
- primárneho a sekundárneho fermentora so stropom alebo pri skladovaní bioplynu s plynotesným fóliovým krytom
- koncového skladu pre fermentovaný substrát.
Nádrže BPS majú z prevádzkových a staticko-konštruktívnych dôvodov najčastejšie valcovitý tvar. Plášť železobetónovej nádrže má výšku 6 až 9 m, priemer do 40 m a hrúbku 0,25 až 0,30 m. Na zhotovenie valcových nádrží z monolitického betónu sa používa veľkoplošné stenové kruhové debnenie [3]. Vo vysokých, úzkych stenách pôsobí pomerne veľký tlak čerstvého betónu a problematické je aj ukladanie a zhutňovanie betónu zhora. Vhodné je preto plnenie debnenia samozhutniteľným betónom odspodu. Tento spôsob betónovania má viaceré výhody (vylúčenie zhutňovania, nedochádza k segregácií, dokonalejšie obalenie výstuže, kvalitnejší povrch stien). Rýchlosť betonáže sa môže kontrolovať a usmerňovať monitorovaním ťahových síl v kotvách debnenia.
Pri návrhu nádrže je treba zohľadniť viaceré priame i nepriame zaťaženia a účinky. Navyše sú nádrže vystavané environmentálnemu zaťaženiu (fyzikálne a chemické účinky prostredia), ktoré môže ohroziť ich odolnosť, používateľnosť a najmä trvanlivosť.
1.1. Nádrž primárneho a sekundárneho fermentora
Fermentor je srdcom bioplynovej stanice, kde za anaeróbnych podmienok prebieha rozklad organických látok. Fermentoru treba venovať zvláštnu pozornosť, lebo pri fermentácii dochádza aj k uvoľňovaniu agresívnych plynov – amoniaku a sírovodíka, ktoré vyvolávajú riziko výbuchu a urýchľujú koróziu nosných materiálov. Optimálna teplota pre fermentáciu sa pohybuje medzi 35 až 55 °C. Na udržanie tejto teploty má plášť fermentora vonkajšiu tepelnú izoláciu, ktorú nemožno považovať za ochrannú vrstvu zvyšujúcu trvanlivosť betónu.
Ak premena biologicky rozložiteľného odpadu prebieha bez prístupu vzduchu (anaeróbna digescia) dochádza k vzniku bioplynu. Ten sa skladá predovšetkým z metánu a oxidu uhličitého.
Všeobecne možno konštatovať, že kvapalná fáza náplne fermentora predstavuje menšiu agresívnosť biogénnej kyseliny na betón ako plynná fáza. Za určitých okolností dochádza k tvorbe kyseliny sírovej, kyseliny uhličitej, sírniku železnatého a vo vode rozpustných solí. Zároveň prebieha karbonatácia betónu. Pôsobením uvedených účinkov dochádza k degradácií betónu (pokles pH, nárast plynopriepustnosti, korózia a zmenšovanie hrúbky betónovej krycej vrstvy), čo môže spôsobiť aj depasiváciu a koróziu betonárskej výstuže [4].
Odpadový substrát z rastlinnej, resp. živočíšnej výroby a produkty ich kvasenia predstavujú v kvapalnej fáze pre betón chemicky slabo, resp. stredne agresívne prostredie (XA1, resp. XA2), s pH od 6 do 8 pri jednostupňových, resp. od 4,5 do 6,3 pri dvojstupňových reaktoroch.
Nad substrátom vznikajúci bioplyn obsahuje sírovodík (H2S). Oxidačné (sírne) baktérie za prítomnosti kyslíka oxidujú sírovodík na biogénnu kyselinu sírovú (H2SO4). Tá vytvára silno agresívne chemické prostredie (XA3) s teoretickou hodnotou pH ≥ 1,0, čo významne urýchľuje koróziu betónu a výstuže.
To znamená, že v oblasti anaeróbneho kvasenia substrátu z rastlinnej výroby (XA1) sa odporúča trieda pevnosti betónu ≥ C25/30, kým v oblasti skladovania plynu (XA3) trieda ≥ C35/45 (STN/ČSN EN 206 [5]). V prípade použitia vnútornej ochrannej výstelky je možné použiť betón nižšej triedy.
1.2. Ostatné nádrže BPS
Pri špecifikácií betónu nádrží na zber, skladovanie a premiešanie vstupných surovín, ako aj fermentovaného substrátu možno postupovať podobne, ako pre nádrže fermentora. Pri stanovení stupňov agresívnosti prostredia sa zohľadní najmä druh vstupnej, resp. výstupnej suroviny a technologický proces prebiehajúci v nádrži. V otvorených nádržiach a bunkroch je siláž vystavená vonkajšej poveternosti. Pri daždi dochádza k vylúhovaniu fermentovaných organických kyselín zo siláže, ktorých agresívnosť narastá. Navyše zmrazovacie a rozmrazovacie cykly zosilňujú účinok zriedených fermentačných kyselín.
Pre steny otvorených nádrží, resp. bunkrov v kontakte so silážou platia na špecifikáciu betónu tieto stupne prostredia XC4, XF1 a XA3. Tomu zodpovedá odporúčaná pevnostná trieda betónu ≥ C35/45.
Pri návrhu nádrží koncových skladov so stropom alebo s fóliovým krytom na uskladnenie plynu sa použije špecifikácia betónu ako pre fermentory [6].
2. Príčiny vzniku deliacich trhlín
Rozlišujú sa dve hlavné príčiny vzniku a rozvoja trhlín v betónových konštrukciách:
- od účinku priamych zaťažení vznikajú statické trhliny
- od účinku nepriamych zaťažení (objemových zmien) vznikajú technologické trhliny.
Od statických účinkov tlaku náplne alebo zásypu nádrže vzniká v základových doskách a stenách kombinácia ohybových momentov a normálových síl. Tie v základových doskách a stenách kvádrových nádrží väčšinou vyvolávajú čiastočné trhliny. Ako primárnu príčinu vzniku deliacich trhlín možno označiť pretvárne účinky objemových zmien (teplotné rozdiely a zmrašťovanie betónu), v stenách valcových nádrží aj účinok ťahovej normálovej sily od hydrostatického tlaku.
Obmedzenie tvorby a rozvoja zvislých deliacich trhlín v stene možno dosiahnuť
- rozdelením steny pracovnými škárami na menšie betónovacie úseky, resp. vytvorením nepravých škár
- predpätím steny alebo predpätím steny a základovej dosky
- technologickými opatreniami na zníženie hydratačnej teploty betónu
- kontrolou šírky trhlín betonárskou výstužou.
Návrh a overenie výstuže nádrže na účinky priameho zaťaženia pre MSÚ sa riadi STN/ČSN EN 1992-1-1 [7]. Navrhnutá výstuž musí spĺňať podmienky spoľahlivosti a minimálneho stupňa vystuženia. Usporiadanie výstuže musí vyhovovať konštrukčným zásadám a umožniť bezproblémové uloženie a zhutnenie ČB v zmysle STN/ČSN EN 13670 [8].
Železobetónové prvky vodonepriepustných konštrukcií sú spravidla vystužené betonárskou výstužou v tvare pravouhlej siete pri oboch povrchoch. Ak má výstuž obmedzovať šírku trhlín postupuje sa pri návrhu výstuže a kontrole šírky trhlín podľa STN/ČSN EN 1992-1-1 nasledovne:
- návrh minimálnej plochy výstuže na obmedzenie šírky trhlín
- overenie navrhnutej výstuže sa robí kontrolou šírky trhlín:
- bez priameho výpočtu alebo
- výpočtom šírky trhlín.
Návrh výstuže na kontrolu šírky trhlín bez priameho výpočtu, aj s priamym výpočtom sa podrobne analyzuje v článkoch [9], [10]. Návrh výstuže, ako aj výpočet šírky trhlín je založený na viacerých predpokladoch a zjednodušeniach. Hlavné príčiny rozdielov medzi vypočítanou a skutočnou šírkou trhlín sú: zjednodušenia výpočtového modelu, rozptyl materiálových vlastností a kvalita zhotovenia.
Vychádzajúc z nesprávneho predpokladu, že v stenách obdĺžnikových nádrží je nosná zvislá výstuž sa návrh vodorovnej výstuže stien často zanedbáva. Najmä pri návrhu nádrží si treba uvedomiť, že okrem priameho zaťaženia pôsobia na nosné prvky aj nepriame a environmentálne zaťaženia. Úlohou vodorovnej výstuže v stene nádrže je aj kontrolovať šírku trhlín od nepriameho zaťaženia (objemové zmeny betónu). Väčšina v stenách nádrží zaznamenaných presakujúcich zvislých deliacich trhlín je dôsledok nedostatočnej vodorovnej výstuže v kombinácií so zanedbaním technologických opatrení na zníženie hydratačnej teploty.
3. Vplyv trhlín na trvanlivosť nádrží
Závažnosť výskytu presakujúcich trhlín z hľadiska spoľahlivosti nádrží BPS možno dokumentovať porušením stien nádrží, ktoré boli zaznamenané na nových, resp. nedávno sprevádzkovaných nádržiach. Dno a steny nádrže sa spravidla navrhujú na limitnú šírku trhlín 0,2 mm [11]. Aj keď sa podarí dodržať túto šírku trhlín, je používateľnosť a trvanlivosť nádrže ohrozená. To sa týka predovšetkým nádrží bez izolácie na vnútornom povrchu, ale aj prípadov ak vzniknú trhliny aj na izolácií.
Obr. 2 a) Stena fermentora so širokou trhlinou b) hnedé až čierne výluhy digestátu (stena nádrže bola predopnutá až po vzniku trhlín).
Extrémne, až havarijné stavy vznikajú ak poddimenzovaná vodorovná výstuž steny sa dostane do plastického stavu, čo má za následok nadmerné šírky trhlín – obr. 2a. Namiesto bielych výluhov hydroxidu vápenatého na vonkajšom povrchu nádrže naplnenej vodou, vznikajú na nádrži fermentora hnedé až čierne výluhy digestátu (vyhnitý biokal) – obr. 2b (stena nádrže bola predopnutá až po vzniku trhlín).
Pri nádržiach vystavených stupňu prostredia XA1 až XA2 sa možno spoliehať primárne ochranné opatrenia a vodo- a plynonepriepustnosť betónu iba v prípadoch, ak v betóne nevzniknú trhliny, resp. sa použijú sekundárne ochranné opatrenia. Zabránenie vzniku trhlín v stenách valcových nádrží je prakticky možné iba pri plnom predpätí stien [12]. V nádržiach so stupňom prostredia XA3 treba kombinovať primárne a sekundárne ochranné opatrenia aj u predpätých nádrží.
4. Záver
Príspevok poskytuje prehľad o stupňoch agresívnosti prostredia betónových nádrží bioplynových staníc. Trvanlivosť alebo tesniaca funkcia kvalitného betónu môžu byť porušené trhlinami. Ani vodonepriepustnosť kvalitných betónov, resp. dosiahnutie projektovanej šírky trhlín (< 0,2 mm) nezabráni priesaku agresívnych kvapalín cez deliace trhliny v nádržiach vystavených prostrediu XA1 a XA2. V tomto prípade treba urobiť opatrenia na zabránenie vzniku trhlín (predpätie), prípadne kombinovať primárnu i sekundárnu ochranu betónu. V prostredí XA3 sa špeciálne pružné náterové systémy alebo fólie na vnútorné povrchy betónu predpisujú aj v prípade, že sa jedná o nádrže bez trhlín (predpätý betón). Vzhľadom na problémy s trhlinami a agresívnosť prostredia je použitie sekundárnej ochrany účinný prostriedok na zabezpečenie používateľnosti a trvanlivosti betónových nádrží BPS.
Poďakovanie
Príspevok vznikol za podpory výskumného projektu VEGA 1/0583/15 „Analýza spoľahlivostných rizík navrhovania a zhotovovania betónových konštrukcií“.
Literatúra
- Smernica pre vodonepriepustné betónové konštrukcie – biele vane (SmeBV). SKSI, 2012, 67 str.
- TP 04 Vodonepropustné betonové konstrukce. ČBS, 2015, 93 str.
- MILICH, J., KOCOUREK, R.: Výstavba kruhových monolitických železobetonových nádrží, Beton TKS, č. 3/2012, str. 32–35
- KӦNIG, A., RASCH, S., NEUMANN, T., DEHN, F.: Betone für biogenen Säureangriff im Landwirtschaftsbau. Beton- und Stahlbetonbau 105 (2010), Heft 11, S. 714–724
- STN/ČSN EN 206: Betón. Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda
- BOSE, T.: Landwirtschaftliches Bauen-Chemische Angriffe bei landwirtschaftlichen Betonbauten. 8. Symposium Baustoffe und Bauwerksunterhaltung. Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 17. März 2011, S. 59–71
- STN/ČSN EN 1992-1-1: Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy
- STN/ČSN EN 13670: Zhotovovanie betónových konštrukcií
- ŠMEJKAL, J., PROCHÁZKA, J.: Výpočet šírky trhlin – 1. část. Beton TKS, č. 6/2014, str. 68–76
- ŠMEJKAL, J., PROCHÁZKA, J.: Výpočet šírky trhlin – 2. část. Beton TKS, č. 1/2015, str. 72–78
- SIEBERT, B.: Betonbau bei chemischem Angriff – neue DBV-Arbeitshilfen. Beton- und Stahlbetonbau 110 (2015), Heft 7, S. 489–494
- BILČÍK, J, DOHNÁLEK, J.: Analýza, diagnostika a sanácia trhlín v stenách betónových nádrží. Beton TKS, č. 3/2015, str. 26–31
For rational design of concrete structures, it is necessary to take into account all types of loads to which the structure is exposed during the execution, operation and reconstruction. Biogas tanks belong to the group of constructions where the indirect and environmental loads represent a high risk to the reliability, particularly in terms of their serviceability and durability. The article analyses the effects of these loads as well as the causes of separation cracks formation.
