Degradace stavebních materiálů. D p a v l a. r y p a r o v f s v. c v u t. c z

Transkript

1 Degradace stavebních materiálů P A V L A R Y P A R O V Á D p a v l a. r y p a r o v f s v. c v u t. c z

2 Literatura Biczók I.: Concrete corrosion concrete protection, 1972 Matoušek M., Drochyta R. : Atmosférická koroze betonů, 1998 Škvára F.: Chemie a technologie anorganických pojiv II, 2003 Jiránek M., Kupilík V., Wasserbauer R.: Zdravotní nezávadnost staveb, 1999 Wasserbauer R.: Biologické znehodnocení staveb, 2000

3 Internetové odkazy koroze_materialu_pro_restauratory/kadm/html/in dex2.htm

4 Základní pojmy Degradace, poškození, deteriorace, koroze rozrušování materiálu fyzikálně chemickým působením vnějšího a vnitřního prostředí Životnost konstrukcí přímá vazba s trvanlivostí materiálů Schopnost konstrukce zachovávat požadované vlastnosti Praxe snaha o zamezení degradačních procesů nebo alespoň zpomalení nebo omezení nežádoucích škod

5 Základní pojmy Materiál Anorganický nekovový sklo, keramika, anorganická pojiva, monokrystaly Kovy Přírodní materiál papír, useň, pergamen, dřevo Polymery Hlavní děj rozpuštění v kapalné fázi neb chemická reakce s fází plynnou Rozpuštění celkové (kongruentní) - přechod do roztoku ve stejném poměru selektivní (inkongruentní) jedná se vznik látky s jiným chemických složením (př. loužení vícesložkových skel extrakce alkalických iontů)

6 Základní pojmy Poškození stavebních materiálů špatně provedené stavby, špatně udržované stavby Stavební materiály vápenné a cementové malty, sádrové a vápenné štuky, kámen, cihly, střešní krytina působení fyzikálních a chemických dějů Proč? Působení povětrnosti, znečištěné prostředí, vzlínající voda, soli obsažené ve vodě, špatně provedený stavební zásah nebo špatně vybraný stavební materiál, špatně použitá technologie Poškození hmoty jako celku Poškození jednotlivých částí

7 Vlivy způsobující degradaci Vlivy na stavební látky - vnější o Chemické vlivy o Změna chemického složení materiálu nebo jen některé složky reakce s okolím o Vliv okolního prostředí (voda, nečistoty z atmosféry neb ze vzlínající vody, metabolity organismů, nevhodné konzervátorské zásahy) o Výsledek změna barvy, objemu, změna rozpustnosti některé složky Fyzikální vlivy o Vystavení různých silám (uvnitř a vně) poškození fyzikální struktury o Mechanické (deformace lomem, únavou a opotřebením materiálu, mechanické vibrace, oděr povrchu) o Teplotní (teplotní roztažnost) o Vlhkostní (mrazové poškození, abraze, vodné roztoky solí a jejich krystaly) o Elektrický proud a záření

8 Vlivy způsobující degradaci Biologické vlivy Působení živých organismů Fyzikální účinky - kořeny, houbová vlákna Chemické účinky lišejníkové rozpuštění, metabolity Zejména vliv vegetace na mikrostrukturu vznik tlaků, nebo změna chemické podstaty V praxi synergismus Změna pórovitosti, vznik prasklin, materiál náchylnější k chemickému ataku (změna transportu látek), vznik látek s jiným objemem, zvýšení tlaků vznik trhlin Pokud materiál obsahuje hydroskopické soli zůstává neustále vlhký urychlení hydrolysy k vodě citlivým složkám (cihly, omítky ) neb reakce s kyselými zplodinami v ovzduší

9 Charakteristika hlavních degradačních faktorů Teplotní změny Heterogenní soustava Různá objemová změna s T Různá schopnost absorpce tepla (závislé na barvě) Koeficient teplotní roztažnosti Zahřívaní materiálu (slunce, požár, čištění horkou vodou či párou) šíření teplo od povrchu dovnitř - teplotní gradient Rozdíl teplot i několik desítek stupňů (jižní osluněná fasáda i 60 C) Různé minerály různé koeficienty teplotní roztažnosti (někdy i v různých směrech) Vznik pnutí na rozhraní mezi složkami vznik jemných prasklin Pokles pevnosti, růst pórovitosti, zvětšování povrchu materiálu, snížení odolnosti proti vodě a roztoků solí Teplotní změny nejsou zcela reversibilní Př. Opukový jehlan na Pražském hradě ohnul se do té míry, že byl nebezpečný. Ohýbal se směrem k severu tedy od sluncem nejvíce zahřívané strany ke straně chladnější.

10 Mrazové poškození opukové zdi

11 Charakteristika hlavních degradačních faktorů Voda Stavební materiál pórovité prostředí rovnovážné množství vody vůči prostředí Závislost na vlastnostech materiálu, vlhkosti a teplotě prostředí Voda kapalná (vázaná a volná) a plynná o Vázaná voda Relativně pevně uchycena na stěny pórů Chemisorpční a fyzikálně sorpční (van der Waalsovy síly) Snížení pohyblivosti molekul vody (nezamrzá ani pod 0 C) Uspořádání molekul pravidelně podobné při krystalizaci V malých pórech podobné vzniku ledu Odstranění drastické metody (vysoká teplota)

12 Charakteristika hlavních degradačních faktorů Voda o Volná voda o Není vázaná na stěny pórů o Pohyb pomocí gravitační síly, kapilárních či jiných sil o Při zahřívání těsně nad 100 C odchází voda ze systému o Využití pří zjišťování vlhkosti ve stavebním materiálu o Technologická voda o Zavlečená voda při čištění, stavebních úpravách

13 Zdroje vody ve stavebním díle _restauratory/kadm/pdf/2_4.pdf

14 Transport vody v pórovitých materiálech Závislost na pórovité struktuře Celkový objem a distribuce pórů Volné, uzavřené o Druhy pórů o Otevřené póry propojeny s povrchem materiálu o zodpovědné za pronikání vlhkosti, umožňují vysychání, odsolování o vznik únikem plynů během výroby lehčené materiály o vznik postupným odpařováním (vysušováním) lehké betony o záměrným provzdušňováním lehké betony o Uzavřené póry nejsou propojeny s povrchem o neumožňují příjem vlhkosti o podílí se na mechanické pevnosti materiálů o definice není přístupný pro He

15 Definice pórovitosti Pórovitost Má přímou vazbu na hutnost materiálu Korelace s přenosem tepla, vlhkosti, vzduchu popř. plynů, chemických látek atd. ψ= V P /V ψ celková pórovitost materiálu (%) V V P celkový objem materiálu objem pórů měření pomocí plynové adsorpční porozimetrie nebo rtuťové porozimetrie

16 Poškození vodou Mrazová poškození zvětšení objemu asi o 10% Krystalizační tlaky Rozpouštědlo a transportní médium Vyplavování rozpuštěných složek rozpuštění dalších složek nebo výkvěty o Ca(OH)2 v cementu nebo v nezkarbonatované maltě o CaSO4 v sádrových omítkách a štucích o Urychlení chemických reakcí na povrchu pórů o Hydrolýza sklovité matrice u pálených materiálů (cihly, střešní krytina, pálené dlaždice) pomalý proces důsledek ztráta pevnosti

17 Poškození vodou Nutnost pro přítomnost živých organismů Škodlivý obsah vody je spíše spojen s jeho cyklickými změnami

18 Charakteristika hlavních degradačních faktorů Atmosféra O2, N2, Ar, CO2, vodní pára, SOx, NOx, uhlovodíky, další plyny a pevné částice, živé organismy Největší problém je průmyslových oblastech Aerosol (pevné částice a kapky vody) Mlha pouze kapky Prach pevné částice Kouř zplodiny (směs uhlovodíků a sazí) Vymývaní exhalátů za vzduchu deštěm vznik ředěných anorganických kyselin (sorbování na povrch prachu) vznik kyselých dešťů Především reakce s anorganickými kyselinami (H2SO4, H2SO3, H2CO3) Velká agresivita napadání především uhličitanů (vápence, dolomity, mramor, opuka, vápenné malty a omítky) a Ca(OH)2 (beton)

19 Charakteristika hlavních degradačních faktorů Atmosféra Vytěsnění CO 3 2-, vznik nové soli a uvolnění CO 2 První signál je změna lesku ( povrch krystalů je naleptáván) Ca(OH) 2 + 2HNO 3 + 2H 2 O Ca(NO 3 ) 2. 4H 2 O Ca(OH) 2 +H 2 SO 4 CaSO 4. 2H 2 O Doprovázení změnou objemu Některé látky jsou rozpustnější než původní (Viz tabulka) Odplavování ze stavebního materiálu V případě, že jsou méně rozpustné nebo ve srážkovém stínu tvorba krusty s nečistotami ochuzování materiálu o pojivo Tyto reakce probíhají i v nepřítomnosti vody pomalejší reakce a potřeba vyšší koncentrace SO 2

20 Charakteristika hlavních degradačních faktorů Atmosféra Rozpustnost CaCO 3 stoupá i v přítomnosti CO 2 (ve vodě vzniká kyselina) CaCO 3 +CO 2 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 (kyselý uhličitan) příčina krasových jevů MgCO 3 +CO 2 + H 2 O Mg(HCO 3 ) 2 rozpustnost 1,6 g/l reakce vratná vzniká hrubozrnnější a poréznější materiál náchylnější k dalšímu napadení Reakce s CO 2 je vratná a nutná podmínka vody Reakce s SOx a NOx nevratné, stačí přítomnost vodní páry nebo velmi malá vlhkost

21 Charakteristika hlavních degradačních faktorů Vodorozpustné soli Nejčastější příčina poškození staveb hlavně dolní partie zdroje solí Sírany spodní voda, produkty chemické koroze, cement Chloridy posypové soli, bývalá i současná skladiště nasolených potravin Dusičnany posypové soli, organické zbytky (hřbitovy, konírny), prachárny (KNO 3 ), průmyslová hnojiva Sodné a draselné soli kontaminace NaOH neb KOH při nevhodném zásahu

22 Charakteristika hlavních degradačních faktorů Vodorozpustné soli chování solí v pórech závislost na množství vody v roztoku, relativní vlhkost vzduchu (podmínky krystalizace, případně hydratace) obecně když je relativní vlhkost vzduchu nad nasycenými roztoky: RH více jak 75% - běžně soli krystalují RH 50-75% - krystalizace zřídka RH po 50 % - pouze výjimečně většinou zůstávají v roztoku soli z 1. a 2. skupiny při nízké vlhkosti vzduchu a zvýšení teplotě ztrácejí krystalickou vodu a zpět rekrystalizovat aniž přejdou do roztoku soli z 3. skupiny hydroskopické soli snadno přijímají vodu z ovzduší neustále zvlhčení stavebního materiálu objekt trvale spojený se zdrojem spodní vody knot (nasává vodu se solemi, kapiláry rozvádějí dál vznik krystalů, výkvětů změna pórovitosti, mikrostruktury náchylnější k dalším faktorům

23 vlhkost vzduchu nad jejich nasycenými roztoky Sůl Rozpustnost [g l-1] RH [%] síran vápenatý CaSO4 2 H2O 2,4 100 síran draselný K2SO dusičnan draselný KNO uhličitan sodný Na2CO3 10 H2O síran hořečnatý MgSO4 7 H2O síran sodný Na2SO4 10 H2O chlorid sodný NaCl chlorid draselný KCl dusičnan sodný NaNO dusičnan amonný NH4NO dusičnan hořečnatý Mg(NO3)2 6 H2O dusičnan vápenatý Ca(NO3)2 4 H2O uhličitan draselný K2CO3 2 H2O chlorid hořečnatý MgCl2 6 H2O chlorid vápenatý CaCl2 6 H2O hydrogenuhličitan vápenatý Ca(HCO3)2 1,6 uhličitan vápenatý CaCO3 0,013 uhličitan hořečnatý MgCO3 0,093

24 Napětí při hydrataci solí Výchozí látka Vznikající látka Vyvozený přetlak (MPa) CaSO 4 CaSO 4.2H 2 O 110 Na 2 SO 3 Na 2 SO 3.10H 2 O 25 Na 2 CO 3 Na 2 CO 3. 10H 2 O 30

25 Základní chemické reakce s agresivními složkami H 2 CO 3 kyselá voda CaCO 3 + H 2 CO 3 Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + H 2 O + CO 2 H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 Ca(HCO 3 ) 2 - vyluhuje se z pórového roztoku snížení ph až k hodnotě 8,3 Vody sirnaté a síranové (H 2 SO 4, H 2 SO 3 ) CaCO 3 + H 2 SO 4 CaSO 4 + H 2 O síranová koroze u portlandských cementů obsahující hlinitan vznik enttrigitu, nebo sádrovce, zvětšení objemu CaO.Al 2 O 3.3CaSO 4.32H 2 O (ettringit)

26 Základní chemické s agresivními složkami Kyselina dusičná (HNO 3 ) 2NH 3 +3O 2 2HNO H 2 O 2HNO 2 +O 2 HNO 3 + HNO NH 3 + H 2 O NH 4 OH CaCO HNO 3 Ca(NO 3 ) 2 + CO 2 + H 2 O Ca(OH) 2 + HNO 3 Ca(NO 3 ) 2 + H 2 O

27 Reakce anorganických kyselin na beton Kyselina Reakce Účinek HCl Ca(OH) 2 +2HCl CaCI 2 +2H 2 O Vyluhování, CaCI 2 je lehce rozpustný ve vodě HNO 3 Ca(OH) 2 +2HNO 3 Ca(NO 3 ) 2 +2H 2 O Vyluhování, Ca(NO 3 ) 2 je lehce rozpustný ve vodě H 2 CO 3 Ca(OH) 2 +2H 2 CO 3 Ca(HCO 3 ) 2 +2H 2 O Vyluhování, Ca(HCO 3 ) 2 je rozpustný ve vodě (1,7g/100g) H 2 SO 3 Ca(OH) 2 +2H 2 SO 3 Ca(HSO 3 ) 2 +2H 2 O Vyluhování, Ca(HSO 3 ) 2 rozpustný ve vodě H 2 SO 4 Ca(OH) 2 +2H 2 SO 4 CaSO 4.2H 2 O Síranová koroze H 3 PO 4 Ca(OH) 2 +2H 3 PO 4 Ca 3 PO 4 +6H 2 O Bez vyluhování, Ca 3 PO 4 těžce rozpustný

28 Objemové změny při hydrataci solí Výchozí látka Reagující složka Vznikající sloučenina Ca(OH) 2 CO 2 CaCO 3 6 Ca(OH) 2 SO 3 +H 2 O CaSO 4.2H 2 O 130 Ca(OH) 2 2HCl+4H 2 O CaCl 2.6H 2 O 305 MgSO 4.2H 2 O 5H 2 O MgSO 4.7H 2 O 145 MgSO 4.6H 2 O H 2 O MgSO 4.7H 2 O 11 CaCl 2. 2H 2 O 2H 2 O CaCl 2. 4H 2 O 35 CaCl 2. 4H 2 O 2H 2 O CaCl 2. 6H 2 O 24 Průměrné zvětšení objemu (%)

29 Vzlínající vlhkost se solemi

30 Poškození sgrafita vlhkostí a solí

31 Biologický účinek vlhkosti Vyšší rostliny Silový účinek kořenů (0,6-2,5 MPa) Mikroflóra Sirné a nitrifikační bakterie (minimální vlhkost 50%, optimální 70-90%) Zdroj živin jsou cementové minerály a průmyslového exhalace (oxidy S, N, org. a anorg. látky, soli) Řasy, sinice, mechy a lišejníky Vzrůstají do substrátu, narušují povrchovou strukturu Metabolity kys. citrónová, glukuronová, šťavelová, aminokyseliny úbytek Ca v pojivu Plísně Produkce organických kyselin - zvětrávání, změna barvy

32 Základní fyzikální vlastnosti Objemová hmotnost ρ V =m/v Hustota» ρ V objemová hmotnost (kg/m 3 )» m hmotnost daného materiálu» V celkový objem materiálu se všemi póry ρ=m/v» ρ hustota materiálu (kg/m 3 )» m hmotnost daného materiálu» V celkový objem materiálu bez pórů Pyknometrické stanovení

33 Základní fyzikální vlastnosti Pórovitost Má přímou vazbu na hutnost materiálu Korelace s přenosem tepla, vlhkosti, vzduchu popř. plynů, chemických látek atd. ψ= V P /V ψ celková pórovitost materiálu (%) V V P celkový objem materiálu objem pórů měření pomocí plynové adsorpční porozimetrie nebo rtuťové porozimetrie

34 Základní druhy koroze Koroze prvního druhu dochází k rozpouštění a vyluhování složek cementového tmelu tzv. hladové vody Koroze druhého druhu vzájemné rce mezi složkami cementového tmelu a agresivní roztokem kyselinová koroze, alkalická koroze, karbonatace Koroze třetího druhu hromadění málo rozpustných látek, pozvolné zaplňování pórů, falešné zhutnění, nárůst pevnosti, vznik vysokých krystalizačních tlaků, snížení pevnosti, totální destrukce síranová koroze, solná koroze

35 Koroze prvního druhu zvýšené vyluhování zvýšení pórovitosti a ztráta pojivových vlastností u betonu nejvýš rozpustnou složkou je Ca(OH) 2, gely kalciumsilikátů a kalciumaluminátů snížení koncentrace Ca(OH) 2 rozpad těchto hydrátů na až na oxidy (SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 ) ztráta vazebných vlastností snížení pevnosti betonu snížení koncentrace Ca(OH) 2 snížení ph problém ocelové výztuže nejvíce ohrožuje vodní a podzemní stavby vnější projev kalcitový výkvět mapy z CaCO 3 (vznik neutralizací Ca(OH) 2 )

36 Koroze druhého druhu výkvěty tvořené na povrchu betonu (střídavé smáčení a vyluhování) výkvěty vznikají rcí složek betonu a agresivního média typické soli sírany a uhličitany sodné, draselné a vápenaté působení CO 2 na beton napadení Ca(OH) 2 (rozpuštěný v pórovém roztoku) Ca(OH) 2 +CO 2 CaCO 3 +H 2 O (forma kalcitu) kalcit krystaluje v pórech další vylučování Ca(OH) 2 rce se opakuje kapiláry se zaplňují zvětšuje se hutnost cementového tmelu zpomalení karbonatace klesá hodnota ph z 12,9 na 9 koroze výztuže konečná fáze výskyt velkých krystalů aragonitu a kalcitu (vznik rekrystalizací) rozpad celé betonové výztuže

37 Koroze třetího druhu síranová koroze vznik sádrovce expanze objemu o 17 % sulfoaluminátová koroze - vznik ettringitu expanze objemu až 400 % solná koroze (napadání betonu mořskou či mineralizovanou vodou)

38 Shrnutí - voda

39 Shrnutí -projevy degradačních procesů Změny reversibilní x ireversibilní Stárnutí konstrukce Sanace Rekonstrukce Demolice

40 Shrnutí - soli

41 Děkuji za pozornost