Koroze v železobetonu seminární práce předmětu PS V Michaela Štěrbová ZS 2015
Úvod téma a obsah práce Při hledání vhodného tématu pro seminární práci jsem se zaměřila na poruchy a problémy, které jsou běžné a četné. Vybírala jsem tak, abych se mohla prakticky a osobně seznámit s obecnou a rozšířenou vadou, jejími příčinami, projevy, následky a možnostmi její nápravy. Proto jsem pátrala po stavebních nedostatcích ve svém nejbližším okolí - v místě bydliště. Tématem mé práce je koroze v železobetonových konstrukcích, demonstrována na příkladu špatného řešení loggie v bytě panelového domu na Vinohradech. Struktura seminární práce je následující. Nejprve se zaměřuji na popis problému v jeho obecné rovině. Zabývám se příčinami, průběhem a důsledky dvojice procesů (karbonatace betonu a koroze výztuže), které jsou spjaty se vznikem povrchových, estetických a v neposlední řadě statických poruch železobetonových konstrukcí. Dále zmiňuji možnosti prevence a ochrany navrhovaných a čerstvých betonových prvků, v závěru obecné části popisuji podmínky a postup opravy již narušených konstrukcí. Druhá část práce sestává z příkladové studie narušené konstrukce loggie bytu. V jejím úvodu lokalizuji a popisuji dotčený objekt a následně také řešený problém. Zkoumám jeho příčiny, posuzuji rozsah poškození a závěrem navrhuji postup nápravy. v Praze dne 21.12.2015 Michaela Štěrbová 2
Koroze v železobetonových konstrukcích obecná rovina Stavební materiál, který během více než sta let své existence prošel četnými fázemi vývoje - železobeton - přinesl revoluci ve stavebnictví. Umožnil to, co dříve nebylo myslitelné. Díky jeho vlastnostem jsme bohatší o zkušenosti modernismu a mnohých dalších architektonických proudů dvacátého století. Stal se součástí každodenní reality, je všude kolem nás. Na úvod považuji za samozřejmé a vhodné předložit definici tohoto stavebního materiálu - L. Svoboda (SVOBODA, Luboš a kolektiv. Stavební hmoty [online]. s. 474-475) železobeton uvádí takto: Beton je konstrukční materiál vyznačující se především vysokou pevností v tlaku a malou pevností v tahu, která dosahuje obvykle jen asi 8 % až 10 % hodnoty pevnosti v tlaku. Beton je též při lomu relativně velmi křehký a náchylný k tvorbě trhlin. Odstranění tohoto nedostatku bylo řešeno od samého počátku rozvoje technologie betonu hledáním vhodného způsobu vyztužení, které by bylo s vlastnostmi betonu trvale kompatibilní. Vlastní provedení je zjednodušeno tvárností betonu v čerstvém stavu, takže výztužné vložky lze vložit přímo do struktury betonu, a právě do těch míst, kde budou plně staticky využity. Železobeton je stavivo, které vzniká spojením čerstvého betonu s ocelovými pruty nebo svařenými sítěmi (betonářskou výztuží) při vytváření monolitické stavební konstrukce či její části nebo vytváří stavební prvek ve formě prefabrikátu. Tvrdnutím betonu dochází k dokonalému spojení ocelových vložek s betonem v jeden celek se vzájemným statickým spolupůsobením proti vlivu účinků vnějších sil. Přitom každý z obou konstrukčních prvků přispívá svými dobrými mechanicko-fyzikálními vlastnostmi k celkové pevnosti železobetonu ve všech směrech možného působení zatížení. Ocel se v tomto případě uplatňuje především svou velkou pevností v tahu a beton svou velkou pevností v tlaku. [1] Chemická struktura betonu vyztuženého ocelovými pruty se během životnosti stavby následkem působení atmosferických vlivů postupně proměňuje. Hodnota ph neporušeného nového monolitu (12,5) je alkalická a v zásaditém prostředí je ocelová výztuž neprodyšně chráněna před ovzduším a vlhkostí. V ideálně provedeném a pravidelně ošetřovaném betonu tak ke korozi prakticky nedochází. Problém nastává s pokračujícím stárnutím materiálu a jeho dlouhodobou expozicí slunci, větru, dešti a sněhu. Postupem času dochází k jevu, který se nazývá karbonatace betonu. Karbonatace betonu je chemický proces, v jehož průběhu dochází ke změnám ph v povrchu a krycích vrstvách betonu. Důsledkem karbonatace je iniciace korozních procesů ve výztuži. Přirozená struktura betonu je nedokonalá. Jeho povrch je posázen mikroskopickými trhlinkami a póry. V případě, že po zavrdnutí betonu nedojde k jeho ošetření speciálními nátěry či napouštěcími systémemy, jsou to právě mikropóry v mikroskopicky heterogenním povrchu, které způsobí začátek karbonatace betonu. Okem neviditelné nerovnosti a kaverny absorbují vzdušnou vlhkost. Spolu s ní se do přímého kontaktu s betonem dostává oxid uhličitý (CO 2 ). Hydroxid vápenatý se působením oxidu uhličitého rozkládá ná uhličitan vápenatý a vodu. Při prostupu oxidu uhličitého betonem ubývá hydroxidu vápenatého a tím se snižuje hodnota ph krycí vrstvy. Přítomnost a rozsah karbonatace lze ověřit aplikací roztoku fenolftaleinu na vzorek betonu. Zkarbonatovaná vrstva vzorku se vizuálně nezmění, zatímco zdravá vrstva betonu se zbarví do růžova. Karbonataci betonu vyjadřuje chemická rovnice: Ca(OH) 2 + CO 2 + H 2 O CaCO 3 + 2H 2 O 3
Když ph betonu klesne pod hodnotu 9, rozpadne se vrstvička hutných oxydů železa mezi ocelí a betonem. Dojde k takzvané depasivaci výtuže. Tímto okamžikem má k výztuži přístup voda a kyslík a startuje koroze výtuže. [2] Rychlost karbonatace je ovlivňována velikostí difúzních koeficientů materiálů, velikostí pórů, vlhkostí okolního prostředí a vlhkostí materiálu. [3] Samotný proces atmosferické koroze výztuže způsobuje rozsáhlé estetické a statické poruchy železobetonových konstrukcí. Povrchové vrstvy železa se za působení kyslíku a vody mění v rez (hydroxid železitý). Koroze postupně prorůstá výztuží a výrazně nepříznivě mění její objem. Korodující výztuž nabývá dvouapůlnásobku své původní tloušťky. Velkým tlakem působí na okolní beton, který se, již chemicky narušený, trhá od armatury, rozpadá se a odděluje od konstrukce, která zůstává odhalena. Rychlost dalšího postupu karbonatace a koroze se zvyšuje geometrickou řadou. Vznik koroze: 2Fe+1,5O 2 +H 2 O=2FeO(OH) Spektrum možností prevence a ochrany betonu před karbonatací je relativně široké. Odolnost materiálu lze příznivě ovlivnit již ve fázi návrhu. V případě, že navrhovaná konstrukce bude přímo vystavená atmosferickým vlivům, lze preferovat složky s vyšším obsahem Ca(OH) 2 (portlanditu) - například portlandský cement - před ostatními druhy cementu. Je možné navrhnout beton s nižším vodním součinitelem - výsledný beton je hutnější, má méně mikropórů a trhlin, agresivní látky z okolí do něj hůře pronikají. Finančně náročné, ale efektivní, je použití voděodolného vysokohodnotného betonu, high-performance concrete (HPC). I zcela běžný čerstvý železobeton je možné účinně ošetřit pomocí škály ochranných systémů, ať už napouštěcích či nátěrových, které materiál chrání nejen před karbonatací, ale také před působením řady dalších agresivních chemických látek, všeobecně usnadňují údržbu betonu a prodlužují jeho životnost. Oprava narušeného betonu začíná odstraněním volných nesoudržných částí betonu a koroze z výztuže. Je nutné odpovědně posoudit stupeň napadení výztuže tak, aby nebyla ohrožena nosnost betonových ploch. V závažných a zvlášť komplikovaných případech je třeba vyžádat si statický posudek. Pokud je možno přistoupit k opravám, ošetříme nejprve ocelovou výztuž nátěrem, který má pasivační účinky na betonářskou ocel a zároveň výrazně zvýší adhezi následné vrstvy. Mechanická pevnost betonu a adheze nové betonové vrstvy se zvýší nátěrem adhézním kontaktním můstkem. Chybějící objem betonu se nahradí speciální hrubou reprofilační maltou a po řádném vyschnutí se natře protiarkobonatačním nebo chemicky odolným systémem. [3] Zdroje: [1] SVOBODA, Luboš a kolektiv. Stavební hmoty [online]. Praha, 2013 [cit. 2015-12-05]. ISBN 978-80-260-4972-2. Dostupné z: http://people.fsv.cvut.cz/~svobodal/sh/ [2] Karbonatace betonu. EBeton: Specialista na beton [online]. [cit. 2015-12-21]. Dostupné z: http://www.ebeton.cz/pojmy/karbonatace-betonu [3] Karbonatace a sanace železobetonu: Ochrana a sanace železobetonu. Reprof: Antikorozní nátěry a povlaky [online]. [cit. 2015-12-21]. Dostupné z: http://www.reprof.eu/karbonatace-a-sanace-zelezobetonu-a126 [4] Beton: Technologie, konstrukce, sanace. Praha: BETON TKS, S. R. O., 2008, 2008(3). ISSN 1213-3116. [5] Beton: Technologie, konstrukce, sanace. Praha: BETON TKS, S. R. O., 2013, 2013(3). ISSN 1213-3116. [6] Paulín: Zateplovací systémy, fasádní omítky a barvy. Paulín CZ [online]. [cit. 2015-12-21]. Dostupné z: http://www.paulin.cz/ 4
obr. č. 1-3: ilustrace průběhu karbonatace a následné koroze výztuže zdroj: http://pavlat-znalec.com/investing/praxe/karbon/karbon.html obr. č. 4: indikace rozsahu poškození fenolftaleinem zdroj: http://www.asb-portal.cz/stavebnictvi/materialy-a-vyrobky/beton obr. č. 5: indikace rozsahu poškození fenolftaleinem zdroj: http://www.silnice-zeleznice.cz/clanek/rekonstrukce-mostu-ev-c-22535-2-zaluzice obr. č. 6: aplikace pasivačního nátěru na výztuž zdroj: http://www.paulin.cz/24784 obr. č. 7: aplikace sanační malty doplněním do původního tvaru zdroj: http://www.paulin.cz/24784 5
Koroze v železobetonových konstrukcích loggie panelového domu základní údaje o objektu: adresa: Záhřebská 158/20, 22, 120 00 Praha 2 počet podlaží: 8 počet bytů: 27 realizace (odhad): 1987-1990 popis objektu: Dotčený objekt se nachází v kompatkní blokové zástavbě obytné ulice Záhřebská, 500 m jižně od Náměstí Míru. Uliční fronta, jejíž je dům součástí, je orientována severojižně. Ulice Záhřebská se západním směrem svažuje. Objekt je osmipodlažní, s prostorově i plasticky členitou uliční fasádou. Slouží jako obytný dům s pronajímatelným parterem, ve kterém v současné době (prosinec 2015) sídlí pobočka Městské knihovny v Praze. Konstrukční systém domu je stěnový, jedná se o schodišťový objekt se dvěmi byty na podlaží. Dům sestává ze dvou oddělených komunikačních jader s rozdílnými čísly popisnými (Záhřebská 20, 22) a jedním společným vchodem. Do dvora je dům vybaven loggiemi. Dotčený byt, k němuž přiléhá řešená loggie, se nachází ve třetím podlaží domu. Jedná se o trojložnicový byt standardu 4+1. Kuchyň a obývací pokoj jsou situovány na sever směrem do ulice Záhřebské, ložnice přiléhají k jižní straně, do dvora. Loggie je společná pro dva pokoje, přímo přístupná (balkonovými dveřmi) je pouze větším z této dvojice pokojů. Loggie je při světlé výšce 2 510 mm široká 5 850 mm, její celková hloubka je 1 200 mm. Je opatřena prefabrikovaným kovovým tyčovým zábradlím. obr č. 8: poloha objektu zdroj: mapy.cz obr č. 9: satelitní snímek zdroj: mapy.cz 6
obr č. 10-12: uliční fasáda objektu zdroj: archiv autora obr č. 13: vnitrobloková fasáda s loggiemi zdroj: archiv autora poloha řešené loggie 7
obr č. 14-19: dokumentace stávajícího stavu poruchy zdroj: archiv autora 8
obr č. 20-25: dokumentace stávajícího stavu poruchy zdroj: archiv autora 9
popis desky loggie: Podlahu loggie tvoří železobetonová deska o mocnosti 250 mm. Deska je v původním stavu, během své dosavadní existence nedocházelo k její údržbě či ochraně. Profil desky je u okraje zvýšen, deska byla připravena k instalaci dlažby, ke které nikdy nedošlo. Odtok vody je řešen žlábkem uprostřed délky desky. Loggie nebyla a není používána jako pobytová, slouží jako součást technického zázemí bytu a odkládací plocha. popis poruchy: Povrch desky je ve vzdálenosti 100-250 mm od vnějšího okraje po své délce povrchově narušen působením korodující výztuže. Ta je v těchto místech (viz půdorys, naznačeno červenou přerušovanou čarou) uložena velmi plytce pod povrchem, důvodem je patrně dosažení menší než minimální tloušťky desky neodpovídajícím návrhem jejího sklonu či nekvalitní provedení prvku. Na délce loggie se nachází několik (4) výrazně pohledově porušených úseků, největší z nich lze orámovat obdélníkem o rozměrech 1 000 x 200 mm. V současné době problém neohrožuje statiku loggie. Problém však hrozí v řádu jednotek let, nedojde-li ke včasnému zásahu. Nebezpečím je diskomfort (a případné ohrožení zdraví obyvatel) bytu v nižším podlaží v případě dalšího postupu koroze a odpadávání úlomků betonu ze spodní strany desky. Zkouška stupně karbonatace betonu roztokem fenolftaleinu nebyla provedena. 1200 375 900 1140 5850 1120 1140 1175 obr č. 26: půdorys loggie a přilehlých pokojů zdroj: dílo autora 10
návrh sanačních opatření: Navrhuji standardní postup sanace a dále doporučuji celkovou restauraci loggie, včetně instalace dlažby a sanace zábradlí. 1. Po prvotní přípravě prostoru (vystěhování nábytku a zbavení povrchu loggie nečistot a prachu) je nutné odstranit volné a uvolněné části betonu až na zdravé jádro, dále mechanicky očistit armovací výztuž od zplodin koroze, například železným kartáčem. Povrch omýt vodou a odstranit mastnoty a plísně. 2. Následně je třeba natřít korodující výztuž pasivačním nátěrem. 3. Je doporučeno připravit konstrukci k doplnění ochranné vrstvy výztuže nátěrem poškozené plochy naředěnou sanační maltou. 4. Po zaschnutí přípravného nátěru následuje samotné doplnění chybějící ochranny výztuže pomocí vrstvy sanační malty. 5. Na drsný povrch zaschnuté sanační malty se aplikuje vyhlazovační protikarbonatační prostředek. Po dokončení cílené sanace poškozeného povrchu desky loggie vnímám jako klíčovou součást prevence proti relapsu závady instalovat dlažbu a výrazně tak zabránit dalšímu pokračování karbonatace betonu a následné korozi výztuže. 11