Rekonstrukce průmyslových staveb - vliv karbonatace betonu na životnost konstrukce

Abstract

Karbonatace betonu je důležitý chemický a fyzikální jev, který zasahuje veškeré nosné železobetonové konstrukce staveb. Základní podstatou celého tohoto jevu je to, že v betonu dochází působením vzdušného oxidu uhličitého ke karbonataci cementového tmele a snižování jeho alkality. Snížení alkality pod hodnotu 9,6 již nezajišťuje v betonu ochranu nosné výztuže proti korozi a výztuž může korodovat. To negativně ovlivňuje nosnost, spolehlivost a životnost vyztužených betonových konstrukcí. Toto je základní nebezpečí karbonatace betonu. Práce sestává ze dvou základních částí: první část shromažďuje a rozebírá údaje a teoretické výpočty o karbonataci betonu získané z odborné literatury a druhá část dokumentuje dosažené výsledky výzkumu. Výzkum vychází ze zjišťování hloubky karbonatace na 52 stavbách, což představuje výsledky z 307 měření uvnitř budov a ze 65 měření na vnějších objektech. Výsledky změřených hloubek karbonatace byly porovnávány s teoretickými metodami výpočtu průběhu a hloubky karbonatace v čase. Ukázána je závislost na provedení konstrukce z betonů v dnešním značení od C8/10 po C28/35, kde výrazný až dvojnásobný rozdíl byl v hloubce karbonatace mezi betony C16/20 a C20/2. Zjištěné a vypočtené hloubky karbonatace byly porovnány s hodnotami krytí výztuže dle původní normy ČSN 73 1201, jejích novel a současných předpisů podle Eurokodu 2. Podstatný a zásadní vliv na rozvoje karbonatace v betonu má podle údajů vlhké prostředí s 65 až 96% RH, které je katalyzátorem rozvoje karbonizační reakce. U konstrukcí osazených ve vlhkosti nad 55%RH lze na základě porovnání grafů vlivu vlhkosti očekávat nárůst karbonatace 2,4 krát a pro vlhkost 85% RH až 3,167 krát proti suchému prostředí s vlhkostí 35 %RH. Zjištění na konkrétních konstrukcích prokázalo pro 50 let staré vzorky úbytek plochy nosné výztuže o cca 10 %, ve vlhkém prostředí o 19 %. Pro vybrané vzorky byla zjištěna pórovitost betonu metodami rtuťové porozimetrie 17% až 20 % pro betony C12/15, 16,22% pro C16/20 a 9 ,75% pro beton C20/25. V práci jsou koncepčně nastíněny postupy pro opravy konstrukcí narušených karbonatací betonu a doporučení pro stávající a nové železobetonové konstrukce. Karbonatace je závislá především na rychlosti difůze CO2 do struktury betonového pojiva. Z výzkumu vyplývá, že beton musí být málo pórovitý a dráha plynu od líce prvku k výztuži musí být co nejdelší. Návrh konstrukce výztuže musí vycházet z předpokládané vlhkosti a agresivitě vnějšího prostředí. Vhodného řešení lze dosáhnout nejlépe užitou vyšší třídou betonu, nízkým vodním součinitelem, řádným zhutněním a ošetřováním betonu a zvýšenou tloušťkou krytí výztuže. A to přes současné normativní požadavky dle ČSN EN 1992-1-1 a EN 206 Z3, považované za minimální. Použití třídy C16/20 pro vnitřní konstrukce v prostředí XC1 je třeba nahradit třídami vyššími, alespoň třídou C20/25. Zásadní rozhodnutí je nutné učinit při návrhu nové železobetonové konstrukce. Standardní návrhová životnost pro běžné konstrukce pozemních staveb dnes je 50 let v třídě S4 podle ČSN EN 1992-1-1. Návrh na vyšší životnost má u konstrukcí snížit vliv a důsledky karbonatace betonu.

Carbonation of concrete is an important chemical and physical phenomenon that affects the all reinforced concrete structures. The basic essence of this whole phenomenon is, that the carbonation of concrete makes changes in alkalinity of concrete. Carbonation causes carbon dioxide, which reacts with the cement in concrete. The alkalinity is reduced and it reduces (under ph 9,6) the protection of reinforcement in the concrete against corrosion. Therefore, reinforcement can corrode. This negatively affect the capacity and reliability of reinforced concrete structures and brings reduced overall quality and durability of construction. This is the basic danger of carbonation of concrete. After the first chapter this work describes and summarizes in the its part the known facts on the carbonation of concrete obtained from research and facts described in the relevant literature. In the next part the depth of carbonation achieved in specific cases of reinforced concrete structures is documented. Carbonation of concrete on the collected samples from 52 buildings (307 internal and 65 external places) is monitored there. The dependence on the location and quality of various concrete structures in today's marking of the C8/10 and C25/30 is dealt. The results were compared with theoretical methods of calculation of the depth of carbonation in time. Selected specimens were examined by measuring the porosity of concrete by method of mercury porosimetry. With the view of doing it, samples from low grades of concrete (C12/15), medium (C16/20, C20/25) and the higher classes (C20/25 and above) were chosen. At the end of the work the results of research and measurement are summarized and evaluated. The results of both approaches to determine the depth of carbonation in each class of concrete were compared. A significant difference in samples of older structures in the depth of carbonation of concrete C16/20 and C20/25 was found. Concrete class C16/20 showed significantly higher values of carbonation depth (twice as big). Another factor influencing the development of carbonation of concrete is moisture environment. For construction with the moisture of 55% RH can be expected to increase of depth of carbonation 2.4 times and with the moisture of 85% RH up to 3.167 times. The work briefly outlines the procedures for the repair of damaged concrete carbonation and recommendations for existing and new concrete construction. It is stated that the use of higher grades of concrete, low water - cement ratio and a good concrete cover will have at better quality for the structure than are by the normatively determined values. Carbonation is primarily dependent on the speed of diffusion of CO2 into the structure of the concrete. Concrete must be less porous. Gas path from the front element of reinforcement must be the longest. It shall conform to the nature and aggressiveness of the environment. This can be done best: use of a higher class of concrete, llow water-cement ratio, the proper compaction of concrete and increased thickness of concrete cover. And the best despite the current minimal requirements in the present according to Eurocode 2 (EN 1992-1-1) and standards for concrete (EN 206-1 Z3). The class C16/20 for internal structures should be replaced by a higher class, at least C20/25. Fundamental decisions must be taken in the design of new concrete structures. Standard for the design life of buildings is now 50 years in the S4 class according to EN 1992-1-1. The structures shouldn´t be at all designed with a higher class of life for economic reasons and reduce the influence of carbonation.