KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE DEGRADACE STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ
Obsah Degradace (koroze) nekovových stavebních hmot Degradace chemická, fyzikální, fyzikálně-chemická, biologická IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE Příčiny degradace a koroze teplotní změny, vliv vody, vliv ovzduší, mechanické příčiny Degradace vlivem vodorozpustných solí zdroje solí, klasifikace obsahu solí, destrukční mechanismy působení solí Degradace sádry + ochrana Degradace vápenatých uhličitanových pojiv Degradace materiálů na bázi hořečnatého ř č pojiva Degradace betonu
Degradace nekovových stavebních materiálů degradace X koroze životnost konstrukcí je v přímé vazbě s trvanlivostí materiálů RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE vliv agresivního okolního prostředí reakce se složkami materiálů poškození (degradace) d koroze chemická děje, při kterých se mění chemické složení materiálů nebo některé jeho složek reakcí s okolím (nečistoty z atmosféry, ze vzlínající vody, metabolické produkty živých organismů, nevhodné konzervátorské zásahy apod.) - výsledkem probíhající chemické koroze je zpravidla změna barvy, objemu a hlavně rozpustnosti napadené složky (vliv na celou řadu materiálových parametrů)
fyzikální íkoroze RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE - mezi fyzikální korozní děje řadíme ty, při nichž je materiál vystaven působení různých sil a tlaků (vně i uvnitř porézní struktury materiálů) které poškozují jeho strukturu -vznik těchto sil a jimi vyvolanými tlaky souvisí nejčastěji j se změnami teploty, působením vody a vodných roztoků solí, vznikem nových minerálů, mechanickými vibracemi a abrazí povrchu fyzikálně-chemická koroze biologická koroze - jevy vyvolané či podmíněné živými organismy jejich působení ů se ve své podstatě tě projevuje j jako koroze fyzikální (např. vrůstání kořenů nebo houbových vláken do substrátu) nebo chemická (rozpuštění substrátu kyselinami org. živočichů) tzn. vznikem tlaků, působících na materiál nebo chemickou přeměnou některé ze složek
RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE Příčiny koroze I vliv teplotních změn - stavební materiál představuje většinou heterogenní soustavu, jejíž jednotlivé složky se mohou lišit - jednou z heterogenních vlastností je právě změna objemu jako odezva na změnu teploty dáno schopností jednotlivých složek absorbovat teplo - jejich koeficientem teplotní roztažnosti (tento koeficient může být u některých materiálů různý, v závislosti na směru krystalových os) -v důsledku zahřívání povrchu materiálu (slunce, požár, atd.) dochází k šíření tepla do vnitřní struktury hmoty vznik teplotního gradientu mezi povrchem a vnitřkem hmoty rozdílné koeficienty teplené roztažnosti a teplotní gradient mezi povrchovými a vnitřními vrstvami vedou ke vzniku pnutí na rozhraní jednotlivých částic, krystalů vznik trhlin pokles pevnosti, růst pórovitosti, zvětšení povrchu materiálu snížení odolnosti proti působení vody, vodných roztoků solí atd. - objemové změny vlivem teploty nejsou zcela reversibilní
Příčiny koroze II vliv vody - pórovité stavební materiály obsahují vždy určité množství vody, která je v rovnováze s vlhkostí prostředí, v němž jsou umístěny RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE -rovnovážná vlhkost závisí na vlastnostech materiálů, na teplotě a vlhkosti prostředí - voda volná (pohybem vlivem gravitace a kapilárních sil) - voda vázaná na stěny porézního prostoru snížená pohyblivost molekul vody y(při poklesu pod 0 C nemrzne) Mechanismy degradace vlivem vody: poškození mrazem připřechodu přechodu z kapalného do pevného skupenství se objem vody zvyšuje cca o 10% - porušení krystalizačními tlaky ledu (vliv nasycení materiálu) voda představuje nebezpečí jako rozpouštědlo a transportní medium některých škodlivých látek (hlavně soli)
Příčiny koroze III IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE Mechanismy degradace vlivem vody: voda urychluje nebo přímo ovlivňuje chemické reakce na povrchu pórů a podporuje existenci živých organismů (lišejníků, řas, apod.) rozpouštění materiálu narušení soudružnosti pojiva nebezpečí při cyklických změnách vlhkosti v materiálech obsahujících jílové minerály a vodorozpustné soli obecně je možné říci, že i poměrně vysoký obsah vody ve stavebním materiálu je méně škodlivý, než jeho změny (dokonce i při celkově malém množství vlhkosti)!
RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE Příčiny koroze IV Vliv ovzduší složení, proudění vzduch obsahuje kromě základních složek také vodní páru, oxidy síry, dusíku, uhlovodíky a další plyny a částice pevných látek jako produkty živých organismů, sopečných erupcí, průmyslových procesů, činnosti spalovacích procesů apod. velice důležitým faktorem pro degradaci stavebních materiálů je také obsah oxidu uhličitého (CO 2 ) důsledek spalování fosilních i recentních paliv, výroba cementu 1t PC = 1t CO 2 -představuje nebezpečí hlavně pro uhličitany a hydroxidy vápenaté lokálně mohou být významné i jiné plynné produkty chemického průmyslu ů chlór, sirovodík, apod. na korozi stavebních materiálů se podílejí i pevné částice ze vzduchu (anorganické i organické)
Příčiny koroze V pevné částice a kapky kapalin unášené vzduchem jsou součástí aerosolu, přičemž doba jejich unášení vzduchem závisí na jejich velikosti, hmotnosti a intenzitě proudění vzduchu mlha, prach RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE vymývání plynných exhalátů deštěm, sněhem nebo mlhou zředěné roztoky anorganických kyselin, částečně jsou tyto plyny sorbovány i na povrch tuhých částic prachu -roste kyselost srážkové vody pokles ph na hodnotu < 4 z chemického hlediska je korozivní působení kyselých exhalátů z ovzduší především reakcí anorganických kyselin sírové, siřičité, dusíkatých kyselin a kyseliny uhličité se složkami stavebních materiálů agresivně působí především na uhličitany v přírodních vápencích, dolomitech, mramorech, opukách i ve vápenných omítkách a maltách korozní produkty jsou poté více rozpustné - mohou být vyplavovány z materiálu
Degradace vlivem vodorozpustných solí IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE značná část poruch staveb a jejich materiálů, které jsou připisovány nadměrné vlhkosti by v případě zatížení čistou vodou nevznikla voda je transportním médium pro další škodliviny, které se následně podílejí na poškození stavebního materiálu transport vody umožňuje transport ve vodě rozpustných solí hromadění solí (vysychání docílení prahu saturace saturation treshold ) destrukce růst krystalů, rekrystalizace
ZDROJE SOLÍ sole primárně obsažené ve stavebních materiálech sole transportované vzlínající í vlhkostí z podzákladí dí nebo jiné části konstrukce RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE soli vzniklé chemickou degradací materiálů vlivem ovzduší (např. sírany reakcí karbonátů s oxidy síry hlavní složka kyselých dešťů) CaCO + SO + 1 / 2 O + H O CaSO 2 H O + CO 3 2 2 2 4 2 soli vzniklé z biologických zdrojů (např. přeměna močoviny v dusičnany) soli vzniklé v důsledku sanačních opatření (např. ze sodného vodního skla vzniká jako vedlejší produkt soda) soli z posypových materiálů při zimní údržbě komunikací soli obsažené v podzemních vodách a v mořské vodě (sádra a etringit jsou více rozpustné v chloridovém r. vyluhování) 2 2
Důležitým parametrem pro negativní působení solí je jejich rozpustnost ve vodě KATEDRA MATERIÁLOVÉHOO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE
Rozpustnost solí ve vodě je funkcí teploty KATEDRA MATERIÁLOVÉHOO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE
RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE Klasifikace obsahu solí důležitost znalosti obsahu solí je rozhodující z hlediska volby způsobu sanace začleněno v technických normách v ČSN P 73 0610 (Hydroizolace staveb sanace vlhkého zdiva - klasifikace vlhkosti a salinity zdiva Stupeň zasolení Množství soli v mg/g materiálu a v % Chloridy Dusičnany Sírany mg/g hmot. % mg/g hmot. % mg/g nízký < 0.75 < 0.075 < 1.0 < 0.1 < 5.0 zvýšený vysoký extrémně vysoký 0.75 2.0 2.0 5.0 0.075 0.20 0.20 0.50 1.0 2.5 2.5 5.0 0.1 0.25 5.0-20 0.25 0.50 20-50 hmot. % < 0.0505 0.05 0.2 0.2 0.5 > 5.0 > 0.50 > 5.0 > 0.50 > 50 > 0.5
KLASIFIKACE OBSAHU SOLÍ Stupeň 0 Stupeň 1 Stupeň 2 Chloridy 0 0,01 0,01 0,03 0,03 0,09 RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE Dusičnany 0 0,01 0,01 0,05 0,05 0,15 Sírany 0 0,02 0,02 0,08 0,08 0,24 Stupeň 3 Stupeň 4 Chloridy 0,09 0,28 > 0,28 Dusičnany 0,15 0,50 > 0,50 Sírany 0,24 0,77 > 0,77 Klasifikace množství solí v hmotnostních % (dle EUREKA EU 1270)
Stupeň 0 odpovídá nízké koncentraci solí. Obsaženo je pouze stopové množství solí a ohrožení poškození zdiva je zde vyloučeno IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE Stupeň 1 představuje velmi nízké zatížení stavební konstrukce solemi. Pouze v nepříznivých případech (např. u silné stěny se zdrojem konstantní t kapilární vlhkosti) může dojít k poškození. Stupeň 2 udává střední zatížení solemi, kde je již snížena trvanlivost omítek a nátěrů. Stupeň 3 je považován za kritický vzhledem k trvanlivosti omítek a nátěrů. I přes aktivní vertikální izolační vrstvy zůstane zdivo díky hygroskopickým vlastnostem solí vlhké. Stupeň 4 znamená extrémně vysoké zasolení, při kterém se poruchy objevují ve velice krátkém časovém horizontu
KLASIFIKACE OBSAHU VLHKOSTI IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE Obsah vlhkosti u Klasifikace [%] u < 3.0 velmi nízká vlhkost 3.0 u < 5.0 nízká vlhkost 5.0 u < 7.5 zvýšená vlhkost 7.5 u < 10.0 vysoká vlhkost 10.0 < u Velmi vysoká vlhkost Klasifikace obsahu vlhkosti dle ČSN P 73 0610 (2000) - Hydroizolace staveb sanace vlhkého zdiva, základní ustanovení
Mechanismus působení solí krystalizace solí hydratace solí KATE EDRA MATERIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE hygroskopická nasákavost výkvěty a výluhy
Krystalizace solí I fyzikálně-chemicky degradační proces RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE roztoky solí jsou transportovány do materiálů, kde při odpařování vody z roztoků dochází k nárůstu jejich koncentrace dochází ke vzniku nasycených až přesycených roztoků, překročení prahu rozpustnosti růst krystalů vyvíjení tlaku na stěny porézního prostředí porušení porézní struktury materiálů RT P = C ln V s C s k degradaci může dojít také při rekrystalizaci solí, při které vznikají sloučeniny s větším počtem molekul vody rostoucí teplota vede ke zvýšení pohyblivosti iontů a molekul a k vyšší reakční rychlosti
Schematické znázornění nárůstu krystalů v porézním prostoru TVÍ A CHEMIE O INŽENÝRST EDRA MATERIÁLOVÉHO KATE
TVÍ A CHEMIE O INŽENÝRST RIÁLOVÉHO KATE EDRA MATE The largest natural crystals on Earth have been discovered in two caves within a silver and zinc mine near Naica, in Chihuahua, Mexico. Reaching lengths of over 20 feet, the clear, faceted crystals are composed of selenite, a crystalline form of the mineral gypsum.
KATEDRA MATERIÁLOVÉHOO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE
Krystalizační a rekrystalizační tlaky solí IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE Sloučenina Krystalizační tlak [MPa] CaSO 4 2H 2 O 28,2 MgSO 4 2H 2 O 10,5 Na 2 SO 4 10H 2 O 7,2 Na 2 CO 3 10H 2 O 7,8 NaCl 55,4 Sloučenina Konečný produkt Rekrystalizační tlak [MPa] CaSO 4 0,5H 2 O CaSO 4 2H 2 O 160 MgSO 4 6H 2 O MgSO 4 7H 2 O 10 Na 2 CO 3 H 2 O Na 2 CO 3 7H 2 O 64
Krystalizace solí IV z hlediska pórovitosti jsou nejvíce ohroženy materiály, které mají velké množství malých pórů ů IE KATE EDRA MATERIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM růst krystalů začíná vždy ve velkých pórech a koncentrace nasyceného roztoku, z kterého jsou formovány krystaly je udržována roztoky solí v menších pórech po snížení koncentrace roztoku se krystaly dále neformují limitujícím faktorem z hlediska porušení struktury není celková pórovitost, ale distribuce pórů
Hydratace solí I vztahuje se na soli, které jsou schopny vázat ve své krystalové mřížce určitý definovaný počet č molekul l vody tvoří hydráty IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE přechod z jedné hydratované formy do druhé je vždy spojen s vázáním nebo ztrátou určitého množství molekul vody, což je doprovázeno i značnými změnami objemu vdůsledku toho dochází ke vzniku hydratačních tlaků přechod z jedné formy do druhé je daný stabilitou hydratované formy soli v určitých klimatických podmínkách závislost na teplotě a relativní vlhkosti pro stavební materiály jsou nejvíce nebezpečné soli, které mění své formy během běžných klimatických podmínek síran sodný, uhličitan sodný, dusičnan vápenatý
Hydratace solí II Ca(NO 3) 2 4H2O Ca(NO 3) 2 3H2O Ca(NO 3) 2 30 C 100 C RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM KATE EDRA MATE IE Na 2CO 3 10H2O Na 2CO 3 7H2O Na 2CO 3 H2O 32 C 35,4 C 32.4 C Na 2SO 4 10 H 2O Na 2SO 4 + 10H 2 O
Hydratace solí III KATE EDRA MATERIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEMIE Hydratace CaSO 4 x1/2h 2 O na CaSO 4 x2h 2 O (Formování sádrovce)
Hygroskopická nasákavost hygroskopické látky schopny přijímat vzdušnou vlhkost sorpční vlhkost jedná se o vodu fyzikálně vázanou (ne o vodu vázanou v krystalové mřížce) nesouvisí se schopností solí tvořit hydratované formy RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE schopnost pohlcovat a vázat za určitých klimatických podmínek vlhkost se u jednotlivých solí liší limitováno relativní vzdušnou vlhkostí a množstvím vody, které je schopna sůl přijmout rovnovážná relativní vlhkost odpovídá hodnotě relativní vzdušné vlhkosti, která se v uzavřeném systému ustálí nad nasyceným roztokem dané soli při dané teplotě (viz. měření sorpčních izoterem pomocí exikátorové metody) při vyšší okolní relativní vlhkosti dochází k pohlcování vlhkosti (pokles koncentrace roztoku) obsah solí v materiálu tedy významně ě ovlivňuje ň jeho sorpční č vlastnosti ti (nutno počítat se změnou průběhu sorpční izotermy a předpokládat nárůst sorpce vlhkosti s nárůstem obsahu solí)
KATE EDRA MATE TVÍ A CHEMIE O INŽENÝRST RIÁLOVÉHO Sorpční izotermy pálené cihly v závislosti na obsahu NaCl
Výkvěty a výluhy výkvěty a výluhy vznikají na povrchu stavebních materiálů a konstrukcí jedná se o sole v pevném skupenství, které byly transportovány k povrchu působením vody jsou to bílé či lehce zbarvené povlaky, případně skupiny krystalů výluhy pevně spojeny pj s podkladem výkvěty snadno odstranitelné Výluhy - krystalické (případně amorfní) látky, které jsou ve vodě málo rozpustné - vznikají chemickou reakcí ve vodě rozpuštěné látky s jinou látkou na povrchu stavebního materiálu např. kalcitový výluh Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO3+ H2O - kalcit (vápenec) vzniká až na povrchu materiálu (např. betonu) - kalcitové výluhy lze pozorovat všude tam, kde voda protéká materiálem na bázi vápna či cementu
Výkvěty (eflorescence) I skupiny krystalů solí, které jsou transportovány na povrch materiálu patří jsem také krystaly solí, které vznikají přímo ve zdivu IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE Potašový výkvět vzniká reakcí zkarbonatizovaného vápna (již po reakci CaCO 3 s agresivním CO 2 ) s pojivem silikátové barvy případně silikátovou infúzní kapalinou (obě hmoty mají malé množství volného hydroxidu draselného) Ca(HCO ) + 4KOH + 4H O 2KCO 6 HO+ CaOH ( ) 3 2 2 2 3 2 2 potaš - potaš je málo rozpustný, není hygroskopický není nebezpečný, po očištění se výkvět většinou neopakuje
Výkvěty (eflorescence) II IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE Sodný výkvět - hydroxid sodný je součástí sodného vodního skla (alkalická aktivace, infúzní clony proti vzlínající vlhkosti) - proces tvorby sody je pomalý (v řádu let) - soda vysoce hygroskopická - rekrystalizuje vysoce negativní důsledky rozpad omítek, spar zdiva do hloubky několika centimetrů,,porušení i zdících bloků 2 NaOH + CO + 6H O Na CO 7H O 2 2 2 3 2 Na CO 7 H O + 3 H O Na CO 10 H O 2 3 2 2 2 3 2
Výkvěty (eflorescence) III Řada eflorescentů patří mezi hygroskopické soli např. KNO 3 (niter), K 2 SO 4 (arcanit) a Na 2 SO 4 (thenardit) zvýšení přirození vlhkosti KATE EDRA MATERIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEMIE materiálů Chemické složení eflorescentů na zdivu (cihelné) arkádové chodby hradu Veveří je variabilní. Na jaře ř 2005 byl identifikován pouze apthitalit (K 3 Na(SO 4 ) 2 ), v létě a na podzim byl stanoven thermonatrit (Na 2 (CO 3 ).(H 2 O)). V zimních měsících byla prokázána přítomnost thermonatritu a burkeitu Na 6 (CO 3 )(SO 4 ) 2. (dle čl. Gregrová a Trojanová, 2006 Změna parageneze eflorescentů stavebních materiálů hradu Veveří v průběhu roku)
Povrchové eflorescenty na pískovci KATE EDRA MATERIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEMIE Krystaly sádrovce na povrchu pískovce
Negativní důsledky působení solí z pohledu degradace stavebních materiálů je důležité, jestli ke krystalizaci dochází na povrchu materiálu či uvnitř jeho porézní struktury RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE při pomalém vysychání solného roztoku dochází k transportu solí až na povrch materiálu, kde dochází ke tvorbě výkvětů spíše estetický problém či problém povrchových vrstev konstrukcí, mohou informovat o problému vnitřní krystalizace závažnější je krystalizace uvnitř pórů destrukce materiálů, snížení či ztráta statické funkce významným ý problémem je také hygroskopicita solí, která přispívá p k celkovému zavlhčení materiálů (často ani při aplikaci radikálních opatření proti vzlínající vlhkosti nedojde k vyschnutí) v závislosti na změně podmínek okolního prostředí (hlavně změny relativní vlhkosti) dochází často k rekrystalizaci koroze výztuže destrukce ŽB konstrukcí (např. chloridy narušují pasivační vrstvu výztuže koroze výztuže zvýšení molárního objemu destrukce krycí vrstvy, snížení spolupůsobení betonu a oceli)
Negativní důsledky působení solí II koroze výztuže -vpřípadě případě, že nedochází ke karbonataci a nejsou přítomny chloridové ionty na povrchu výztuže je vytvořena pasivační vrstva ochranné IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE prostředí pro výztuž - vznik v důsledku alkalického prostředí v betonu ph typicky 12.5 13 -tvořena přilnavou vrstvou Fe 3O 4 na povrchu výztuže schematické zobrazení koroze výztuže Fe 2+ + 2Cl FeCl FeCl 2 + 2 + 2H 2O Fe( OH ) 2 + 2H + Cl 2
Degradace sádry I zatvrdlá sádra je do jisté míry rozpustná ve vodě 256 mg ve 100g vody při řiteplotě tě 20 C RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE při trvalém kontaktu materiálů na bázi sádry s vodou (sádrové omítky, bloky, sádrokartony) bude docházet k postupnému rozpuštění zatvrdlého sádrového pojiva a to v závislosti na množství vody, které přijde do styku se sádrou rozpouštění bude intenzivnější, bude-li voda u povrchu sádry obměňována stojatá voda rozpustí takové množství, které odpovídá nasycenému roztoku v přítomnosti vápenatých iontů nebo síranů se rozpustnost sádry snižuje naopak roztoky obsahující odlišné ionty nebo kyseliny rozpustnost sádry zvyšují (např. 100 g NaCl v 1 litru vody zvýší rozpustnost hydratované sádry třikrát)
Degradace sádry II v závislosti na obsahu vlhkosti a teplotě sádra mění své mechanické vlastnosti zvýšení vlhkosti sádry o 12% sníží pevnosti cca o 50% sádru není vhodné používat v prostředí, kde je relativní vlhkost vzduchu > 60% RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE sádra degraduje při zvýšených ý teplotách - produkt hydratace sádry (CaSO 4 2H 2 O) je stálý do 40 C, dochází ke ztrátě vody za vzniku produktu s nižším obsahem vody v konečné fázi (při teplotě > 110 C) vzniká hemihydrát z tohoto důvodu je možné sádru využít jako ochranu konstrukcí před požárem voda obsažená v sádře spotřebovává teplo na uvolnění z krystalové mřížky, ke spotřebě tepla také dochází při přeměně vody na páru produkty vzniklé tepelnou degradací sádry však mají nižší pevnosti sádra působí ů korozně ě na kovy je-li vlhká (při RH> 60%) obsahuje roztok Ca 2 (SO 4 ) ph = 5, při této vlhkosti dochází ke korozi železa a hliníku, které jsou v kontaktu se sádrou (rezavé skvrny na povrchu sádry)
Ochrana sádry proti degradaci pro zvýšení odolnosti sádry proti vlhkosti je nezbytné použít hydrofobizátory hydrofobizace může být provedena vnitřní (vmíchání í do sádrové kaše) nebo vnější nátěrem na povrchu IE KATE EDRA MATERIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM vlastnosti sádry lze ovlivnit také vodním součinitelem s použitím plastifikátorů odolnost sádry lze zvýšit také přidáním polymerů
Degradace vápenatých uhličitanových pojiv I mezi základní uhličitanová pojiva patří CaCO 3, který je produktem tvrdnutí vápna rozpustnost CaCO 3 je při 20 C 1,4 mg ve 100g vody RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE je to sůl slabé kyseliny uhličité snadný rozklad uhličitanů silnějšími kyselinami, které vznikají reakcí kyselinotvorných oxidů s vodou 1. působení agresivního oxidu uhličitého obsaženého v atmosférické vodě (dešťová voda) CaCO + CO + H O Ca + 2 HCO 2 + 2 3 2 2 3 - reakce je vratná -HCO 3 je vysoce rozpustný ve vodě a může být z materiálu vyplaven ochuzení materiálu o pojivo překročení hranice soudružnosti rozpad materiálu - tato reakce probíhá v přírodě ve vápencových a dolomitických pohořích a je podstatou krasových jevů
Degradace vápenatých uhličitanových h pojiv II 2. působení oxidu siřičitého SO 2 IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE - s vodou vytváří kyselinu siřičitou H 2 SO 3 - může dojít také k jeho oxidaci na SO 3, z kterého vznikne kyselina sírová - obě kyseliny reagují s uhličitanem vápenatým CaCO3+ H2SO3 CaSO3+ CO2 + H2O CaSO + 1/2H O CaSO 1/2H O 3 2 3 2 CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + CO2 + H 2O CaSO + 2H O CaSO 2H O 4 2 4 2 konečný produkt (sádrovec) má velký molární objem a jeho krystalizací může docházet k rozpadu materiálu
Degradace vápenatých uhličitanových pojiv III 3. působení oxidů dusíku NO x IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE - obsaženy také v ovzduší - oxid dusnatý NO se snadno oxiduje na oxid dusičitý NO 2, který s vodou vytváří směs kyseliny dusité a dusičné 2NO + O 2NO 2 2 2NO2 + H2O HNO2 + HNO3 CaCOCO + 2 HNO Ca ( NO ) + CO + H O 3 3 3 2 2 2 vzniklý dusičnan vápenatý je dobře rozpustný (127 g ve 100g vody při 20 C) a nemá pojivé vlastnosti může být vyplaven dešťovou vodou, často také může hydratovat za nárůstu molárního objemu
RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE Degradace materiálů na bázi hořečnatého pojiva I hořečnatou maltovinu vyvinul v roce 1867 Sorel Sorelova maltovina, Sorelův cement - dvousložkový materiál, který je složen z kaustického magnezitu a roztoku chloridu hořečnatého (MgCl 2 ) nebo síranu hořečnatého MgSO 4 kaustický magnezit oxid hořečnatý získaný pálením magnezitu (MgCO 3 ) při teplotě 700 800 C druhou základní složkou je chlorid hořečnatý MgCl 2 (z karnalitu) výsledné vlastnosti zhydratovaného produktu jsou závislé na poměru MgO/MgCl 2 rozmezí 2:1 8:1 (voda 8 18 dílů) pevnost samotného pojiva po 28 dnech 60 100 MPa v současné č édobě se používá zřídka (dříve omítky, dnes podlahy xylolit) nedostatek surovin, kvalitnější pojiva (např. vila Tugendhat v Brně)
Degradace materiálů na bázi hořečnatého pojiva II hořečnatá maltovina má dlouhou životnost pokud je vhodně ošetřována RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE má nízkou odolnost proti vlhkosti rozpuštění produktu hydratace, hydrolýza zatvrdlého produktu volný MgCl 2 je nebezpečný pro železné a ocelové konstrukce koroze životnost hořečnaté maltoviny ovlivňuje také zvýšená teplota, při níž dochází k uvolňování vody ztráta soudružnosti pojiva porušení pojiva vlivem karbonatace 3 Mg ( OH ) MgCl 5H O+ 2 CO Mg ( OH) 2MgCO MgCl 6H O+ 2CO + H O 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 karbonatace vede ke zvětšení molárního objemu vznik napětí v porézním prostředí vznik trhlin
Degradace betonu IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE pro pochopení korozních procesů betonu je nezbytné se zaměřit na degradaci jeho jednotlivých složek cement ve formě produktů hydratace (Ca(OH) 2, hydratované křemičitany, hlinitany a železitany vápenaté, kamenivo reaktivní formy, amorfní SiO 2, dolomit (CaCO 3 MgCO 3 ), atd., voda (nesmí obsahovat látky ovlivňující hydratační reakce cementu a korozi výztuže) Fyzikální koroze betonu vlivy mechanické, teplotní, vlhkostní mechanické porušování betonu souvisí s nárazy, třením a proudící vodou (abraze, eroze a kavitace u vodních staveb) tyto děje porušují cementový tmel a dochází tak k jeho postupnému odstraňování a obnažování kameniva, které se může z betonu uvolnit
Degradace betonu II Porušení betonu vlivem nízkých a vysokých teplot IE KATE EDRA MATERIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM působení nízkých teplot krystalizační tlaky ledu (závislé na obsahu vlhkosti stupni nasycení materiálu, > 91%) působení vysokých teplot - při teplotách nad 150 C se začínají rozkládat produkty hydratace cementu (postupně se uvolňuje vázaná voda) a dochází k poklesu pevnosti betonu (min. pevnost při teplotě 800 C v závislosti na typu cementu)
Degradace betonu III Chemická koroze IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE je způsobena agresivními látkami plynného nebo kapalného prostředí rychlost koroze je určována průběhem chemické reakce agresivních látek se složkami cementového tmelu v závislosti na jejich koncentraci, teplotě, porozitě cementového tmelu a rychlosti výměny kapalného prostředí u povrchu betonu málo rozpustné produkty koroze vytvářejí na povrchu betonu vrstvu, která brání vnikání dalších agresivních látek rychlost koroze je určována difúzí agresivních látek povrchovou vrstvou všechny procesy koroze betonu související se snížením obsahu hydroxidu vápenatého v cementovém tmelu mají vliv na korozi ocelové výztuže
Chemická koroze kapalným agresivním prostředím K123 MAIN Materiálové inženýrství KATEDRA MATERIÁLOVÉHOO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE
Chemická koroze I. druhu vyznačuje se vyluhováním a rozpuštěním hydroxidu vápenatého, Ca(OH) 2 vzniklého hydratací cementu IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE snižuje se koncentrace hydroxidových iontů OH - a tím hodnota ph pórového roztoku uplatňují se především vody s nízkým obsahem vápenatých a hořečnatých iontů s nízkou přechodnou tvrdostí (vody říční, rybniční, srážkové) rozpustnost Ca(OH) 2 je ovlivněna přítomností jiných iontů v roztoku (ionty Na +, K +, Cl - rozpustnost zvyšují, ionty Ca 2+ aoh - rozpustnost snižují)
Chemická koroze I. druhu II rychlost vyluhování úměrná rychlosti filtrace, která je závislá na množství kapilárních pórů ů v cementovém tmelu a na hydrostatickém tlaku vody RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE pokud je rychlost filtrace pomalá (malé póry, málo pórů) dochází k vyluhování pouze na povrchu při vysoké rychlosti dochází k rozpuštění a vyloužení velkého množství Ca(OH) 2 při úplném vyloužení Ca(OH) - 2 dojde ke snížení koncentrace OH snížení stability hydratovaných slínkových minerálů v konečné fázi mohou vzniknout amorfní nepojivé sloučeniny SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 k tomuto typu koroze dochází např. u vodních staveb u subtilních kcí z betonu s velkým objemem kapilárních pórů dochází po vyluhování Ca(OH) 2 k jeho karbonataci se vzduchem a tvoří se kalcit CaCO 3
Chemická koroze II. druhu RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE je způsobena výměnnými ý reakcemi mezi složkami cementového tmelu (zejména Ca(OH) 2 ) zahrnuje reakce agresivního CO 2, hydroxidů, kyselin, hořečnatých a amonných solí výsledkem jsou sloučeniny (rozpustné, nerozpustné), které nemají vazebné vlastnosti Obecně lze reakci portlanditu s kyselinou zapsat: Ca(OH) 2 + 2H + Ca 2+ + 2H 2 O Reakce jednotlivých kyselin: Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 CaSO 4 2H 2 O Ca(OH) 2 + 2HNO 3 Ca (NO 3 ) 2 + 2H 2 O 3Ca(OH) 2 + 2H 3 PO 4 Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6H 2 O Ca(OH) 2 + 2HF CaF 2 + 2H 2 O
Chemická koroze II. druhu II ve vodách se může vyskytovat také oxid uhličitý a to ve třech formách: CO 2 a H 2 CO 3 ph < 4.5 IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE HCO 3- ph 4.5 8.3 CO 2-3 ph > 8.3 Ca(OH) 2 +CO 2 CaCO 3 +H 2 O následně se rozpustí reakcí s dalšími podíly CO 2 na rozpustný hydrogenuhličitan CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca 2+ + 2HCO - 3
Chemická koroze III. druhu porušování betonu vlivem tvorby objemných sloučenin RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE hlavním podíl na vzniku této koroze představují sírany, které reagují s Ca(OH) 2 a vytvářejí málo rozpustný síran vápenatý sádrovcová koroze - sírany se běžně vyskytují v podzemních vodách a jsou také obsaženy v některých odpadních vodách - nejagresivnější jsou rozpustné sírany nerozpustné (PbSO 4, BaSO 4 ) neuvolňují síranové ionty a proto nezpůsobují síranovou korozi Ca(OH) 2 + SO 4 2- CaSO 4 2H 2 O + 2 OH - - vznik sádrovce je spojen s nárůstem objemu o 17% dochází k zaplnění pórů cementového gelu a za vhodných vlhkostních a teplotních podmínek může dojít k rekrystalizaci (tlaky MPa)
Chemická koroze III. druhu II sádrovec reaguje s hydratovanými i nehydratovanými alumináty a způsobuje sulfoaluminátovou korozi, např.: RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE 3CaO Al 2 O 3 6H 2 O + 3 (CaSO 4 2H 2 O) + 19 H 2 O 3CaO Al 2 O 3 3CaSO 4 31 H 2 O - vzniká málo rozpustný ettringit, který tvoří jehlicovité krystaly molární objem je 2.65 x větší než molární objem původních ů díhlátk látek!!! ettringit vzniká až v zatvrdlém betonu, na rozdíl od ettringitu, který je příčinou zpomalení hydratace cementu (viz. přednáška č. 6) a vzniká v plastické směsi čerstvého betonu - ettringit v pevné fázi vzniká jen při vysoké koncentraci Ca(OH) 2 v pórovém roztoku -při nízké koncetraci Ca(OH) 2 vznikají produkty v roztoku, které nevedou k nežádoucím tlakům
Chemická koroze cementového tmele plynným agresivním prostředím plyny kyselého charakteru CO 2, SO 2, NO 2, HCl, H 2 S, HF IE KATE EDRA MATERIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM ostatní plyny (NH 3,Cl 2 ) reakce složek cementového tmele s kyselými plyny = neutralizace nejlépe prostudovaným korozním procesem plynnými látkami je reakce s CO 2 karbonatace ve stavební praxi je zvykem zahrnovat pod pojmem karbonatace veškeré neutralizační reakce kyselých plynů s betonem
Chemická koroze cementového tmele působením ů CO 2 z ovzduší v běžném ovzduší se vyskytuje oxid uhličitý v koncentraci 0.038 obj. % 746 mg CO 2 v 1 m 3 vzduchu těsně při zemi je však koncentrace CO 2 několikanásobně vyšší (přírodní, průmyslové, zemědělské a komunální zdroje), CO 2 je 1,53 x těžší než vzduchu RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE CO 2 neutralizuje Ca(OH) 2 až do jeho úplného vyčerpání a snížení ph roztoku na 8.3 negativní vliv na ochranu výztuže z hlediska koroze Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O CO 2 reaguje také s dalšími hydratačními produkty cementu s vápenatou složkou CSH a CAH se tvoří nejprve jemnozrný kalcit a termodynamicky nestálé formy CaCO 3 (vaterit, aragonit), které později rekrystalizují na velké krystaly kalcitu C x S y H z + CO 2 + H 2 O CaCO 3 (kalcit, vaterit, aragonit kalcit) + SiO 2 H 2 O C x AH z + CO 2 + H 2 O CaCO 3 (kalcit, vaterit, aragonit kalcit) + SiO 2 H 2 O + Al(OH) 3 (gibbsit)
Parametry ovlivňující rychlost karbonatace relativní vlhkost vzduchu ovlivňuje vlhkost v pórech betonu -při RH < 30% je rychlost karbonatace zanedbatelná IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE koncentrace CO 2 v okolí druh cementu složení betonu a technologie jeho výroby ovlivňuje zásadně jeho porézní strukturu, vnitřní povrch porézního prostoru Působení íso 2 na cementový tmel - vyskytuje se v běžném vzduchu v koncentracích 50 μgm -3 -v současnosti je většina zdrojů již odsířena, takže tzv. sulfatace betonu vlivem působení SO 2 je korozní děj, který není plošně významný a setkáme se s ním pouze místně
SO 2 neutralizuje Ca(OH) 2 : Ca(OH) 2 + SO 2 + H 2 O CaSO 3 1/2 H 2 O + 11/2H 2 O Následnou oxidací poté vzniká sádrovec: IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE CaSO 3 1/2 H 2 O + O 2 + 3 H 2 O 2CaSO 4 2H 2 O konečným produktem působení SO 2 je tedy sádrovec,,případně p může vznikat ettringit 3CaO Al 2 O 3 3 CaSO 4 31 H 2 O nebo monosulfát 3CaO Al 2 O 3 3 CaSO 4 12 H 2 O!!! Všechny korozní produkty působení SO 2 mají větší molární objem než látky, ze kterých vznikly působení vysokých tlaků na vnitřní strukturu betonu degradace funkčnosti
Chlorovodík, HCl -tvoří s vodou kyselinu chlorovodíkovou, která neutralizuje hydroxid vápenatý a rozkládá hydratační produkty cementového slínku na rozpustné chloridy CaCl 2, AlCl 3, FeCl 3 a gel SiO 2 H 2 O IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE Ca(OH) 2 +2HCl+HO + H 2 CCl CaCl 2 +2HO 2 Fluorovodík, HF -tvoří s vodou velmi agresivní kyselinu fluorovodíkovou, která neutralizuje hydroxid vápenatý za vzniku nerozpustného CaF 2 Ca(OH) 2 + 2 HF + H 2 O CaF 2 + 2 H 2 O!!! vyšší koncentrace HF mohou napadat CSH a CAH gely za vzniku fluorokomplexů, které nemají vazebné vlastnosti
Oxidy dusíku, NO x - komplex oxidů, z nichž především NO 2 vytváří s vodou kyselinu dusitou (HNO 2 ) a dušičnou (HNO 3 ) RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE - korozní působení poté spočívá v reakci H + iontů, které neutralizují Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 + 2HNO 3 Ca(NO 3 ) 2 + 2H 2 O a dále dochází k rozkladu hydratačních produktů cementu za vzniku gelu SiO 2 nh 2 O Amoniak, NH 3 - s vodou vytváří hydroxid amonný NH 4 OH není škodlivý pro beton, ale pokud se z něho vytvoří působením kyselin amonné soli, dojde k uvolnění plynného amoniaku za vzniku vápenatých solí bez vazebných vlastností
Shrnutí důležitých žiýhpojmů ů Degradace (koroze) nekovových stavebních hmot (chemická, fyzikální, fyzikálně-chemická, ě i biologická) i K123 MAIN Materiálové inženýrství RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM IE KATE EDRA MATE Příčiny degradace a koroze teplotní změny, vliv vody, vliv ovzduší, mechanické příčiny, působení vodorozpustných solí Degradace vlivem vodorozpustných solí zdroje solí, klasifikace obsahu solí, destrukční mechanismy působení solí Degradace sádry + ochrana Degradace vápenatých uhličitanových pojiv Degradace materiálů na bázi hořečnatého pojiva Degradace betonu fyzikální, chemická koroze kapalným agresivním prostředím (1. druhu vymývání, 2. druhu reakce rozpustnost, porušení vaznosti, 3. druhu vznik reakčních produktů o větším objemu), koroze agresivním plynným prostředím (neutralizace karbonatace, sulfatace)
Literatura Hennig, O. Lach V., Chemie ve stavebnictví, Praha, SNTL, 1983. IE RIÁLOVÉHO O INŽENÝRST TVÍ A CHEM EDRA MATE KATE Wasserbauer, R., Biologické poškození staveb, Praha, ABF, 2000. Rovnaníková P., Rovnaník P., Křístek R., Stavební chemie, Modul 3, Degradace stavebních materiálů a chemie kovů, CERM, 2005. Balík a kolektiv, Odvlhčování staveb, Grada Publishing a.s.., 2005. Kotlík P. a kolektiv, Stavební materiály historických objektů materiály, koroze, sanace, Vydavatelství VŠCHT, Praha, 1999. Rovnaníková P., Omítky, Chemické a technologické vlastnosti, Praha, STOP, 2002.