Čo je síranová korózia betónu?

Síranová korózia je chemická reakcia medzi síranom a cementovým tmelom v betóne, ktorá vytvára expanzívne minerály a spôsobuje praskanie betónu. FHWA ako produkty uvádza ettringit, sadrovec a taumasit. Britská verzia názvu je sulphate attack. Ide o ten istý proces.

Čo reaguje

Síranové ióny vstupujú do pórovej vody betónu, buď zvonka, alebo zvnútra. Priepustnosť betónu určuje, ako rýchlo sa tam dostanú. FHWA opisuje reakciu v troch podobách.

• Ettringit je minerál vápnika, síranu a hlinitanu. Vzniká, keď síran reaguje s hlinitanovými fázami tmelu. FHWA uvádza, že ettringit spôsobuje väčšinu porúch pri síranovej korózii. Mnohí výskumníci spájajú odolnosť cementu voči síranom s obsahom trikalciumaluminátu (C3A), pretože C3A určuje, koľko ettringitu sa môže vytvoriť.
• Sadrovec vzniká, keď sa síran spojí s vápnikom. Jeho expanzia nemusí byť deštruktívna, ale sadrovec má malú schopnosť spájania, takže betón stráca súdržnosť. FHWA uvádza hranicu: korózia sadrovcom priamo pridáva k poškodeniu nad 1 000 ppm síranu a málo na ňu záleží, kým síran neprekročí 4 000 ppm.
• Taumasit je minerál podobný ettringitu, v ktorom je oxid kremičitý namiesto oxidu hlinitého. Závisí od kalciumsilikátového hydrátu (CSH) tmelu, nie od obsahu C3A. Cement s nízkym obsahom C3A ho preto neobmedzí. FHWA uvádza, že vzniká ľahšie pri nízkych teplotách a že sa často mylne určí ako ettringit. Môže pokračovať, kým nezostane žiadne spojivo.

Vonkajšie a vnútorné napadnutie

Pri vonkajšej síranovej korózii vstupuje do betónu síran zvonka a reaguje s aluminátovými fázami tmelu. FHWA ako zdroje uvádza podzemnú vodu a rozmrazovacie chemikálie. Najčastejším zdrojom je pôda. Miera poškodenia závisí od zdroja, koncentrácie síranov, priepustnosti betónu a zloženia tmelu.

Druhou cestou je soľ na odmrazovanie. FHWA uvádza, že štandardná kamenná soľ môže mať čistotu len 92 percent. Nečistoty sú často sadrovec a anhydrit. Jedna štúdia zistila až 4 percentá síranu vápenatého v prírodnej kamennej soli. FHWA tieto poškodenia od nečistôt nazýva deicer distress.

Vnútorná síranová korózia zahŕňa síran zvnútra betónu. FHWA uvádza tri formy:

• Oneskorená tvorba ettringitu (DEF) je ettringit, ktorý vzniká v betóne po jeho zatvrdnutí a nadobudnutí pevnosti. Vysoké teploty počas skorého vytvrdzovania bránia, aby sa primárny ettringit tvoril správne. Keď betón vychladne, síran a hlinitan zreagujú a vytvoria expanzívny ettringit. FHWA uvádza výskum o minimálnej teplote 65 až 80 °C, pričom mnohé zdroje udávajú 70 °C. Parné vytvrdzovanie je podľa FHWA obvyklou súvislosťou. Nie je isté, či vozovky liate na mieste takéto teploty vôbec dosiahnu.
• Nadbytočný síran pochádza z pomaly rozpustného síranu v slinku, lietavom popole alebo kamenive. Spôsobuje expanziu tmelu podobne ako vonkajšia korózia. FHWA uvádza, že vo vozovke sa takmer nedá oddeliť od DEF.
• Sekundárny ettringit je ettringit, ktorý sa rozpustí a potom znovu skryštalizuje vo vzduchových póroch a trhlinách. Väčšina odborníkov súhlasí, že nevytvára dostatočný tlak na popraskanie zdravého tmelu. Môže zapĺňať vzduchové póry, čo môže znížiť odolnosť voči zamŕzaniu a rozmrazovaniu.

Ako ho spoznať

FHWA pri oboch typoch uvádza jemné trhliny pri škárach a okrajoch dosiek alebo mapové praskanie na celej doske. Vonkajšia korózia sa zvyčajne prvýkrát prejaví praskaním pri škárach a okrajoch dosiek, do niekoľkých rokov od výstavby. V pokročilých prípadoch FHWA uvádza, že tmel sa môže zmeniť na nesúdržný prášok. Vnútorná korózia sa podľa FHWA v mnohých konštrukciách prejavuje ako husté, tesné mapové trhliny so širokými trhlinami v pravidelných odstupoch.

Iné mechanizmy vytvárajú rovnaký vzor. FHWA uvádza rovnaké praskanie pri alkalicko-kremičitej reaktivite (ASR) a alkalicko-karbonátovej reaktivite (ACR), takže samotné praskanie neukazuje príčinu. Čas prvého prejavu pomáha len trochu:

Druhý prehľad FHWA (HIF-15-018) uvádza pre vonkajšiu koróziu 1 až 5 rokov. Rozsahy sa prekrývajú, takže ani čas nerozhodne o príčine.

Ettringit v jadre betónu nie je dôkaz. FHWA uvádza, že v poškodenom betóne sú ložiská ettringitu vo vzduchových póroch a trhlinách veľmi bežné. Ettringit môže byť skôr príznakom pohybu vody než príčinou poškodenia. FHWA žiada, aby petrograf rozrezal jadro a posúdil, či ettringit spôsobil praskanie, alebo len vyplnil trhliny, ktoré vytvoril iný mechanizmus. FHWA tiež uvádza, že jadrá majú pokrývať celú hrúbku betónu. Ako rámec petrografického skúmania označuje normu ASTM C856. Pod mikroskopom sa DEF prejavuje ako medzery v tmeli okolo zŕn kameniva, zodpovedajúce ich veľkosti.

Triedy expozície podľa ACI 318

ACI 318-19 zaraďuje expozíciu síranom do štyroch tried podľa vo vode rozpustného síranu v pôde alebo vo vode. Pôdna hodnota je v percentách hmotnosti a pochádza z normy ASTM C1580. Hodnota vody je v ppm a pochádza z noriem ASTM D516 alebo ASTM D4130. Morská voda je S1.

MS a HS označujú typy zmesového cementu so strednou a vysokou odolnosťou voči síranom. S3 má dve možnosti. Prvá je 0,45 a 4 500 psi s pucolánom alebo struskou. Druhá je 0,40 a 5 000 psi len s typom V. Prísada chloridu vápenatého nie je v triedach S2 a S3 povolená. Cement typu I alebo typu III môže slúžiť v S1, ak jeho obsah C3A je pod 8 percent. Môže slúžiť v S2, ak jeho obsah C3A je pod 5 percent.

Prevencia

FHWA sa zameriava na dva kroky. Prvým je znížiť priepustnosť betónu nižším w/cm a prijatými doplnkovými cementovými materiálmi (SCM). Druhým je použiť cementový systém odolný voči síranom. FHWA uvádza portlandský cement typu II alebo typu V a zmesový cement so strednou alebo vysokou odolnosťou voči síranom, pričom sa pridáva pucolán alebo struskový cement. FHWA ako účinné SCM uvádza aj lietavý popol triedy F a struskový cement. Podľa FHWA w/cm pod 0,45 pomáha proti vonkajšiemu napadnutiu.

Zmes sa môže preukázať aj skúškou. ACI stanovuje limity rozpínania malty pri skúške ASTM C1012, pri ktorej sa malta vystaví roztoku síranu:

• S1: 0,10 percenta po 6 mesiacoch.
• S2: 0,05 percenta po 6 mesiacoch, alebo 0,10 percenta po 12 mesiacoch, ak sa limit po 6 mesiacoch nesplní.
• S3, možnosť 1: 0,10 percenta po 18 mesiacoch.

Tabuľka FHWA tiež dovoľuje, aby cement akéhokoľvek typu slúžil v S2 namiesto typu V. Jeho rozpínanie po 14 dňoch podľa ASTM C452 nesmie byť väčšie ako 0,040 percenta.

Letiskové vozovky

FHWA uvádza, že síranová korózia nie je pre vozovky bežným problémom. Je to problém pre betón v kontakte s pôdou v mnohých oblastiach západných Spojených štátov. Ak skúška pôdy ukáže triedu S1 až S3, zmierňujúce opatrenie je potrebné.

FAA AC 150/5320-6G uvádza, že projektant má skontrolovať rozpustný síran v pôde a v zámesovej vode pred chemickou stabilizáciou vápnom alebo cementom. Pri hodnotách nad 3 000 ppm radí byť opatrný a nad 5 000 ppm kontrolovať rozpínanie. Stabilizačné položky AC 150/5370-10H (P-154 až P-157) nesú to isté upozornenie. Inžinier kontroluje rozpustný síran počas návrhu, aby zistil, či môže stabilizácia zreagovať a spôsobiť zdvih. Položka P-219 nedovoľuje použiť recyklovaný podklad z betónového kameniva v lokalitách s pôdou s vysokým obsahom síranov (najviac 0,5 percenta).

Pre samotnú dosku FAA AC 150/5370-10H uvádza v položke P-501, že obsah cementových spojív má byť aspoň 517 libier na kubický yard tam, kde sa očakáva silná expozícia zamŕzaniu a rozmrazovaniu, soliam na odmrazovanie alebo síranom. Inžinier určí najvyšší w/cm 0,45 alebo nižšiu hodnotu pri expozícii síranom. Pri podklade z chudého betónu (položka P-306) uvádza, že sa má určiť cement typu II, ak zvolené kamenivo má históriu reakcie so síranmi.

Pre inšpektora je síranová korózia jednou z možných príčin praskania škár a povrchu betónu. Dronová kontrola zaznamenáva, kde sa praskanie nachádza. Príčinu však musí potvrdiť skúška obsahu síranu v pôde alebo vo vode a laboratórne skúmanie jadra.