Co je síranové napadení betonu?

Síranové napadení je chemická reakce mezi síranem a cementovou pastou v betonu, která vytváří expanzivní minerály a beton popraská. FHWA jako produkty uvádí ettringit, sádrovec a thaumasit. Britská varianta pravopisu je sulphate attack. Jde o stejný proces.

Co reaguje

Ionty síranu vstupují do pórové vody betonu, buď zvenku, nebo zevnitř. Propustnost betonu řídí, jak rychle vnikají. FHWA popisuje reakci ve třech podobách.

• Ettringit je minerál kalcium-sulfoaluminát. Vzniká, když síran reaguje s aluminátovými fázemi pasty. FHWA uvádí, že většinu rozrušení při síranovém napadení způsobuje ettringit. Mnoho výzkumníků spojuje odolnost cementu vůči síranům s jeho obsahem trikalcium-aluminátu (C3A), protože C3A určuje, kolik ettringitu se může vytvořit.
• Sádrovec vzniká, když se síran spojí s vápníkem. Jeho expanze nemusí být destruktivní, ale sádrovec má malou tmelicí schopnost, takže beton ztrácí celistvost. FHWA uvádí mez: koroze sádrovcem přidává k poškození přímo nad 1 000 ppm síranu a příliš na tom nezáleží, dokud síran nepřekročí 4 000 ppm.
• Thaumasit je minerál podobný ettringitu, ale místo oxidu hlinitého obsahuje oxid křemičitý. Závisí na kalcium-silikát-hydrátu (CSH) pasty, nikoli na obsahu C3A, takže cement s nízkým obsahem C3A jej neomezí. FHWA uvádí, že vzniká snadněji při nízkých teplotách a že bývá často zaměňován s ettringitem. Může pokračovat, dokud nezůstane žádné pojivo.

Vnější a vnitřní napadení

Při vnějším síranovém napadení vstupuje síran z vnějšku betonu do něj a reaguje s aluminátovými fázemi pasty. FHWA jako příklady uvádí podzemní vodu a rozmrazovací chemikálie. Nejčastějším zdrojem je půda. Škoda závisí na zdroji, koncentraci síranů, propustnosti betonu a složení pasty.

Rozmrazovací sůl je druhá cesta. FHWA uvádí, že běžná kamenná sůl může mít čistotu jen 92 procent. Nečistoty bývají sádrovec a anhydrit. Jedna studie našla až 4 procenta síranu vápenatého v přírodní kamenné soli. FHWA tento typ poškození nazývá deicer distress.

Vnitřní síranové napadení bere síran zevnitř betonu. FHWA uvádí tři formy:

• Opožděná tvorba ettringitu (DEF) je ettringit, který vzniká v betonu až poté, co ztvrdl a nabyl pevnosti. Vysoké teploty během raného vytvrzování brání správnému vzniku primárního ettringitu. Po ochlazení betonu síran a aluminát reagují a vytvoří expanzivní ettringit. FHWA cituje výzkum minimální teploty 65 až 80 °C, přičemž mnoho zdrojů uvádí 70 °C. Uvádí, že obvyklou souvislostí je parní vytvrzování a že není jisté, zda monolitické betonové vozovky takových teplot dosahují.
• Přebytečný síran pochází z pomalu rozpustného síranu ve slínku, popílku nebo kamenivu. Způsobuje expanzi pasty podobně jako vnější napadení. FHWA uvádí, že v jednotlivém případě vozovky je prakticky nemožné jej oddělit od DEF.
• Sekundární ettringit je ettringit, který se rozpustí a pak znovu krystalizuje v dutinách a trhlinách. Většina odborníků se shoduje, že nevytváří dostatečný tlak na roztržení zdravé pasty. Může vyplňovat vzduchové póry, což může snížit odolnost vůči cyklům mrazu a tání.

Jak to poznat

FHWA u obou typů uvádí jemné trhliny u spár a okrajů desek, nebo mapovité trhliny přes celou desku. Vnější napadení se obvykle poprvé projeví trhlinami u spár a okrajů desek, během několika let od výstavby. V pokročilých případech FHWA uvádí, že pasta se může změnit v nesoudržný prášek. FHWA uvádí, že vnitřní napadení se u mnoha konstrukcí projevuje hustými, těsnými mapovitými trhlinami se širšími trhlinami v pravidelných rozestupech.

Jiné mechanismy dávají stejný vzor. FHWA uvádí stejné trhání u alkalicko-křemičité reaktivity (ASR) a alkalicko-karbonátové reaktivity (ACR), takže samotné trhliny neprozradí příčinu. Doba prvního výskytu pomáhá jen málo:

Druhý dokument FHWA (HIF-15-018) uvádí u vnějšího napadení 1 až 5 let. Rozsahy se překrývají, takže ani doba příčinu neurčí.

Ettringit v jádrovém vzorku není důkaz. FHWA uvádí, že ettringitové usazeniny ve vzduchových pórech a trhlinách porušeného betonu jsou velmi běžné. Ettringit může být příznakem pohybu vody, nikoli příčinou poškození. FHWA požaduje, aby petrograf vyřezal vzorek a posoudil, zda ettringit způsobil trhliny, nebo jen vyplnil trhliny, které vznikly jiným mechanismem. FHWA také uvádí, že jádrové vzorky mají zahrnovat celou tloušťku betonu. Jako rámec petrografického zkoumání uvádí ASTM C856. Pod mikroskopem se DEF projevuje jako mezery v pastě kolem zrn kameniva, které odpovídají jejich velikosti.

Třídy expozice podle ACI 318

ACI 318-19 člení expozici síranům do čtyř tříd podle rozpustného síranu v půdě nebo ve vodě. Hodnota pro půdu je v procentech hmotnosti a pochází z ASTM C1580. Hodnota pro vodu je v ppm a pochází z ASTM D516 nebo ASTM D4130. Mořská voda je třída S1.

MS a HS označují středně a vysoce odolné směsné cementy vůči síranům. S3 má dvě možnosti. První je 0,45 a 4 500 psi s pucolánem nebo struskou. Druhá je 0,40 a 5 000 psi pouze s cementem typu V. Přísada chloridu vápenatého není v S2 a S3 povolena. Cement typu I nebo typu III může sloužit v S1, pokud je jeho obsah C3A pod 8 procent. Může sloužit v S2, pokud je jeho obsah C3A pod 5 procent.

Prevence

FHWA se soustředí na dva kroky. První je snížit propustnost betonu nižším w/cm a přijatými doplňkovými cementovými materiály (SCM). Druhý je použít cementový systém odolný vůči síranům. FHWA uvádí cement typu II nebo typu V a středně nebo vysoce odolný směsný cement vůči síranům, s přidaným pucolánem nebo struskovým cementem. FHWA také uvádí popílek třídy F a struskový cement jako účinné SCM. FHWA uvádí, že w/cm pod 0,45 pomáhá proti vnějšímu napadení.

Směs lze také ověřit zkouškou. ACI stanovuje limity pro expanzi malty ve zkoušce ASTM C1012, při které se malta vystaví roztoku síranu:

• S1: 0,10 % po 6 měsících.
• S2: 0,05 % po 6 měsících, nebo 0,10 % po 12 měsících, pokud není splněn 6měsíční limit.
• S3, možnost 1: 0,10 % po 18 měsících.

Tabulka FHWA také dovoluje v S2 použít místo typu V cement libovolného typu. Jeho expanze po 14 dnech podle ASTM C452 nesmí překročit 0,040 %.

Letištní vozovka

FHWA uvádí, že síranové napadení není u vozovek častým problémem. Je to problém pro beton ve styku s půdou v mnoha oblastech západních Spojených států. Pokud zkouška půdy ukáže třídu S1 až S3, zmírnění je povinné.

FAA AC 150/5320-6G ukládá projektantovi před chemickou stabilizací vápnem nebo cementem zkontrolovat rozpustný síran v půdě a v záměsové vodě. Doporučuje opatrnost nad 3 000 ppm a kontrolu expanze nad 5 000 ppm. Položky stabilizace AC 150/5370-10H (P-154 až P-157) nesou stejné varování. Technický dozor (Engineer) během návrhu kontroluje rozpustný síran, aby zjistil, zda stabilizace může reagovat a způsobit zdvih. Položka P-219 nepovoluje podklad z recyklovaného betonového kameniva na místech s půdou s vysokým obsahem síranů (nejvýše 0,5 procenta).

Pro samotnou desku uvádí FAA AC 150/5370-10H pokyny v položce P-501. Obsah cementových materiálů má být nejméně 517 liber na krychlový yard tam, kde se očekává silné střídání mrazu a tání, rozmrazovací chemikálie nebo síranová expozice. Technický dozor (Engineer) určí nejvyšší w/cm 0,45, nebo nižší hodnotu pro expozici síranům. U chudého betonu (položka P-306) uvádí, že má být určen cement typu II tam, kde zvolené kamenivo má zkušenost s reakcí se síranem.

Pro inspektora je síranové napadení jednou z možných příčin trhlin u spár a na povrchu betonu. Průzkum dronem zaznamená, kde se trhliny nacházejí. Příčinu musí potvrdit zkouška síranů v půdě nebo ve vodě a laboratorní zkoumání jádrového vzorku.