Ochrana betónu v čistiarňach odpadových vôd

Cieľom článku je zhrnúť a opísať požiadavky na ochranné systémy v trvalom styku s odpadovou a pitnou vodou, predstaviť výhody minerálnych ochranných systémov, ktoré týmto požiadavkám s technickou rezervou vyhovujú, a preukázať ich dlhodobú odolnosť proti agresívnemu prostrediu odpadových vôd deklarovanú nezávislými štúdiami skúšobných ústavov.

Betónové konštrukcie v prostredí odpadových vôd
Betón je nepochybne hlavný stavebný materiál minulého aj tohto storočia. Má vysokú životnosť, ľahko sa tvaruje a je cenovo výhodný. Pri stavebných konštrukciách v oblasti odpadových vôd je betón najviac používaný stavebný materiál, bez ktorého by nebolo možné skonštruovať čistiarne odpadových vôd (ČOV) tak, ako ich poznáme dnes. Všeobecne platí, že ak je betón vyrobený, uložený, zhutnený a ošetrovaný podľa noriem, možno ho označiť za tesný stavebný mate­riál s dlhou životnosťou. Betón je ale v prostredí odpadových vôd vystavený celému radu vplyvov a pôsobení, napríklad rozpúšťajúcim vplyvom (zaťaženie kyselinami), zväčšovaniu objemu a vnútornému pnutiu v betóne (síranová korózia), biologickým vplyvom, mechanickému pôsobeniu (oder, klzné a valivé namáhanie), fyzikálnemu pôsobeniu (mráz), korózii a pôsobeniu na oceľovú výstuž (karbonatizácia, jamková korózia spôsobená chloridmi). Navyše, odpadová voda na ČOV dosahuje kritickú hodnotu pH faktoru prostredia, teda hodnotu pod pH 5, keď betón nie je schopný tomuto zaťaženiu trvale odolávať. Netreba zabúdať ani na nádrže pitnej vody. Cementom spojeným minerálnym ochranným systémom v minulosti chýbal dostatočne vysoký odpor k procesu hydrolýzy. Častými následkami sú výluhy do vody a celkový rozpad ochranného systému.

Faktom je, že betón je pórovitý a priepustný materiál a jeho odpor a necitlivosť proti vplyvom okolitého prostredia závisia od druhu a intenzity pôsobenia prostredia, ako aj od jeho vlastností. Prakticky všetky podstatné deštrukčné javy prebiehajúce v betóne alebo na jeho povrchu súvisia s transportnými procesmi. Rozhodujúcu úlohu pri tom hrá transport vody. Voda však nie je iba transportným médiom škodlivých látok, ale prakticky pri všetkých škodlivých procesoch sa zúčastňuje aj na reakcii. Keby sa teda podarilo zabrániť prenikaniu vody do betónu, bolo by možné zamedziť takmer všetkým škodlivým procesom. Ako pôsobia póry, ich veľkosť a celková pórovitosť betónovej štruktúry? Absorpcia vody stavebnými materiálmi môže prebiehať iba cez póry, pričom rozhodujúci vplyv má celkový objem pórov (pórovitosť). Osobitne to platí pre absorpciu škodlivých látok. Rozhodujúci význam v celkovej pórovitosti pritom predstavujú geometria pórov a rozdelenie veľkosti pórov. Póry sa rozlišujú podľa ich geometrického tvaru, keď hovoríme napríklad o póroch vsakovacích, priechodných, uzavretých, spojovacích, vzduchových a póroch vzniknutých pri zhutnení.

Vsakovacie póry môžu byť plnené vodou iba podmienečne, keďže je v nich vzduch vytvárajúci protitlak, ktorý zabraňuje ďalšiemu prenikaniu vody. Uzatvorené póry sú v zásade prístupné iba vodnej pare a sú dôležité pre difúznu otvorenosť systému k prestupu vodnej pary. Najmenšie póry sú póry gélové s veľkosťou 10–9 m, ktoré sú z hľadiska transportných procesov bezpečné, pretože transport neumožňujú. Priechodné póry (kapilárne s veľkosťou 10–6 m) sa plnia vodou najlepšie, a preto sú v najvyššej miere zodpovedné za transportné javy. Mikropóry (10–4 m) a póry vzniknuté zhutnením (10–2 m) z tohto pohľadu možno považovať za transportné diaľnice pre škodlivé látky. Dôsledkom všetkých týchto javov je fakt, že sanácia betónu v oblasti odpadových vôd a ich trvalá ochrana sú nevyhnutným procesom.

Ochrana povrchov
V zásade existujú dve možné cesty. Možno používať vysokokvalitné betóny bez dodatočnej povrchovej ochrany, ktoré sú dlhodobo odolné prostrediu do pH 3,5, odolné proti chloridom a sú vyrobené s čo najnižšou pórovitosťou. Kritická je pre ne biogénna korózia kyseliny sírovej (BSK), prebiehajúca v uzavretých nádržiach odpadových vôd, keď v priestore nad hladinou odpadovej vody oxiduje sírovodík na kyselinu sírovú a prostredie dosahuje hodnotu pH 1 až 2. Z dôvodu ochrany betónu sa používajú špeciálne silikátové systémy.

Ďalšou možnosťou je ochrana konštrukcie z bežného betónu pomocou sekundárnej povrchovej ochrany a použitie organických systémov na báze reakčných živíc alebo anorganických na minerálnej báze. Použitie hrubovrstvových minerálnych systémov s vyváženou krivkou zrnitosti, veľmi nízkou pórovitosťou a maximálnou možnou odolnosťou v zariadeniach na spracovanie odpadových vôd vykazuje v porovnaní s ochrannými systémami na báze epoxidových alebo poly­uretánových živíc značné výhody (tab. 1).

Tab. 1 Porovnanie minerálnych systémov spojených cementom s ochrannými systémami na báze epoxidových alebo polyuretánových živíc pri použití v zariadeniach na spracovanie odpadových vôd

Ochranné systémy
Už viac ako dvadsať rokov sa na ochranu betónov v oblasti odpadových vôd používajú cementom spojené minerálne ochranné systémy s vysokou odolnosťou proti síranom. Ochranné systémy však v nijakom prípade nesmú preberať konštrukčné úlohy betónu. To znamená, že pri sanovaných konštruk­ciách treba v prípade potreby nahradiť pôvodné degradované vrstvy betónu reprofilačnými systémami. V oblasti odpadových vôd sú to špeciálne reprofilačné systémy na báze cementov bez obsahu trikalciumaluminátu (C3A), ktoré sú odolné proti síranom rozpusteným v odpadovej vode alebo podkladovom kontaminovanom betóne a na rozdiel od bežných reprofilačných systémov spoľahlivo chránia nosnú konštrukciu pred síranovou koróziou.

Vlastnosti ochranných systémov
Ochranné systémy* sú:

• odolné proti veľmi agresívnym vodám a pôde podľa STN EN 206 pre expozičné triedy XA1 – XA3,
• dlhodobo odolné v prostredí od pH 3,5 (hranica pri XA3 je 4) do pH 14,
• vodenepriepustné podľa DIN 1048 do vodného tlaku 5 bar, t. j. 50 m vodného stĺpca,
• ich celková pórovitosť po 28 dňoch dosahuje hodnotu 4,2 objem. % (obr. 1),
• difúzii otvorené pre vodné pary s difúznym odporom 2,4 m,
• difúzne uzavreté pre prestup CO2 s difúznym odporom 60 m (v hrúbke vrstvy 10 mm), čím spomaľujú proces karbonatizácie betónu,
• mimoriadne odolné proti síranom, pretože spojivom je cement bez obsahu C3A,
• mimoriadne tesné proti pôsobeniu chloridov (migrácia chloridov) s migračným koeficientom 1,23 × 10–12 m²/s.

*    Všetky uvedené hodnoty sa vzťahujú na použitý referenčný systém MC-RIM.

Na porovnanie:
Bežný betón s CEM I 42,5 R a vodným súčiniteľom 0,5 vykazuje koeficient migrácie chloridov 15,8 × 10–12 m²/s, vysokovýkonný betón (CEM I 42,5 R s mikrosilikou (k = 2), efektívny vodný súčiniteľ 0,4) vykazuje 4,8 × 10–12 m²/s. To znamená, že referenčný ochranný systém vykazuje minimálne štvornásobne vyšší odpor proti prenikaniu chloridov ako uvedený vysokovýkonný betón. Ochranné systémy možno použiť prakticky pri všetkých betónových konštrukciách na ČOV v styku s odpadovou, alebo pitnou vodou (všetky druhy nádrží, separátory, vyhnívacie veže a nádrže, zahusťovače kalov a závitové čerpadlá).

Trvanlivosť ochranných systémov
Veľmi často všetci zainteresovaní, od investorov a správcov cez projektantov až po samotné realizačné firmy, kladú otázku ohľadom odolnosti a životnosti ochranných systémov v agresívnom prostredí odpadových vôd. Je to 5, 10, 15 rokov alebo vari ešte dlhšie? Adekvátnu odpoveď nám môže dať len ten, kto systémy používa už niekoľko rokov, a ten, kto môže svoje tvrdenia doložiť nezávislými štúdiami a skúmaním týchto systémov na prevádzkovaných objektoch. Nasleduje opis jednej z troch vykonaných nezávislých štúdií, pri ktorej sa posudzoval referenčný ochranný systém (MC-RIM) po 13-ročnom namáhaní. Nezávislé štúdie v plnom znení sú záujemcom k dispozícii.

Projekt Viernheim
Túto nezávislú štúdiu, prieskum ochranného systému, v roku 2010 spracovala MBF – Gesell­schaft für Materialprüfung und Baustofforschung mbH (Spoločnosť pre skúšanie materiálov a výskum stavebných materiálov) v Berlíne.

Zadanie úlohy
V nemeckom meste Viernheim majú v miestnej ČOV prepadovú nádrž na dažďovú vodu (dĺžka 61 m, šírka 19,5 m, výška 6,8 m). Slúži ako vyrovnávacia nádrž na kanalizáciu a zároveň ako havarijná nádrž na dočasné zhromažďovanie kontaminovaných kvapalín (napríklad zmesi olejov, kyseliny, benzínu a podobne). Dôvodom stavebného zásahu v roku 1995 bola sanácia betónu a profylaktická ochrana betónovej podzemnej stavby.

Ďalšou požiadavkou bola preventívna ochrana pre prípad havárie v zbernom území mesta Viernheim. Nanesený ochranný systém mal teda chrániť betón stavebného diela pred škodlivými vplyvmi z najrôznejších znečistených vôd a pritom mal svoje ochranné vlastnosti meniť iba nevýznamne. Očakávala sa čo najvyššia životnosť. Na posúdenie trvanlivosti a životnosti sa v roku 2008 vykonali prieskumy konštrukcie a početné prieskumy vrtných jadier v laboratóriách. Výsledky sú zdokumentované v protokole č. 105/08 (MBF Berlín).
Rozsah prieskumu:

• stanovenie odtrhovej pevnosti,
• stanovenie hĺbky karbonatizácie,
• prieskumy stereomikroskopom a polarizačným mikroskopom (posúdenie matrice),
• elektrónová rastrová mikroskopia (REM),
• analýza prvkov (metóda EDAX).

Výsledky skúšok – výber
Zadávateľ štúdie odobral osem jadrových vývrtov a vzoriek na stanovenie odtrhovej pevnosti z rôznych miest nádrže. Výsledky sú uvedené v tab. 2. Na stanovenie hĺbky karbonatizácie sa použil indikátorový roztok fenolftaleinu. Skúšobné plochy jadrových vývrtov sa sušili 5 minút, na čerstvú deliacu plochu sa nastriekal roztok indikátoru, ktorý sa pri hodnotách pH < 8,2 nezafarbí, pri pH 8,2 – 12 má ružové až fialové zafarbenie. Hĺbka karbonatizácie sa pri všetkých skúmaných vzorkách stanovila v rozpätí 1 až 2 mm (obr. 2). Mikroskopické skúmania výbrusov ukázali hustú, pevnú minerálnu matricu s homogénne rozdelenými drobnými minerálnymi prímesami. Ďalšie skúmanie pomocou REM a EDAX ešte ukázalo, že póry matrice sú na vzorkách odobraných priamo z nádrže, ako aj na nových referenčných vzorkách vyrobených na porovnanie vyplnené nespotrebovaným hydroxidom vápenatým. Výsledky stanovenia pórovitosti a osobitne rozdelenie polomeru pórov v rozsahu malých pórov sú v korelácii s mikroskopickou, t. j. vizuálne stanoviteľnou tesnosťou. Závery štúdie, vyhodnotenie
Z výsledkov sa dá odvodiť záver, že 13 rokov prevádzky prepadovej dažďovej nádrže plnenej rozličnými druhmi vôd v najrôznejších intervaloch nespôsobilo nijakú zmenu vlastností ochrannej vrstvy. Preto sa dá usúdiť, že tieto vlastnosti pri ďalšej prevádzke a za porovnateľných podmienok zostanú zachované najmenej ďalších 20 rokov.

Zhrnutie
Odpoveď na otázku, ako dlho vydrží ochranný systém, je na základe všetkých uvedených faktov podporených aj nezávislými štúdiami jednoznačná. Opisovaný systém má preukázateľnú životnosť minimálne 30 rokov.

TEXT: Ing. Tomáš Plicka, Dušan Harangozó
FOTO: MC-Bauchemie

Tomáš Plicka je produktový manažér v spoločnosti MC-Bauchemie, s. r. o., v Českej republike.

Dušan Harangozó je obchodný riaditeľ v spoločnosti MC-Bauchemie, s. r. o., na Slovensku.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.