ZVÝŠENIE ŽIVOTNOSTI BETÓNOVÝCH KONŠTRUKCIÍ POMOCOU MATERIÁLOV STAVEBNEJ CHÉMIE Martin Hubka Abstrakt Väčšina investorov požaduje dlhú a bezproblémovú životnosť betónových konštrukcií avšak máloktorí z nich kladie na to dôraz pri výstavbe, hlavne s ohľadom na počiatočné investície. Počas prevádzky a niekedy už aj počas výstavby sa začnú objavovať prvé problémy, ktoré často krát už nie je tak jednoduché riešiť bežne dostupnými metódami a práve tu sa otvárajú možnosti pre aplikácie špeciálnej stavebnej chémie povrchovo aplikovaných inhibítorov korózie od Master Builders Solutions, ktorá dokáže dlhodobo stabilizovať betónové konštrukcie a zvýšiť ich životnosť. Degradácia betónu a náklady na koróziu Betón bol najrozšírenejší stavebný materiál v minulom storočí a bude aj v tomto storočí. Miestna dostupnosť zložiek, ako je piesok a cement, ľahké tvarovanie a vysoká pevnosť v tlaku, predstavujú najlepšiu alternatívu k murivu pri výstavbe nových konštrukcií. Keďže tento umelý kameň nemohol poskytnúť dostatočnú pevnosť v ťahu, inžinieri museli zabudovať oceľ, aby prekonali tento nedostatok. Nástup železobetónu viedol k inovatívnemu použitiu betónu pre všetky typy konštrukcií a bol vyrobený zo železobetónu, ktorý je materiálom pre dizajnérov a staviteľov. Je však znepokojujúcou pravdou, že korózia ocele môže predstavovať veľký problém trvanlivosti týchto konštrukcií. Hoci cementová matrica poskytuje fyzikálnu ochranu a vysoká úroveň alkalického prostredia udržuje oceľovú výstuž v pasívnom stave, bolo pozorované, že korózia vystužujúcej ocele sa skôr či neskôr prejavila v takmer každej konštrukcii. Za posledných 50 rokov sa ako najvýznamnejšia príčina poškodenia železobetónových konštrukcií objavila korózia. Okrem značných nákladov na rekonštrukčné práce spôsobuje aj strata dostupnosti alebo využitia danej konštrukcie značné náklady. S ohľadom na päť hlavných sektorov infraštruktúry, verejných služieb, dopravy, spracovateľského priemyslu a štátnej správy sú celkové ročné náklady na opravy súvisiace s koróziou po celom svete viac ako 1,9 bilióna, čo zodpovedá asi 3% svetového HDP. Opravy korózie železobetónových konštrukcií, ako sú cesty, mosty, námorné stavby, priemyselné budovy, obchodné a obytné budovy, predstavujú významný podiel na celkových priamych nákladoch na koróziu. Nepriame náklady pre spoločnosť s ohľadom na poškodenia koróziou, je ťažké odhadnúť, ale na základe analýzy životného cyklu údržby korózie, opravy a rehabilitáciu mostov v USA náklady, pokiaľ ide o stratu produktivity, dopravné
oneskorenie atď. môžu byť až 10 násobok priamych nákladov na opravy. Korózia oceľovej výstuže Korózia môže byť definovaná ako premena kovu na jeho stabilnejšie oxidy, pri spotrebe kyslíka a vody. Tieto elektrochemické reakcie prebiehajú na dvoch odlišných miestach na kovovej zložke, anóde a katóde. Anodická reakcia Fe Fe++ + 2e 4Fe + 3O2 2 Fe2O3 Katodická reakcia 2e + H2O + ½O2 2OH Betón poskytuje prirodzený štít, ktorý chráni oceľovú výstuž pred koróziou. Vysoko alkalické prostredie vytvárané cementovou matricou okolo výstuže vedie k vytvoreniu pasívnej vrstvy okolo ocele. Táto pasívna vrstva je nepriepustný oxidový film, ktorý zabraňuje ďalším koróznym reakciám udržiavaním kyslíka a vody mimo povrchu kovu. Táto ochranná fólia sa udržiava tak dlho, kým pretrváva vysoko alkalické prostredie, ktoré poskytuje betónová matrica. Avšak tento pasívny stav nemôže byť v priebehu času udržiavaný v dôsledku procesov, ktoré sa vyskytujú v betóne. Karbonatáciou betónu vystaveného oxidu uhličitému sa znižuje ph cementovej matrice. V chloridmi kontaminovanom prostredí, chloridové ióny difúziou prenikajú cez betón k povrchu ocele. Chloridy narušujú pasívnu vrstvu, čo vedie ku korózii ocele. Akonáhle sa pasívna vrstva rozpadne, začnú sa korózne reakcie vyvolávajúce akcelerovanú chloridovú koróziu výstuže. Vlhkosť betónu a kyslík sú potrebné na pokračovanie elektrochemických reakcií. V závislosti od rýchlosti korózie strácajú výstužné prúty súdržnosť s betónom. Strata súdržnosti a prierezovej plochy výstuže ohrozujú integritu konštrukcie. Použitie silanov v ochrane betónu Hoci korózia výstužných prútov je výsledkom zložitých chemických reakcií, je možné použiť pomerne jednoduchý spôsob na zastavenia týchto reakcií. Rýchlosť korózie sa môže spomaliť a pasívna vrstva na povrchu ocele sa môže stabilzovať obmedzením prieniku vody a chloridových iónov do cementovej matrice. Pasívnu vrstvu okolo prútov výstuže možno obnoviť zvýšením elektrického odporu betónu. Silany sa používajú už viac ako tri desaťročia na udržanie suchého betónu a jeho ochranu pred škodlivými účinkami chloridových iónov. Veľmi malá veľkosť silánových molekúl znamená, že môžu preniknúť hlboko do betónu, kde vytvárajú chemické väzby s hydratovanými zložkami cementovej matrice prostredníctvom ich kremičitých štruktúr. Po reakcii s betónom, silanové molekuly, odpudzujú vodu a zastavujú chloridové ióny pri ich prieniku do betónu. Množstvo vody v betóne sa znižuje jej odparovaním cez otvorené póry.
Inhibítory korózie výstuže Niekoľko metód na zmiernenie korózie výstuže bolo vyvinutých už v minulom storočí. Elektrochemické metódy (napr. katódová ochrana) sú najúčinnejší spôsob, ako zabrániť korózii kovových konštrukcií, ako sú napr. oceľové potrubia a nádrže. Existujú však značné problémy s aplikáciou katódovej ochrany v železobetónových konštrukciách. Jej aplikácia je nákladná pričom, striktné pravidlá prevádzky a monitorovacie postupy musia byť používané počas celej životnosti konštrukcie. Vzhľadom k týmto obmedzeniam, výskumníci pracovali na nových riešeniach a vyvinuli nové typy inhibítorov korózie ocele. Tieto inhibítory sú chemické zlúčeniny, ktoré zabraňujú korózii výstužnej ocele. Existuje niekoľko spôsobov, ako priviesť inhibítory na povrch výstuže v betóne. Inhibítory korózie môžu byť pridané ako prísady do betónu a priamo zmiešané s čerstvým betónom. Táto metóda je však obmedzená len pre nové konštrukcie. V európskom stavebníctve, rekonštrukcie existujúcich objektov tvoria veľkú časť aktivít v stavebníctve. S ohľadom na túto skutočnosť, boli vyvinuté rôzne typy inhibítorov korózie aplikovateľných na povrch betónu na zastavenie prebiehajúcej korózie výstuže v zatvrdnutom betóne. Na základe vykonaného výskumu v posledných dvoch desaťročiach sa podarilo spojiť vybrané silany a inhibítory korózie a vyvinúť tak nový typ inhibítora korózie aplikovateľného na povrch betónu, napr. MasterProtect 8000 CI. Tento produkt je číra kvapalina s kombináciou silanov a selektívnych inhibítorov korózie a je navrhnutý tak, aby zastavil proces korózie v železobetónových konštrukciách, bez ohľadu na podmienky prostredia. Silanová technológia umožňuje hlboké preniknutie do betónu a chemické väzby s vysokou odolnosťou proti alkalickému prostrediu vedú k dlhej životnosti. Laboratórne testy a terénne prieskumy ukázali, že MasterProtect 8000 CI je vysoko efektívny pri zastavení oboch typov korózie, spôsobenej chloridmi i karbonatáciou betónu. Kým silanová zložka zaručuje že výrobok má vysokú vodoodpudivosť, a teda vylúčenie vody a chloridových iónov, selektívne inhibítory korózie zastavujú korozívne reakcie a pomáhajú obnoviť pasívnu vrstvu na výstuži. Uvedené skutočnosti výrazne predlžujú životnosť a bez údržbovú prevádzku konštrukcie a znižujú náklady na sanáciu. Preukázanie výkonnosti Budova nadácie Miró v Barcelone, Španielsko, bola postavená v roku 1975 a rozšírená v roku 1985. Fasádne prvky budovy sú vyrobené z prefabrikovaného železobetónu a natrené na bielo, na simulovanie vzhľadu betónu vyrobeného z bieleho cementu. Kvôli relatívne nízkej kvalite betónu a blízkosti Stredozemného mora boli v rôznych miestach konštrukcie pozorované poškodenia koróziou výstuže. Zvlášť vonkajšie steny trpia silnou koróziou a odlupovaním betónu. Keďže poškodenia sa stali čoraz viditeľnejšie, pripravil sa plán obnovy tak, aby sa zabránilo ďalšiemu šíreniu korózie a aby sa zastavila korózia v oblastiach s prebiehajúcou koróziou výstuže. Diagnostika sa uskutočnila začiatkom roka 2005. Rôzne časti budovy boli vybrané ako stanice na monitorovanie procesu korózie
priamym meraním rýchlosti korózie. Prvé údaje boli odobraté v roku 2005 a zaznamenané ako počiatočné podmienky pred opravou a ochranou. Na základe miery korózie meranej na každej jednotlivej stanici boli pre projekt špecifikované dva opravné postupy: Veľmi postihnuté oblasti (viditeľné poškodenie): Oprava odstránením betónu okolo výstuže, čistením a ošetrením výstuže, reprofilácia povrchu opravnou maltou a základný náter pre štrukturálne lepenie, nanesenie akrylátového náteru. Mierne postihnuté oblasti (bez viditeľného poškodenia, ale s rýchlosťou korózie> 0,3 μa / cm2): Odstránenie vrstvy náteru a aplikácia inhibítora korózie ocele MasterProtect 8000 CI, po ktorej nasleduje obnova akrylátového náteru. Opravné práce boli vykonané v máji 2005 v súlade s plánom definovaným v upravenom projekte. Mierne postihnuté oblasti boli ošetrené MasterProtect 8000 CI. V monitorovacej fáze projektu boli na meracích staniciach urobené merania korózie výstuže. Merania uskutočnené v októbri 2007 a vo februári 2013 ukázali dramatický pokles miery korózie v oblastiach, ktoré boli ošetrené. Najnovšie údaje boli urobené v roku 2015 a predchádzajúce merania boli potvrdené s aktívnou ochranou počas desiatich rokov po ošetrení. Počiatočná miera korózie a merania 10 rokov po aplikácii sú znázornené na obrázku 1. Obrázok 1. Miera korózie pred a po ošetrení inhibítorom korózie ocele MasterProtect 8000 CI (Zdroj: BASF) Ako vidieť na obr. 1, desať rokov po ukončení ošetrenia produktom MasterProtect 8000 CI je stavba Miró Foundation aktívne chránená proti korózii dokonca aj pri silnom ataku chloridmi. V dôsledku tohto pozoruhodného výkonu, bolo možné zabrániť nákladnej oprave diela a životnosť tejto pamiatkovo chránenej budovy bola predĺžená.
Ekonomické riešenie: prípad Torres Blancas Predĺženie životného cyklu stavieb je jedným z hlavných cieľov inžinierov v 21. storočí. To pomáha nielen pri vytváraní udržateľnej budúcnosti, ale zlepšuje aj ekonomiku tým, že znižuje náklady na údržbu v priebehu času. Rekonštrukcia projektu "Torres Blancas" bytového komplexu v Alicante v Španielsku mala predĺžiť jeho životnosť. Dve viacposchodové obytné budovy, postavené v roku 1970, sa týčia nad malebným pobrežím Stredozemného mora. Konštrukcia pozostáva z 6500 štýlových železobetónových prefabrikátov, ktoré pokrývajú fasády na obrázku 2. Obrázok 2. Rezidenčný komplex Torres Blancas, Alicante, Španielsko. Silné vetry zo Stredozemného mora nesú značné množstvo solí vo vzduchu, čo vedie ku korózii a spôsobuje vážne škody. Keď architekti posudzovali bežné opravné metódy, čelili znepokojujúcej pravde, že všetky panely budú musieť byť nahradené novými. Po niekoľkých mesiacoch vyšetrovania alternatívnych nových metód bola akceptovaná metóda Master Builders Solutions. V pláne rekonštrukcie sa museli nahradiť ťažko poškodené panely a tie, ktoré boli menej vážne poškodené, boli ošetrené inhibítorom korózie MasterProtect 8000 CI. Týmto postupom sa celkové náklady na renováciu znížili o viac ako 40%. Vďaka rýchlej aplikácii MasterProtect 8000 CI bolo možné tiež ušetriť niekoľko mesiacov, ktoré by boli potrebné na výmenu panelov.
Uvedené príklady aplikácie inhibítora korózie MasterProtect 8000 CI poukazujú na možnosti využitia moderných technológii v čase ktorý je niekedy až príliš zameraný na ekonomické aspekty a efektívnosť. Nie vždy sa ale posudzujú konštrukcie a hlavne ich prevádzka s ohľadom na predpokladané dlhoročné využívanie a náklady s tým spojené. Práve tu je miesto pre reálne kalkulácie a skúsenosti, kde je možné ušetriť značné finančné prostriedky v údržbe betónových konštrukcií jednoduchými a overenými trvanlivými riešeniami. Ale ako vždy platí, nie je všetko zlato čo sa blyští, a aj na poli inhibítorov korózie existuje veľké množstvo technológii, ktoré nie sú rovnako účinné a preto je dobré mať na pamäti možnosti overenia účinnosti technológie reálnym meraním a nezávislými testami renomovaných inštitútov. Použitím inhibítora korózie na báze silanov, MasterProtect 8000 CI, sa preukázala efektivita pri sanácií a údržbe betónových konštrukcie aj v agresívnom prostredí. Referencie 1. Borralleras Mas, P., Optimalizácia nákladov na údržbu v štruktúrach ošetrených migrujúcimi inhibítormi korózie, latinskoamerický Kongres REHABEND 2014. 2. Bertolini, L., B. Elsener, Pedeferri P., Polder R. P., korózie ocele v betóne, 2004 Wiley VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. Literatúra [1] Firemná literatúra BASF Slovensko s.r.o. divízia stavebné hmoty