Ochrana betónu proti účinku atmosférického CO₂ tenkým povlakom krycej omietky

1. Úvod

Proces karbonatizácie závisí predovšetkým od materiálového zloženia a fyzického stavu betónu. Betón karbonatizuje tým pomalšie, čím vyššia je jeho nepriepustnosť. Betón s vyšším obsahom cementu sa vyznačuje pomalším priebehom karbonatizácie. Karbonatizáciu ovplyvňujú vonkajšie podmienky prostredia, ako je množstvo CO₂ v atmosfére, obsah vlhkosti, zmeny vlhkosti a teploty v čase [1]. Mostné konštrukcie sú vystavené prevažne vplyvu prostredia XC3 alebo XC4 podľa klasifikácie STN EN 206 + A2 [2]. Prostredie XC4 predstavuje najhorší prípad, čo znamená, že karbonatizácia prebieha najrýchlejším tempom. Konštrukčné prvky z betónu vystavené prostrediu XC4 majú preto predpísanú väčšiu hrúbku krytia oceľovej výstuže. Pred 100 rokmi, na rozdiel od súčasnosti, sa karbonatizácia nevnímala ako problém, pretože poznatky o jej pôsobení na betón boli vtedy marginálne. Agresívne pôsobenie CO₂ na betón sa prejavuje tvorbou CaCO₃ s následným znížením alkality betónu. Ochranná funkcia OKO proti karbonatizácii betónu má výrazný dopad na jeho trvanlivosť. Zámerom príspevku je ukázať rozdiel v hĺbke karbonatizácie betónu, nekrytého a krytého OKO na viac ako 100 ročných mostoch a predstaviť novú alternatívnu OKO s hrúbkou 2–4 mm, ktorá sa vyznačuje podobnou funkčnosťou ako protikarbonatizačná bariéra.

2. Experimentálny postup a diskusia

2.1 Meranie na mostoch

V období 2014 až 2020 sa pozornosť výskumu sústredila na deväť starých mostov ešte s parciálne zachovanou OKO na povrchu konštrukčného betónu. Tento článok sa zameriava na výber najreprezentatívnejších výsledkov z dvoch mostov: 125 ročný most v meste Krásno nad Kysucou a 105 ročný most pri meste Sládkovičovo, z in-situ a laboratórnych skúšok [3]. Z výskumu na moste Krásno nad Kysucou sa získali nasledovné poznatky: Na základe výsledkov nedeštruktívnych skúšok 125 ročný betón charakterizovala pevnosť v tlaku 33,7 MPa (stanovená Schmidtovým tvrdomerom, model N), dynamický modul pružnosti medzi 12–16 GPa (ultrazvukový prístroj) a prídržnosť povrchovej vrstvy betónu medzi 1–2 MPa (za použitia odtrhových terčov), ktorá je považovaná za pevnosť betónu v ťahu. Laboratórne skúšky, zrealizované na odobratých vývrtoch, poukázali na betón priemernou objemovou hmotnosťou 2 110 kg/m³, dynamickým a statickým modulom pružnosti medzi 29–37 GPa a 15–24 GPa. Betón podľa súčasného označenia STN EN 206 + A2, spadá do pevnostnej triedy C20/25. Počas letných rekonštrukčných prác v roku 2015, zistená hĺbka karbonatizácie nosnej oblúkovej konštrukcie a ríms pod starou OKO bola < 2 mm (obrázok 1-A), zatiaľ čo nová reprofilácia povrchu konštrukcie nanesená v máji 2016 skarbonatizovala za jeden rok do hĺbky 10 mm (obrázok 1-B). Hĺbka karbonatizácie modernej priemyselne vyrobenej reprofilačnej hmoty je po 1 roku exponovania väčšia v porovnaní s karbonatizáciou betónu chráneného 125 rokov starou OKO. Táto skutočnosť indikovala význam nepriepustnosti samotnej OKO. Obnažený betón na miestach s odpadnutou OKO skarbonatizoval až do hĺbky 80 mm.

Obrázok 1 Hĺbka karbonatizácie starého betónu; A – pod pôvodnou omietkou pred rekonštrukciou; B – po rekonštrukcii reprofilačnou hmotou a roku vonkajšieho exponovania

Betón krytý OKO je dobre chránený pred karbonatizáciou. Ukazuje sa, že OKO na povrchu podkladového betónu predstavuje príčinu nízkej hĺbky karbonatizácie (obrázok 1).

Obrázok 2 Amorfne vyzerajúce usadeniny uhličitanov v 2–4 mm vrstve starej OKO a ihlica dobre vyvinutého kryštálu CaCO₃ ako karbonatizačného produktu

Vytvorené amorfne vyzerajúce, zahustené, akoby v jeden kompaktný celok splynuté uhličitany naakumulované v stiesnených priestorových podmienkach 2–4 mm vrstvy OKO vytvárajú najlepšie predpoklady pre vznik bariéry na báze zabudovaného vápenca so schopnosťou dramaticky znížiť prenikanie CO₂ do podkladového betónu (obrázok 2) [3]. Na 105 ročnom moste pri meste Sládkovičovo [4, 5] sa pozornosť venovala najmä vzťahu medzi nepriepustnosťou OKO a jej schopnosťou zabrániť prenikaniu CO₂ do betónu (Tabuľka 1). Metodika použitá na moste Krásno nad Kysucou sa rozšírila o meranie povrchovej permeability nekrytého a betónu krytého OKO prostredníctvom Torrentovej skúšky priepustnosti [6]. Nižší koeficient kT dokazuje nižšiu priepustnosť. Hodnota pod 1 × 10⁻¹⁶ m² svedčí o vysoko nepriepustnom betóne, respektíve OKO. Objemová hmotnosť, dynamický, statický modul pružnosti a pevnosť v tlaku nekrytého betónu sú: 2 110 kg/m³, 30,8 GPa, 16,1 GPa a 20,3 MPa. Podobné údaje sa získali pre betón krytý OKO so zanedbateľnou karbonatizáciou: 2 160 kg/m³, 35,9 GPa, 20,3 GPa a 25,3 MPa. Nekrytý betón dosahoval hĺbku karbonatizácie medzi 60 mm až 80 mm; naopak extrémne nízku hĺbku vykazoval betón pod OKO.

Obrázok 3 Hĺbka karbonatizácie betónu pod ochrannou krycou omietkou a na odpadnutom mieste – most Sládkovičovo

Obrázok 4 Bariéra z uhličitanov natlačených na seba v priestore tenkej OKO

Obrázok 3 znázorňuje grafické vyhodnotenie hĺbky karbonatizácie z roku 2015 (vzorky A1 až A4, v tom čase sa nerealizovali skúšky priepustnosti) a z roku 2018 opakovanými skúškami (M1 až M10 a B1). Prienik CO₂ do podkladového betónu pod OKO sa v každom prípade redukuje, rovnako aj pri výskyte trhliny alebo defektu v kontaktnej zóne medzi betónom a OKO, tu však nie tak evidentne. Vysokokvalitné, nepriepustné OKO, ktoré nevykazujú žiadne defekty v zóne rozhrania s betónom (vzorky M3, M4, M9 a M10 z roku 2018 a A2, A3 z roku 2015) sú príčinou jeho zanedbateľnej karbonatizácie, zatiaľ čo nekrytý betón v rovnakom čase skarbonatizoval do hĺbky 80 mm. Hustá bariéra vytvorená zo samotných karbonatizačných produktov v priestorovo-stiesnených podmienkach ochranných krycích omietok predstavuje dôvod výrazného zmiernenia karbonatizácie podkladového betónu. Zistila sa jednoznačná závislosť medzi povrchovou priepustnosťou OKO a hĺbkou karbonatizácie betónu pod ňou (tabuľka 1, obrázok 3), zatiaľ čo jej hrúbka predstavuje len málo významný faktor. Nepriepustnosť OKO je nevyhnutnou podmienkou pre evidentnú redukciu prieniku CO₂ a následnej karbonatizácie podkladového betónu. Hustá uhličitanová hmota až na hranici amorfného stavu vyskytujúca sa tenkej vrstve OKO sa označuje ako „karbonatizačný mlieč“ (doteraz nikde nepoužívaný výraz). Optická mikroskopia na vzorkách OKO s vysokým rozlíšením dokumentuje prítomnosť naakumulovaného, kompaktného karbonatizačného mlieču v tenkej vrstve OKO (obrázok 4) [4]. V nadväznosti na experimenty a získané poznatky z mostov sa zahájila laboratórna fáza vývoja OKO z aktuálne dostupných materiálov.

2.2 Overenie odolnosti novej OKO ako proti-karbonatizačnej bariéry

Odolnosť proti karbonatizácii sa overila urýchlenou karbonatizačnou skúškou (UKS) v klimatickej komore pri uložení 20 °C / 60 % relatívnej vlhkosti / 20 % obj. CO₂. Ako podklad pre novo vyvíjanú OKO slúžil betón C20/25 MPa s vysokou priepustnosťou. Po 28 dňoch základného uloženia sa vzorky betónu (100 × 100 × 400) mm podrobili 28, 42, 56 a 90 dňovej UKS. Obrázok 5 ukazuje hĺbku karbonatizácie zistenú fenolftaleínovým indikátorom. Týmto spôsobom sa jasne preukázala vhodnosť UKS na preukázanie OKO ako potencionálne novej protikarbonatizačnej bariéry.

28 dní

42 dní

56 dní

90 dní

Obrázok 5 Karbonatizácia betónu pevnostnej triedy C20/25 počas UKS

Obrázok 6 Hĺbka karbonatizácie betónu na lome valca nekrytého a krytého experimentálne vyvinutou OKO po 28 dňoch UKS

Vyvíjané ochranné krycie omietky sa naniesli v 2–4 mm vrstve na povrch laboratórne vyrobených vzoriek betónu C20/25 valcovitého tvaru s priemerom 300 mm a výškou 100 mm. Pred UKS sa betón ošetroval 7 dní vo vode s teplotou 20 °C a 21 dní v suchom vzduchu s teplotou 20 °C / 60 % relatívnou vlhkosťou. Po základnom uložení sa na zvyšné povrchy naniesol ochranný organický plyno-nepriepustný povlak, aby sa zabránilo prenikaniu CO₂ do betónu cez iný povrch, ako ten pokrytý OKO. Nekryté referenčné vzorky sa ochránili rovnakým spôsobom na bočných stranách ako aj na spodnej základni valca. Obrázok 6 dokumentuje výsledky vyvíjaných vzoriek OKO. Porovnanie výsledkov ukazuje, že vzorky OKO sa vyznačujú podobnou odolnosťou proti karbonatizácii ako pôvodný 100 ročný ekvivalent. Vzorka OKO čistá pozostáva len z cementu a piesku, zatiaľ čo OKO disp a OKO cell charakterizuje aj marginálne množstvo prísady (disp: suchá prášková disperzia; cell: celulóza, obe v množstve < 1 % z hmotnosti cementu).

Pri posudzovaní výsledkov je treba vziať do úvahy skutočnosť, že 1) karbonatizácia 100 ročných mostov počas dlhého časového obdobia za bežných environmentálnych podmienok je značne odlišná od 28 dňovej UKS realizovanej pri 20 °C / 60 % R.H. / 20 % obj. CO₂ a 2) nie sú dostupné rovnaké materiálové systémy (najmä cement). Nové 2–4 mm OKO zhotovené z dnes dostupného cementu a kremičitého piesku bez alebo s veľmi zanedbateľným množstvom prísad vykazujú rovnako vysoko účinné protikarbonatizačné vlastnosti ako omietky aplikované na betónový povrch mostov pred viac ako 100 rokmi.

3. Záver

Výsledky získané na mostoch umožňujú formulovať nasledovné závery:

1. Vrstva 2–4 mm ochrannej krycej omietky sa osvedčila ako účinná protikarbonatizačná bariéra na 100 ročných mostoch. Vzniknuté uhličitany dosahujúce až hranicu amorfného stavu, nazývané „karbonatizačný mlieč”, zahusťujú v rámci tenkej vrstvy OKO stiesnený priestor takým spôsobom, že vytvárajú nepriepustnú bariéru pre ďalší prienik CO₂. OKO takto redukuje intenzitu karbonatizácie betónu v čase.
2. Výsledky preukazujú úzku koreláciu medzi povrchovou permeabilitou OKO a hĺbkou karbonatizácie podkladového betónu.
3. Ochranu betónu pred karbonatizačným napadnutím zaisťuje nepriepustná OKO na povrchu mostov s viac ako 100 ročným prevádzkovým vekom.

Z výsledkov laboratórneho výskumu vyplývajú nasledovné závery:

1. Vrstva 2–4 mm tenkej ochrannej krycej omietky vyrobenej zo súčasných materiálov sa osvedčila ako rovnako účinná protikarbonatizačná bariéra v porovnaní so 100 ročným ekvivalentom OKO.
2. Príčina takého evidentného zníženia karbonatizačného napadnutia podkladového betónu spočíva v hustej mikroštruktúre vytvorenej v tenkej vrstve OKO na báze Portlandského cementu, schopnom hydratovať v stiesnených priestorových podmienkach tak, že ju zahustí a následne vytvorí uhličitanovú nepriepustnú bariéru schopnú blokovať prienik ďalšieho CO₂ do podkladového betónu.
3. Nové OKO sa považuje ako vhodný materiál na dodatočné opravy mostov s nízkou krycou vrstvou betónu, ktorých ďalšia karbonatizácia povedie k skráteniu životnosti z dôvodu zvýšeného rizika korózie oceľovej výstuže.

Poďakovanie

Autori vyslovujú úprimné poďakovanie Slovenskej agentúre pre výskum a vývoj (Projekt APVV-17-0204) a VEGA (Projekt 1/0522/20) za financovanie tejto výskumnej práce.

References

1. Model Code for Service Life Design. fib Bulletin 34, 2006, Fédération internationale du béton (fib), Lausanne, Switzerland.
2. STN EN 206 + A2: 2021 Concrete. Specification, Performance, Production and Conformity. Slovak Office of Standards, Metrology and Testing in Bratislava.
3. JANOTKA, I. – BAČUVČĺK, M. – PAULĺK, P.: Low Carbonation of Concrete Found on 100-years-old Bridges. Case Studies in Construction Materials, 8, 2018, pp. 97-115.
4. JANOTKA, I. – BAČUVČĺK, M. – PAULĺK, P. – HÚLEK, L: Carbonation of 100-year Bridges as a Guide to Preventing Modern Concrete. Proceedings of the 7^th RILEM/ACI Conference on Cementitious Materials and Alternative Binders for Sustainable Concrete, SP-349-18, June 7-10, 2021, Toulouse, France, pp. 256-273.
5. JANOTKA, I. – BAČUVČĺK, M. – HÚLEK, L. – PAULĺK, P.: The Cause of 100-year Low Carbonated Concrete of the Bridge. Advanced Materials Letters, 11, 2020, 2, pp. 1-8.
6. TORRENT, R. – FRENZER, G. Study on Methods to Determine and Judge Characteristic Values of the Cover Concrete on Site (in German), Bundesamt für Strassenbau, Bonn, Germany, 516, 1995, 105 p.