Nehrdzavejúca betónová výstuž novej generácie

Korózia výstuže je najvážnejším problémom všetkých typov konštrukcií. Spôsobuje nemalé hospodárske straty a okrem narušenia vzhľadu konštrukcie spôsobuje tiež úbytok plochy nosnej výstuže a degradáciu spojenia medzi betónom a výstužou. Z dlhodobého hľadiska je výsledkom tohto procesu značná strata nosnej schopnosti konštrukcie, v konečnom dôsledku až strata funkčnosti. Jedným z riešení tohto problému je použitie kompozitných materiálov zo sklených vlákien vystužených polymérom (GFRP – Glass Fiber Reinforced Polymer).

Korózia betonárskej výstuže
Betón je jedným z najbežnejších stavebných materiálov. Má vysokú pevnosť v tlaku, pevnosť v ťahu je však veľmi limitovaná. Na prekonanie tohto obmedzenia sa na spevnenie betónových konštrukcií používa betonárska oceľ. Najčastejšie používaným spevňovací prvkom je oceľová výstuž, ktorá je cenovo efektívnym a účinným riešením spevnenia betónu. Oceľové spevnenie je však veľmi citlivé na koróziu.

Korózia výstuže a jej protikorózna ochrana predstavujú závažnú problematiku z hľadiska zabezpečenia požadovanej spoľahlivosti železobetónových konštrukcií. Stále zvyšujúcou sa agresivitou prostredia vznikajú vážne poruchy železobetónových konštrukcií. Čerstvý betón je výrazne alkalický (pH > 12) a túto alkalitu si udržuje aj vo vytvrdnutom stave. Príčinou alkality je predovšetkým vznik veľkého množstva hydroxidu vápenatého pri hydratácií vápenatých kremičitanov.

Pretože v alkalickom prostredí je povrch výstuže pasivovaný, zabraňuje alkalita betónu korózii v železobetónovej konštrukcii. Karbonatizácia, teda reakcia s atmosférickým oxidom uhličitým (CO₂), však spôsobuje, že alkalita betónu postupne klesá. Hovoríme, že sa vyčerpajú alkalické rezervy betónového spojiva. Táto reakcia vedie k postupnému znižovaniu pH betónu v skarbonatizovanej vrstve až na hodnotu pH okolo 9. Zreteľná korózia zabudovaných oceľových prvkov pritom nastáva už od okamihu, keď pH klesne pod hodnotu približne 11,2. Karbonatizácia betónu postupuje od povrchu, ktorý je v priamom styku s atmosférou, až dovnútra príslušného prvku. Karbonatizačný proces spočíva v tvorbe uhličitanov (karbonátov) reakciou alkalických zlúčenín prítomných v príslušnom materiáli s kyselinou uhličitou, ktorá vzniká rozpustením atmosférického oxidu uhličitého vo vode.

Karbonatizačná reakcia prebieha najrýchlejšie pri relatívnej vlhkosti vzduchu (rozumie sa vzduch prítomný v póroch betónu) od 75 do 92 %. Vznikajúce korózne produkty sú výrazne objemnejšie ako pôvodný kov. Uvádza sa, že korózia plášťa oceľového prúta s hrúbkou 1 mm vedie k tvorbe koróznych produktov (hrdze) hrubých 4 mm. Skorodovaný prút stráca spojenie s betónom, jeho prierez sa oslabuje a vznikajúce korózne produkty poškodzujú okolitý betón tlakom, čo vedie k tvorbe trhlín a odlupovaniu krycej vrstvy betónu (obr. 1).

Z praktického hľadiska má veľký význam rýchlosť karbonatizácie v čase a hrúbka skarbonatizovaného betónu, pretože od nich závisí nebezpečenstvo korózie výstuže a jej rýchlosť. Rýchlosť a hrúbka karbonatizácie závisia podľa mnohých autorov aj od priepustnosti betónu a následne od faktorov, ktoré ju určujú, t. j. vodného súčiniteľa, stupňa hydratácie cementu, druhu cementu a relatívnej vlhkosti prostredia. Korózia býva hlavnou príčinou sanácie železobetónových konštrukcií. Nebezpečenstvo korózie výstuže pri karbonatizácii zvyšuje nedostatočná krycia vrstva betónu, jej zvýšená pórovitosť, nízky obsah cementu v betóne, vysoký vodný súčiniteľ a nesprávne ošetrovanie betónu.

Spôsoby ochrany proti korózii
Najčastejší spôsob sekundárnej ochrany proti korózií spočíva v zamedzení priameho styku materiálu s koróznym médiom. Robí sa buď úpravou povrchu materiálu, alebo vytvorením ochranného povlaku. Môže ich tvoriť vrstva kovu odolného proti korózií (pokovovanie), umelá oxidácia chráneného kovu, nanášanie vrstvy z iných anorganických materiá­lov (fosfátovanie, smaltovanie) alebo náter, nános či striekanie.

Podmienkou úspešnej ochrany je čistota podkladového povrchu a dokonalé vyhotovenie ochrannej vrstvy.
Tam, kde nie sú predpoklady na úspešnú sekundárnu ochranu, musí sa robiť primárna ochrana. To znamená, že treba zvoliť materiál­ s vhodným zložením – taký, ktorý je odolný proti danému prostrediu.

Jedným z možných spôsobov, ako zabezpečiť dostatočnú a dlhodobú životnosť konštrukcie, je použitie ušľachtilých ocelí odolných proti korózii. Za nehrdzavejúcu oceľ sa považujú všetky zliatiny železa, ktoré obsahujú aspoň 12 % chrómu. Ak ide o odolnosť proti korózií, najčastejšie sa používa austenitická oceľ, ktorá je 18- až 24-krát viac rezistentná proti chloridom než bežná betonárska oceľ. Pri nehrdzavejúcich oceliach sa kombinujú dobré mechanické vlastnosti s vynikajúcou odolnosťou proti korózií. Nevýhodou je však cena – približne 10-násobne vyššia než cena bežnej betonárskej ocele.

Použitie kompozitných materiálov zo sklenených vlákien a polyméru
Ideálnym riešením spevnenia betónových konštrukcii odolných proti korózií sú kompozitné materiály. Použitie kompozitných materiálov zo sklených vlákien vystužených polymérom má v ostatných dvoch desaťročiach vzrastajúcu tendenciu. Postupne sa rozrastalo poznanie ich vlastností. Na výrobu sa prakticky používajú sklenené vlákna spojené polymérom, ktoré poskytujú vhodnú kombináciu pevnosti, tuhosti, odolnosti proti korózii a ceny.

To vedie k názoru, že je to vhodný konštrukčný materiál. Výstužový prút vyrobený zo sklenených vlákien a polyméru na obr. 2, 3, 4 je inertný, nekoroduje, odoláva alkáliám a zlepšuje dlhovekosť civilných inžinierskych stavieb v agresívnom environmentálnom prostredí. Na vylepšenie priľnavých vlastností možno vonkajší povrch prúta upraviť a pokryť hrubým pieskom. Prúty sa dajú použiť ako alternatíva nehrdzavejúcej ocele či epoxidom povrchovo upravených alebo galvanizovaných výstužových tyčí.

Takýto produkt nepotrebuje v porovnaní s klasickou betonárskou výstužou žiadnu opravu alebo údržbu. Je odolný proti chemikáliám (nehrdzavie), pevnosť v ťahu má väčšiu ako oceľ a vyznačuje sa nízkou hmotnosťou – štvrtinovou oproti hmotnosti ocele. Neovplyvňuje ho magnetické pole ani rádiové frekvencie a je elektricky a tepelne nevodivý.

Použitie a cena
Kompozitný materiál zo sklených vlákien možno použiť v mnohých aplikáciách, napr. na:

• vystuženie betónu v prostredí citlivom na koróziu, chemické napadnutie či ionizáciu,
• spevnenie betónu s tenkou vrstvou alebo spevnenie prefabrikátov,
• vystuženie betónu v prípadoch, keď nemožno použiť železnú oceľ z dôvodu elektromagnetickej indukcie,
• vystuženie tunelov, mostov, základov, múrov, stĺpov a iných betónových konštrukcií v kontakte s vodou,
• nevodivé podlahy v elektrárňach a trafostaniciach, pri elektrických stĺpoch alebo na stavbách s vysokým napätím,
• miestnosti s citlivými prístrojmi v nemocnici, budovy na kalibráciu elektronických prístrojov (nemagnetický materiál),
• vojenské budovy (kde treba, aby sa nedali zamerať radarom), telekomunikačné budovy (neovplyvňuje rádiové vlny),
• vystuženie v tuneloch, kde treba dodatočné vrty bez poškodenia vŕtacích zariadení (soft-eye aplikácie),
• chemické fabriky a stavby s agresívnym prostredím, vystuženie,
• sanácie a opravy skarbonatizovaného betónu na balkónoch,
• mnoho iných aplikácií a možností.

GFRP materiály nemajú rovnaké vlastnosti ako klasická betonárska oceľ, preto je lepšie pochopenie mechanických vlastností GFRP materiálov nevyhnutné na rozumný prístup k návrhu konštrukcií vystužených týmto materiálom.

Pri porovnaní ceny je tento produkt drahší než bežná betonárska oceľ. Inžinierske znalosti a skúsenosti s existujúcimi stavebnými konštrukciami však umožňujú pomerne ľahko identifikovať kritické miesta v stavebnej konštrukcii, pri ktorých hrozia v budúcnosti problémy s koróziou. Použitie týchto nehrdzavejúcich výstužových prútov len v kritických miestach predstavuje množstvo použitého nehrdzavejúceho materiálu len 3 až 20 % z celkovej potreby výstuže, pričom navýšenie celkovej kalkulácie je potom zvyčajne zanedbateľné (asi 0,5 až 5 %).

Bomart, s. r. o.
Foto: Bomart, s. r. o.

Bomart, s. r. o., sa zameriava na sanáciu železa, betónu a betónových konštrukcií a na zosilnenie stavebných konštrukcií externe lepenými FRP materiálmi, preventívnymi a opravnými hydroizolačnými výrobkami a priemyselnými podlahami.

Tento článok bol uverejnený v časopise Inženýrské stavby/Inžinierske stavby 4/2008.