Elektrochemické postupy pre sanáciu korodovaných železobetónových konštrukcií
6. 4. 2008
Praktické skúsenosti ukazujú ako častú príčinu poškodenia železobetónových konštrukcií koróziu ich výstuže. Táto je dôsledkom elektrochemického narušenia pasivačnej schopnosti obalového betónu, ktorý tvorí fyzikálnú bariéru medzi výstužou a vonkajším prostredím. Porušenie jeho celistvosti vznikom trhlín a následná depasivácia podmienok v betóne sú príčinou korózie. Účelom sanačných postupov je preto obnovenie pasivujúcich podmienok v obalovom betóne, obnovujúcich ochranu výstuže pred koróziou.
Skutočnosť, že pasívny stav ako aj korózia oceľovej výstuže sú elektrochemicky založené procesy, poskytuje možnosti ich využiť pre obnovenie narušených pasivačných podmienok a koróziou napadnuté železobetónové konštrukcie elektrochemicky sanovať.
Najčastejšie príčiny depasivácie výstuže a vyvolania jej korózie bývajú pôsobenie kyslých prostredí a roztokov chloridov na železobetónové konštrukcie ako aj tvorba trhlín v betóne obsahujúcom výstuž.
Depasivačný účinok a vyvolanie korózie výstuže účinkom kyslých prostredí je dôsledkom skutočnosti, že výstuž je pasivovaná v silne zásaditom prostredí s pH hodnotami 12 až 14. Takéto pasivačne priaznivé prostredie predstavuje pórová kvapalina v betóne vďaka hydratácii cementu a následnej prítomnosti hydroxidov vápnika a alkálií v pórovej kvapaline. Takéto zásadité prostredie, resp. zásadité zložky ho vytvárajúce, sú veľmi ochotné reagovať s kyslými zložkami – za poklesu zásaditosti. Tým sa výstuž depasivuje a vytvárajú sa podmienky pre jej koróziu.
V praxi bývajú častým zdrojom kyslého prostredia kyslé atmosférické plyny – oxidy síry, dusíka a najmä uhlíka. Tieto môžu pôsobiť na železobetónové konštrukcie a vyvolať koróziu ich výstuže ako tzv. kyslé dažde či pôsobením tzv. častej karbonizácie betónu.
Treba zdôrazniť, že prítomnosť chloridov v betóne či jeho znížená zásaditosť pre výstuž predstavujú nebezpečie len vtedy, ak je prítomná dostatočná vlhkosť a kyslík a ak je elektrická vodivosť betónu dostatočná. Na nešťastie tieto podmienky bývajú u železobetónových konštrukcií veľmi často splnené, a preto tiež korózia ich výstuže je veľmi častá.
Nebezpečie pôsobenia chloridov pre výstuž je všeobecne dobre známe a uznávané. Na rozdiel od karbonatizácie depasivačný efekt chloridov nesprevádza zmena pH pórovej kvapaliny a môže sa prejavovať aj za podmienok pasivácie výstuže. Bežným zdrojom chloridov v betóne môže byť najčastejšie aplikácia chloridových odmrazovacích solí v zimnom období na povrch dopravných železobetónových konštrukcií, či účinky morskej vody alebo technologických roztokov v chemických prevádzkach.
Za aplikácie chloridových odmrazovacích solí na železobetónové dopravné konštrukcie možno vždy počítať so spolupôsobením chloridov a vždy prítomných kyslých plynov SO2, NOx a hlavne CO2 ako činiteľov ohrožujúcich koróziou zabudovanú výstuž. Táto závažná okolnosť sa doteraz zvlášť prakticky neuvažuje a za príčinu korózie výstuže sa výhradne považuje len prítomnosť chloridov.
Podľa výsledkov nášho výskumu za použitia metódy elektrického odporu [1, 2] predchádzajúce pôsobenie CO2, resp. karbonizácia za následnej penetrácie roztoku chloridu do železobetónu, predstavuje činiteľa zintenzívňujúceho koróziu výstuže [3]. Tento efekt znázorňuje obr. 1.
Obr. 2: Korózia výstuže v miestach výskytu trhlín
Tvorba trhlín v obalovom betóne predstavuje proces, ktorý poskytuje možnosť zvyšovania kontaktu zložiek prostredia obklopujúceho železobetónovú konštrukciu s povrchom výstuže. Samozrejme, tým aj zvyšovanie možnosti kontaktu so zložkami nebezpečnými pre výstuž, či sú to už chloridy alebo kyslé zložky. Trhliny umožňujú dokonca rýchlejší prienik zložiek k povrchu výstuže, ako je tomu u kompaktného obalového betónu. Naviac, v prípade spolupôsobenia trhlín môže byť efekt korózie lokalizovanej polohou trhlín v miestach na výstuži značne zosilnený, a tým prierez napadnutej výstuže výrazne zoslabený (obr. 2). Tvorbu a výskyt trhlín v betóne možno považovať za činiteľa, ktorý môže prispievať ku zvyšovaniu nebezpečia korózie výstuže železobetónových konštrukcií vystavených účinkom karbonatizácie či chloridov.
Tvorba trhlín sa považuje všeobecne za zvýšenie rizika korózie tým, že sa umožňuje k výstuži prístup chloridov či kyslých prostredí. Ukazuje sa, že mechanizmus korózie v trhlinách sa môže meniť v závislosti na kvalite betónu, geometrii trhlín ako aj na zaťažení konštrukcie a vonkajších podmienkach.
Seriózna diagnostika príčin poškodenia železobetónovej konštrukcie predstavuje základný predpoklad účinnosti zvoleného sanačného postupu.
V záujme spoľahlivosti výpovednej hodnoty skúšok aj vzhľadom na komplexnosť pôsobiacich vplyvov a účinkov, ktoré poškodenie betónu veľmi často sprevádzajú, by sa na prehodnotenie stavu poškodeného betónu mala používať kombinácia viacerých metód a skúšok.
1. Vizuálne posúdenie poškodenia betónu, pri ktorom sa sleduje sfarbenie betónu, výskyt trhlín v betóne a ďalšie u betónu neobvyklé príznaky.
2. Chemická analýza, poskytujúca základné informácie o zložení betónu a o prípadnom výskyte zmien chemického zloženia účinkom vonkajšieho prostredia, výskyte agresívnych zložiek apod. Chemická analýza a jej výsledky by mali byť súčasťou procesu hodnotenia stavu poškodeného betónu a mali by predchádzať ostatným skúškam, lebo poskytujú možnosť posúdiť ich potrebu a rozsah.
4. Termická analýza, poskytujúca obdobné informácie ako röntgenová analýza, naviac ale s možnosťou kvantifikácie vplyvov a účinkov.
5. Ortuťová porozimetria, poskytujúca informáciu o stave pórovej štruktúry betónu ako aj určitý obraz o stave jeho úžitkových vlastností, keďže pórová štruktúra tieto vlastnosti priamo podmieňuje. Pre túto metódu sa používajú kusovité vyseparované vzorky betónu, bez prítomnosti hrubých zŕn kameniva.
6. Elektrochemické metódy pre zistenie elektrochemických vlastností pórovej kvapaliny, ako sú jej hodnota pH a elektrická vodivosť. Jedná sa o vlastnosti, od ktorých závisí ochrana zabudovanej výstuže v betóne či nebezpečie jej korózie. Vhodné metódy pre tento účel predstavujú pH- a konduktometria, rovnako fenolftaleínová skúška pre prípady poškodenia železobetónových konštrukcií koróziou ich výstuže pôsobením karbonatizácie a ostatných agresívnych atmosférických plynov.
7. Vodopriepustnosť. Pri hodnotení stavu betónu v konštrukcii a nutnosti a rozsahu sanácie sú údaje o vodopriepustnosti betónu vhodným a účelným doplnením informácií o vlastnostiach betónu. Táto predstavuje významnú technickú vlastnosť betónu, ktorá podmieňuje jeho trvanlivosť. Zvýšenie hodnoty vodopriepustnosti môže indikovať degradačné procesy v betóne, ktoré trvanlivosť znižujú. Spoľahlivú informáciu o vodopriepustnosti betónu konštrukcie však môže poskytnúť len skúška na vzorke odobratej z konštrukcie. Od tejto požiadavky sú vzdialené bežné skúšobné postupy, založené na skúškach laboratórne pripravených skúšobných vzoriek. Tieto vzorky samozrejme v žiadnom prípade nemôžu zodpovedať betónu hodnotenej konštrukcie. Preto aj normové skúšobné postupy, napr. STN 73 1321, založené na skúškach laboratórne pripravených vzoriek, nie sú pre hodnotenie betónu konštrukcii použiteľné. Skúšku vodotesnosti betónu konštrukcie umožňuje napr. porozimetrická metóda [3].
Elektrochemické postupy sanácie sú založené na elektrochemickej povahe korózie výstuže. Túto predstavujú dve čiastkové reakcie:
Produktom sú hydroxidy premenlivého zloženia známe pod názvom hrdza. Ich objem je výrazne vyšší ako objem skorodovanej ocele. Dôsledkom tejto skutočnosti je, že hrdza vznikajúca na povrchu výstuže pod obalovým betónom vyvoláva ťahové napätie, vznik pozdĺžnych trhlín a odpraskávanie betónu sledujúce polohu výstuže. Tento efekt spolu s hrdzavým sfarbením povrchu betónu konštrukcie v mieste korózie umožňuje indikovať prítomnosť korózie. Výsledný a rozhodujúci efekt predstavuje zmenšenie prierezu korodujúcej výstuže a zníženie súdržnosti sústavy betón–výstuž.
V ďalšom sa uvádzajú podrobnejšie informácie o spomenutých metódach:
Podstata metódy: metóda je založená na odstránení chloridov z betónu migráciou iónov pod vplyvom elektrického poľa. Súčasne sa dostatočne zvýši hodnota pH v okolí výstuže na pasiváciu výstuže a jej ochranu pred koróziou.
Metóda spočíva na aplikácii elektrického poľa medzi výstužou v betóne ako katódou a vonkajšou elektródou – anódou. Táto anóda vo forme oceľovej či titanovej sieťky je zabudovaná v nasprejovanej zmesi vody, roztoku hydroxidu vápenatého či boritanu sodného a celulózových vlákien (hrúbka 20–25 mm). Počas sanačného procesu negatívne chloridové ióny putujú z betónu ku kladne nabitej anóde migráciou, kde sú zachytávané vo vláknitej zmesi. Metóda je nedeštruktívna v tom zmysle, že miesta po odpraskaní betónu a popraskaný betón je potrebné odstrániť. Pri aplikácii metódy sú vylúčené problémy s hlukom a prachom a využívajú sa environmentálne bezpečné materiály.
Pri procese extrakcie na katóde sú produkované hydroxylové ióny za vzniku vodíka:
2H2O + 2e–1 → 2(OH)–1 + H2 (3).
Obr. 3: Zapojenie pri metóde extrakcie chloridov
Aplikácia metódy. Pred vlastným procesom musia byť z povrchu konštrukcie odstránené poškodené časti. Prípadne odokrytá výstuž musí byť očistená, najvhodnejšie pieskovaním. Podobne musia byť odstránené nátery a povlaky. Koncentrácia chloridov v betóne sa počas procesu kontroluje a pokračuje sa do množstva 0,2–0,3 % chloridov. Možno pokračovať za každého počasia, pokiaľ elektrolyt nezamŕza. Typická inštalácia pri metóde pre vertikálne či sklonené povrchy je znázornená na obr. 3. V záujme vylúčenia nebezpečia obnovenia korózie sa doporučuje povrch betónu opatriť vodotesným povlakom a stav ocele monitorovať. Zdroj jednosmerného prúdu má hustotu 1 A/m2 a elektrické napätie hodnotu 20–30 V [4]. Postup je ukončený za 6 až 8 týždňov.
Táto metóda sa používa v prípade korózie vyvolanej pôsobením kyslých prostredí. Najčastejším prípadom býva karbonatizácia betónu. Zariadenie a postup sú rovnaké ako pri extrakcii chloridov, ale použitý elektrolyt je alkalický roztok, najčastejšie uhličitanu sodného [5]. Pri procese je elektrolyt do betónu transportovaný pomocou elektroosmózy.
Realkalizácia vyžaduje dobu 3–6 dní. Trvanlivosť realkalizácie je vynikajúca a efekt sa javí ako trvalý, ďalšie opatrenia nebývajú nutné. Metóda je pomerne nová, patentovaná v roku 1992 [7].
Obr. 4: Zapojenie pri metóde utesˇovania trhlín
Metóda umožňuje zaplniť trhliny v betóne a pokryť povrch betónu elektrochemicky aplikovaným materiálom. Naviac postup umožňuje zlepšiť mechanické vlastnosti betónu s trhlinami a znížiť jeho priepustnosť. Ako aplikovaný materiál sa používa uhličitan vápenatý a hydroxid horečnatý. Zapojenie je obdobné ako u postupov realkalizácie a extrakcie chloridov. Výhodný je fakt, že sa priepustnosť betónu výrazne zníži, pričom pevnosť adhézie elektrodepozitu dosahuje ťahovú pevnosť betónu [7].
Obr. 5: Závislosť koeficienta priepustnosti betónu na dobe aplikácie elektrodepozičnej metódy, Obr. 6: Rýchlost uzavretia trhlín v betóne v závislosti na dobe aplikácie elektrodepozičnej metódy
● Elektrochemické postupy sa javia oproti konvenčnej sanácii cenovo výhodnejšie.
● Minimálna záťaž životného prostredia s minimálnou produkciou prachu, odpadu a hluku či úplným ich vylúčením, ak sa sanuje ešte nepoškodená konštrukcia.
● Produkcia vodíka (rovnica 3) predstavuje nebezpečie vyvolania vodíkovej krehkosti predpätej výstuže a možnej iniciácie alkalicko-kremičitej reakcie za predpokladu, že betón obsahuje reaktívne kamenivo a kritické množstvo alkálií. Preto pri voľbe použitia metódy extrakcie chloridov je potrebné bezpečnosť podmienok zhodnotiť.
● Elektrochemické postupy nie je možné použiť u konštrukcií opatrených elektricky nevodivými organickými nátermi či povlakmi. Za týchto podmienok je možná ich aplikácia až po pracnom a aj cenovo náročnom odstránení náterov a povlakov. To samozrejme čas aj náklady sanácie zvyšuje.
Uvedené elektrochemické metódy sanácie sa javia ako efektívne nedeštruktívne sanačné postupy pre prípady poškodenia výstuže železobetónových konštrukcií zapríčinené koróziou vyvolanou chloridmi a karbonatizáciou či ich kombináciou. Rovnako aj v prípadoch porušenia ochrannej funkcie obalového betónu vznikom trhlín. Predpokladom úspechu je spoľahlivá diagnostika príčin poškodenia a zvolenie adekvátneho kvalifikovaného sanačného postupu.
1) Živica, V.: Improved method of electrical resistance a suitable technique for checking the state of concrete reinforcement. Mater. Struct. Vol. 26, 1993, pp. 328–332.
2) Živica, V.: Zdokonalená metóda elektrického odporu pre monitorovanie korózie výstuže v železobetónových konštrukciách. Materiály pro stavbu, VIII. Ročník, č.5, 2002, s. 32–35.
3) Bágeľ, Ľ – Živica, V.: Relationship between pore structure and permeability of hardened cement mortars: on the choise of effective pore structure parameter, Cement and Concrete Research, vol. 27, 1997, No. 8, pp. 1225–1235.
4) Živica, V.: Corrosion of reinforcement induced by environment containing chloride and carbon dioxide, Bull. Mater. Sci., Vol. 26, No. 6, 2003, pp. 605–608.
5) Velivasakis, E. E. – Henriksen, S. K. – Whitmare, D. W.: Halting Corrosion by Chloride Extraction and Realkalisation, Concrete International, vol. 19, No. 12, 1997, p. 39–46.
6) Rovnaníková, P. – Zahrada, J.: Elektrochemická extrakce chloridů z betonu mostního nosníku, SANACE betonových konstrukcí, roč. VIII, č. 2, 2000, s. 13–18.
7) Otsuki, N. – Hisada, M. – Ryu, J. S.: Study on Crack Closing and Surface Improvement of Concrete by Electrodeposition Method, JSCE Journal, vol. 5, No. 42, 1999, p. 201–210.
