Interakce materiálů a prostředí

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Interakce materiálů a prostředí"

Vlastimil Bláha
před 6 lety
Počet zobrazení:

1 Interakce materiálů a prostředí Martin Keppert, Alena Vimmrová A329 martin.keppert@fsv.cvut.cz vimmrova@fsv.cvut.cz zk 1

způsobují ztuhnutí kaše cementářská notace: C CaO S SiO 2 A Al 2 O 3 F Fe 2 O 3 slínkové minerály: C

2 Beton v kostce Se zřetelem k jeho trvanlivosti beton = cement + voda + kamenivo 0/8 mm a více (+ ) cement: obsahuje slínkové minerály látky schopné reagovat s vodou za vzniku hydratačních produktů způsobují ztuhnutí kaše cementářská notace: C CaO S SiO 2 A Al 2 O 3 F Fe 2 O 3 slínkové minerály: C 3 S nejvíce rychle reaguje s vodou C 2 S pomalá reakce C 4 AF, C 3 A minoritní složky ale významné H H 2 O 2

3 hydratace slínkových minerálů: vrstva hydratačních produktů vlákna hydratačních produktů zpevnění 3

4 hydratace slínkových minerálů: slínkové minerály reagují s vodou (sami od sebe): křemičitany: např: 2 C S 6 H C S H 3 CH CSH gel hydroxid vápenatý (portlandit) hlinitany, železitany: vzniká C 3 AH 6 a C 3 FH 6 směsné cementy (CEM II CEM V): obsahují reaktivní příměsi - látky, které jsou schopné hydratovat a pojit reakcí s CH vznikajícím při hydrataci slínkových minerálů struska, popílek, přírodní pucolány látky s reaktivním SiO 2 4

5 zralý beton obsahuje: kamenivo (v ČR obvykle vyvřelé horniny stabilní složky) CSH/CAH pojivý gel CH hydroxid vápenatý zajišťuje vysoké ph betonu (na počátku 12,5) póry: gelové mezi částicemi gelu nevyhnutelné, neškodí kapilární vznikají v důsledku obsahu záměsové vody více vody = více kapilár = menší pevnost, větší propustnost betonu cesta k vyšším pevnostem: méně vody = méně kapilárních pórů plastifikační přísady provzdušňování betonu: zavedení bublinek ( mikronů) do betonu - realizuje se v nich expanze ledu vyšší odolnost vůči poškození mrazem 5

6 1. krok stranou D23IMP - Přednáška 1 Kyseliny a zásady Brönsted: nositelem kyselosti je H + (vodíkový kation, proton) kyselina: v (vodném) roztoku uvolňuje H + HCl H Cl zásada: v (vodném) roztoku přijímá H + NH H NH 3 4 NaOH H Na H O ph = - log c H+ kyseliny 0-7, zásady

7 2. krok stranou D23IMP - Přednáška 1 Silné a slabé kyseliny síla kyseliny se charakterizuje disociační konstantou rovnovážnou konstantou disociační reakce H Cl HCl H Cl K c c c HCl produkty disociace reaktanty disociace silná kyselina disociuje téměř úplně; hodnota K vysoká (>0,01) anorganické kyseliny: H 2 SO 4, HNO 3, HCl středně silné a slabé kyseliny disociují pouze částečně; hodnota K < 0,01 (až k ) koncentrace H + je mnohem nižší, než koncentrace nedisociované formy kyseliny anorganické: H 2 CO 3, H 2 SO 3, H 2 S organické: všechny octová, mravenčí, šťavelová, jablečná sůl slabší kyseliny je rozkládána působením silnější kyseliny ( vytěsňování ) Pb CH COO 2HCl PbCl 2CH COOH CaCO 2HCl CaCl CO H O

3. krok stranou D23IMP - Přednáška 1 Rozpouštění plynů ve vodě parciální (částečný) tlak p i : celkový tlak plynné směsi je součet příspěvků tlaků jednotlivých

8 3. krok stranou D23IMP - Přednáška 1 Rozpouštění plynů ve vodě parciální (částečný) tlak p i : celkový tlak plynné směsi je součet příspěvků tlaků jednotlivých složek: p atm =p N2 +p O2 +p CO2 +p Ar +. parciální tlaky složek p i = x i. p celkový tlak c Henryho zákon:, i v roztoku 1. p K Hi, i molární zlomek složky i 8

9 Degradační procesy za účasti CO 2 Formy CO 2 rozpuštěného ve vodě: celkový volný CO 2(aq) CO 2 +H 2 CO 3 rovnovážný agresivní vázaný (v iontech) CO 3 2-, HCO 3-9

10 Formy výskytu CO 2 ve vodných roztocích Hydrogenuhličitanová rovnováha: forma výskytu CO 2 v čisté vodě Rozpouštění CO 2 ve vodě, vznik kyseliny uhličité: CO 2 H2O H2CO3 Kyselost kyseliny uhličité: dvousytná kyselina Disociace do 1. stupně: Disociace do 2. stupně: K H CO HCO H 2 3 CO 3 H 2 CO CO K 2 3 1, H HCO 3 4 a1 2,5. 10 H 2CO3 2 HCO H H CO3 K 11 a2 4,7. 10 HCO 3 ph = - log [H + ] 10

11 Voda nasycená atmosférickým CO 2 (p CO2 =0,035 kpa): ph = 5,65 Bjerrumův graf nezahrnuje vliv Ca! CO CO H 2,aq 2 2CO3 déšť...prakticky se velmi špatně rozlišuje měří se suma: volný CO 2 11

12 Karbonatace (betonu) Působení plynného CO 2 poměry v cementovém tmelu: složka obsah rozpustnost (g/l) CSH fáze 50-60% 0,05 g/l C 4 AH 13 +C 3 AH % 1,08+0,56 g/l Ca(OH) 2 portlandit % 1,6 g/l všechny složky jsou v rovnováze při jejím porušení (vyluhováním portlanditu) se ostatní složky rozkládají až na hydratované oxidy pokles vazebných schopností rozpouštění portlanditu řídí ph cementového tmelu pórový roztok je nasycený roztok Ca(OH) 2 ph = 12,5 (dále NaOH a KOH minimální koncentrace) 2 Ca(OH) 2 Ca 2OH rozpouštění portlanditu podporuje nízká teplota a nízký obsah Ca 2+ (měkká voda) 12

13 Karbonatace betonu Působení plynného CO 2 souhrnná reakce 1. fáze: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O neutralizují se i NaOH a KOH: na Na 2 CO 3 a K 2 CO 3 mechanismus: Ca(OH) Ca 2OH CO 2(g) 2 2(s) (aq) (aq) CO 2(aq) CO OH HCO 2(aq) (aq) 3(aq) HCO OH CO H O 2 3(aq) (aq) 3(aq) 2 Ca CO CaCO 2 2 (aq) 3(aq) 3(s) rozpustnost CaCO 3 0,014 g/l Probíhá pouze ve vlhkém prostředí mechanismus přes roztok Úplné zreagování veškerého Ca(OH) 2 pokles ph na 8,3 13

14 2. fáze karbonatace po lokálním vyčerpání Ca(OH) 2 CSH + CO 2 CaCO 3 + SiO 2. hydratované oxidy - amorfní CAH + CO 2 CaCO 3 + Al 2 O 3. Jemnozrnné kalcit, aragonit, vatterit nezhydratované slínkové minerály: 3CaO SiO CO 2 + x H 2 O SiO 2 x H 2 O + 3 CaCO 3 2CaO SiO CO 2 + x H2O SiO 2 x H 2 O + 2 CaCO 3 Už neklesá ph, ale klesá vazebná schopnost systému. 14

Průběh karbonatace 1. fáze: reaguje Ca(OH) 2, krystalizující CaCO 3 (jako kalcit) vyplňuje pórový prostor; pokles ph; pokles propustnosti, vyšší pevnost 2.

fáze: při cyklických změnách vlhkosti rekrystalizace jemnozrnných forem kalcitu a aragonitu na velké krystaly + metamorfóza aragonitu a vateritu na kalcit

15 Průběh karbonatace 1. fáze: reaguje Ca(OH) 2, krystalizující CaCO 3 (jako kalcit) vyplňuje pórový prostor; pokles ph; pokles propustnosti, vyšší pevnost 2. fáze: karbonatace CAH a CSH vznikají amorfní nebo mikrokrystalické hydratované oxidy a jemnozrnný CaCO 3 (stabilní kalcit, metastabilní aragonit a vaterit) 3. fáze: při cyklických změnách vlhkosti rekrystalizace jemnozrnných forem kalcitu a aragonitu na velké krystaly + metamorfóza aragonitu a vateritu na kalcit objemové změny, krystalizační tlaky (kalcit má menší hustotu) 4. fáze: kompletní rozpad tmelu na hrubě krystalický kalcit a hydráty oxidů SiO 2 a Al 2 O 3 Kalcit Aragonit 15

Rychlost karbonatace modelování pro potřeby návrhu/odhadu životnosti železobetonových kcí určení tloušťky betonové krycí vrstvy výztuže jednodušší modely představa řídícího kroku nejpomalejší krok,

16 Rychlost karbonatace modelování pro potřeby návrhu/odhadu životnosti železobetonových kcí určení tloušťky betonové krycí vrstvy výztuže jednodušší modely představa řídícího kroku nejpomalejší krok, určující rychlost celého procesu pro karbonataci to je rychlost difúze CO 2 pórovým prostorem (II. Fickův zákon) hloubka zkarbonatované vrstvy: x A t parametr A: dif. koeficient CO 2 obsah CO 2 v atmosféře faktor difúzního odporu μ vliv vlhkosti na rychlost: nejrychlejší při RH % B15 = C 12/15 B45 = C 35/45 16

17 změna hmotnosti/ % změna hmotnosti / % D23IMP - Přednáška 1 Vyšetřování průběhu karbonatace zkouška pomocí fenolftaleinu stanovení obsahu Ca(OH) 2 titrací ve výluhu (sacharátová metoda) termická analýza sledování průběhu rozkladu Ca(OH) 2 a CaCO Ca(OH) CaCO Temperature / C -45 Temperature / C Ca(OH) 2 CaO + H 2 O (g) CaCO 3 CaO + CO 2(g) 17

18 CO 2aq mmol/l Vápenatouhličitanová rovnováha Koroze betonu agresivním CO 2 reálné prostředí horniny na bázi CaCO 3, betony, malty... D23IMP - Přednáška 1 K hydrogenuhličitanové rovnováze se přidává rozpouštění CaCO 3 CaCO Ca CO3 Agresivní voda více volného CO 2 než odpovídá rovnováze systém se snaží dosáhnout rovnováhy K S,C ac O3 Ca CO3 4,5. 10 velmi malá rozpustnost v čisté vodě uplatňuje se vratná reakce: CaCO CO H O Ca 2(HCO ) tvrdost vody [HCO - 3] mmol/l 18

19 CO 2aq mmol/l Agresivní voda více volného CO 2 než odpovídá rovnováze systém se snaží dosáhnout rovnováhy D23IMP - Přednáška 1 ph volný CO 2,aq neagresivní >6 <0,2 mmol/l slabě agresivní 6-5,5 0,2-0,9 středně agresivní 5,5-5 0,2-2 silně agresivní 5-4 >2 velmi silně ag. 4-3 agresivní voda ( pro beton ) rozpouští CaCO 3 : CaCO CO H O Ca 2 HCO 3 agresivní pro železo - karbonatace běžná podzemní voda agresivní pro železo [HCO - 3] mmol/l 19

20 CO 2aq mmol/l D23IMP - Přednáška 1 Vápenatouhličitanová rovnováha reálné prostředí horniny na bázi CaCO 3, betony, malty Inkrustující voda: Nízká koncetrace CO 2, vysoká HCO 3 - (přechodná tvrdost) Vylučuje se CaCO 3 2 Ca 2 HCO3 CaCO 3 CO2 H2O [HCO - 3] mmol/l Vliv teploty vodní kámen zejména na teplosměnných plochách 20

21 Působení agresivní vody na beton příležitostné - rozpouští zkarbonatovanou vrstvu (CaCO 3 ) doplňování Ca 2+ na povrchu difuzí Ca(OH) 2 z jádra betonu pokles alkality, rozpad rovnováhy CSH a CAH beton trvale vystavený agresivní vodě pokrývá se hutnou karbonatovanou vrstvou, která se následně rozpouští proudící voda neustálý přísun CO 2 rozklad cementového tmelu agresivní je zpravidla voda měkká přidává se problém s vyluhováním 21

22 Působení agresivní vody na beton voda prosakující konstrukcí pod hydrostatickým tlakem (přehrady, tunely) agresivní voda III. zóna: vyluhování voda už bez CO 2 rozpouští Ca(OH) 2 I. zóna: porušování vrstvy CaCO 3 nasycování vody Ca(HCO 3 ) 2 II. zóna: zhutnění Ca(HCO 3 ) 2 +Ca(OH) 2 2 CaCO 3 +2 H 2 O 22

23 Ochrana betonu vůči agresivní vodě hydroizolace jílová vrstva kolem základů asfaltový nátěr hlinitanový cement obsypání konstrukce vápencem dlouhodobá hladina vody v jeskyni Srdcová chodba - Jeskyně na Špičáku (Jeseníky) 23

Podobné dokumenty

Degradace stavebních materiálů

Degradace stavebních materiálů Martin Keppert, Alena Vimmrová a externisté A329 martin.keppert@fsv.cvut.cz vimmrova@fsv.cvut.cz zk Obsah předmětu 20.2. CO 2 a stavební materiály 27.2. Ing. Vávra Betosan