Studium náchylnosti cementových malt a betonů ke karbonataci
Karbonatace betonu (případně cementové malty) je pomalý destruktivní proces, který průběžně způsobuje změnu pH, korozi výztuže a vede až k úplné ztrátě pevnosti a soudržnosti betonu. Zdá se však, že proces karbonace může být částečně ovlivněn složením betonové směsi a jejím dokonalým zhutněním. Větší dávky cementu, nejlépe portlandského, zaručují nejlepší přírodní ochranu betonu. Naopak negativní účinky karbonace se projevují intenzivněji u hůře zhutněného betonu a také u betonu s přebytkem záměsové vody. Nalezení vhodné receptury pro betonovou směs spolu s dokonalou technologií zpracování vede k významnému prodloužení životnosti betonových konstrukcí vystavených invazivnímu působení plynného oxidu uhličitého.
1. Úvod a cíl řešení
Životnost je jedním z důležitých faktorů rentability pro jednotlivé betonové konstrukce a je determinována převážně vlastní trvanlivostí betonu. Tato trvanlivost je výslednicí spolupůsobících vnitřních (druh a množství cementu, kameniva, vody) a vnějších činitelů (zatížení, mechanické poškození, klimatické podmínky, agresivní prostředí) [1]. Nejsledovanější je v poslední době degradující účinek plynného CO2 obsaženého v atmosféře na vlastnosti cementového tmele – tzv. karbonatace betonu. Karbonataci vyvolává oxid uhličitý CO2, reagující v pórech betonu s hydroxidem vápenatým Ca(OH)2 rozpuštěným ve vodě. Vzniká tak uhličitan vápenatý CaCO3, který krystalizuje v pórech, a protože zaujímá větší objem než Ca(OH)2, ze kterého vznikl, zmenšuje propustnost a dočasně zvyšuje povrchovou tvrdost betonu. Dochází tak k ukončení tzv. I. fáze karbonatace – viz rovnice (1) [2].
Důležitým faktorem, který ovlivňuje pronikání CO2 do betonu, je jeho pórovitost. Hlavním cílem zde předkládané práce je sledování vlivu množství záměsové vody a intenzity hutnění na postup karbonatace cementových malt. Výzkum byl záměrně prováděn se dvěma druhy cementů s ohledem na posouzení vlivu i tohoto vnitřního činitele trvanlivosti.
2. Testované vzorky, postupy a zařízení
Za účelem posouzení vlivu vnitřních činitelů (druh cementu, způsob hutnění, množství záměsové vody) na průběh karbonatace cementových malt bylo vyrobeno na základě receptury 1, 2 a 3 celkem 32 normových trámečků rozměrů 40×40×160 mm, viz Tab. 1.
| Označení receptury | Předpokl. pevnost v tlaku 28denní (MPa) | Množství jemného kameniva (g) | Množství cementu CEM I 42,5 R CEM III 32,5 R (g) | Množství záměsové vody základní (ml) | Množství záměsové vody zvýšené (ml) | Počet vzorků (kus) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 15,0 | 1600,0 | 200,0 | 185,0 | 215 | 12 |
| 2 | 25,0 | 1475,0 | 325,0 | 200,0 | 230 | 11 |
| 3 | 35,0 | 1350,0 | 450,0 | 212,0 | 242 | 9 |
Dle každé ze základních receptur 1, 2 a 3 byly vyrobeny čtyři varianty cementových malt:
- použit cement CEM I 42,5 R
- použit cement CEM III 32,5 R
- použit cement CEM I 42,5 R, malta normově nehutněna
- použit cement CEM I 42,5 R, přebytek záměsové vody.
3. Popis experimentální práce
Normové maltové trámečky byly po 1 měsíci vodního uložení umístěny na 120 dní do mírně přetlakové komory s atmosférou 98% CO2. 120 dní urychlené zkoušky na postup karbonatace odpovídá přibližně dvěma rokům v atmosféře 0,03% CO2 (běžné ovzduší) [3]. Obrázky 1–12 charakterizují hloubku karbonatace rozdílných receptur a jejich variant po 120 dnech uložení v 98% CO2, grafy 1–4 dokumentují postup karbonatace a změnu fyzikálně-mechanických vlastností vzorků. Hloubka karbonatace byla stanovena jednoduchým fenolftaleinovým testem dle ČSN EN 13295.
Obr. 1 Rec. 1, CEM I 42,5 R, 120 dní v 98% CO2, hloubka karbonatace 20 mm
Obr. 2 Rec. 2, CEM I 42,5 R, 120 dní v 98% CO2, hloubka karbonatace 10 mm
Obr. 3 Rec. 3, CEM I 42,5 R, 120 dní v 98% CO2, hloubka karbonatace 10 mm
Obr. 4 Rec. 1, CEM III 32,5 R, 120 dní v 98% CO2, hloubka karbonatace 20 mm
Obr. 5 Rec. 2, CEM III 32,5 R, 120 dní v 98% CO2, hloubka karbonatace 20 mm
Obr. 6 Rec. 3, CEM III 32,5 R, 120 dní v 98% CO2, hloubka karbonatace 15 mm
Obr. 7 Rec. 1, CEM I 42,5 R, bez hutnění, 60 dní v 98% CO2, hloubka karbonatace 20 mm
Obr. 8 Rec. 2, CEM I 42,5 R, bez hutnění, 60 dní v 98% CO2, hloubka karbonatace 17 mm
Obr. 9 Rec. 3, CEM I 42,5 R, bez hutnění, 120 dní v 98% CO2, hloubka karbonatace 20 mm
Obr. 10 Rec. 1, CEM I 42,5 R, přebytek záměsové vody, 120 dní v 98% CO2, hloubka karbonatace 20 mm
Obr. 11 Rec. 2, CEM I 42,5 R, přebytek záměsové vody, 120 dní v 98% CO2, hloubka karbonatace 20 mm
Obr. 12 Rec. 3, CEM I 42,5 R, přebytek záměsové vody, 120 dní v 98% CO2, hloubka karbonatace 13 mm
Graf 1
Graf 2
Graf 3
Graf 4
4. Zhodnocení a porovnání výsledků
- Vysokopecní cement odolává karbonataci méně než portlandský cement (srovnej obr. 3 a 6).
- Vyšší dávky cementu vždy přispívají k lepší přirozené ochraně betonu před karbonatací (obr. 1–12).
- Negativní účinky karbonatace se projeví razantněji u hůře zhutněného betonu než u betonu s přebytkem záměsové vody (obr. 9, 12, graf 1).
- Voda jakožto vedlejší produkt karbonatace je produkována intenzivněji betony s vyšším obsahem cementů, přičemž hůře zhutněné betony mají vyšší schopnost tuto „karbonatační vodu“ akumulovat v pórech a tím zvyšovat svoji hmotnost (graf 2).
- Vyšší dávka cementu zaručuje i v průběhu karbonatačního procesu stabilní pevnost betonu v tlaku bez ohledu na intenzitu hutnění a vodní součinitel (graf 3).
- Nižší dávka cementu ve spojení s horším hutněním a hlavně přebytkem záměsové vody má za následek nižší pevnost v tlaku malty či betonu během procesu karbonatace (graf 3).
- Dosažená pevnost malty v tahu za ohybu se v průběhu karbonatačního procesu nezdá být výrazně ovlivněna druhem cementu, intenzitou hutnění ani vodním součinitelem.
Výsledky provedených měření naznačují, že karbonatací budou více ohroženy malty a betony horší kvality (nízká pevnost, špatné zhutnění, přebytek záměsové vody), betony kvalitnější se do jisté míry ubrání agresivnímu CO2 samy. Negativním účinkům karbonatace cementových malt a betonů lze tedy předejít návrhem velmi kvalitní betonové směsi a následně jejím velmi dobrým zhutněním během betonáže. Bude jistě přínosné, vzhledem k úzkému spektru dosud testovaných cementových malt, následný výzkum rozšířit o další varianty receptur a možných technologických pochybení během přípravy maltových a betonových směsí.
5. Význam pro praxi
Očekávaná trvanlivost betonu a z ní odvozená fyzická životnost betonové konstrukce je v současnosti jednou z nejsledovanějších kvalitativních charakteristik stavebního díla. Je v možnostech technologů betonu doporučit stavebním projektantům optimální receptury betonů, u nichž lze předpokládat dlouhou životnost betonových konstrukcí vystavených invazivnímu působení plynného oxidu uhličitého. Samozřejmě za předpokladu dodržení zvýšené technologické kázně během ukládání, hutnění a následného ošetřování čerstvé betonové směsi.
Literatura
- HENNING, O., LACH, V., Chemie ve stavebnictví. SNTL, Praha, 1983
- MATOUŠEK, M., DROCHYTKA, R., Atmosférická koroze betonů. IKAS a ČKAI, Praha, 1998
- STEHLÍK, M., Princip urychlené zkoušky na hloubku karbonatace v 98% CO2. Článek ve sborníku konference Non-Destructive Testing in Engineering Practice, November 2008, Brno University of Technology, str. 115–117, ISBN 978-80-7204-610-2
Carbonatation of concrete (or possibly of cement grout) is a slow destructive process, which continuously causes the change of pH, the corrosion of reinforcement, up to the total loss of strength and cohesion of concrete. It seems, however, that the carbonatation process can be partially influenced by a composition of concrete mixture and by perfect dumping. Greater batches of cement, preferably portland cement, guarantee the best natural preservation of concrete. On the contrary, negative effects of carbonatation demonstrate themselves stronger in the worse dumped concrete and also in concrete with excess of batching water. Finding a suitable recipe for a concrete mixture together with a perfect processing technology lead to a significant prolongation of lifetime of concrete constructions exposed to invasive action of gaseous carbon dioxide.