Před použitím povlakované výztuže je z hlediska statiky staveb nutné diskutovat její soudržnost s betonem. Ačkoli je již obecně přijímáno, že výztuže s obvyklými epoxidovými povlaky mají sníženou soudržnost s betonem (vlivem elastické deformace povlaku při zatěžování), diskuze ohledně soudržnosti žárově zinkované výztuže dodnes trvají [1,2].

Výhody technologie

Mezi výhody spjaté s použitím procesu žárového zinkovaní výztužných konstrukčních prvků betonu patří zvýšená odolnost povlaku vůči karbonataci betonu a zvýšená odolnost vůči působení chloridů (kritická koncentrace chloridů pro zinek je 2 – 4 x vyšší oproti uhlíkové oceli). Zásadní problém spojený s užitím zinkované oceli může být její koroze v aktivním stavu nepřijatelnou korozní rychlostí v čerstvém betonu (pórový roztok často dosahuje pH>13,0) za vývoje vodíku. Bublinky unikajícího plynu ovlivňují mikrostrukturu (zvyšují pórovitost) cementového tmelu na fázovém rozhraní v počátečním stádiu tuhnutí betonu. Pozdější zapasivování zinkované oceli nemá na vývoj mikrostruktury cementového tmelu vliv.

Obvykle se na základě výsledků elektrochemických experimentů (měření časového průběhu samovolného korozního potenciálu Ekor a polarizačního odporu Rp) v modelových pórových roztocích betonu usuzuje, že povlak žárového zinku koroduje v aktivním stavu. V prostředí o pH 12,6 (simulující pórový roztok cementu bez obsahu oxidů alkalických kovů) je zinkový povlak schopen se pasivovat do několika dnů; v prostředích o pH 13,0 a 13,5 k jeho pasivaci nedochází ani po šesti dnech expozice [1,3]. Zastánci žárově zinkované výztuže naopak tvrdí, že v prostředí čerstvého betonu se zinkovaná ocel pasivuje rychle až do pH 13,3 velice kompaktní vrstvou Ca[Zn(OH)3]2.2H2O [4,5,6]. Jiní připouštějí negativní vliv vodíku na vývoj mikrostruktury v počátcích tuhnutí betonu, ovšem namítají, že vzniklé póry se v průběhu tvrdnutí betonu zaplňují korozními produkty zinku [Zn(OH)2] [7]. Jiní autoři docházejí k opačným závěrům a nesledují utěsňování pórů korozními produkty zinku ani po čtyřech letech zrání betonu [8].

Na základě tohoto předpokladu vysvětluje neodborná komerční literatura (např. [9]) zvýšenou soudržnost zinkované výztuže s betonem po delších časech zrání betonu.  Výsledkům mnohých zkoušek soudržnosti z neodborné komerční literatury chybí objektivnost. Důvodem je především neúplná specifikace experimentu a vnějších faktorů majících vliv na soudržnost výztuže s betonem (často chybí volba a bližší popis uspořádání zkoušky soudržnosti, specifikace normativu zkoušení, charakteristika případných vázacích prvků zkoušených vložek a stav povrchu, metalografická analýza povlaku žárového zinku a složení podkladové oceli, stanovení složení použitého cementu, často není ani definován vodní součinitel betonové směsi, obvykle nebývají definovány ani mechanické vlastnosti vytvrdlého betonu, popis způsobu jeho uložení a ošetřování, teplota vzduchu v průběhu realizace zkoušek soudržnosti apod.) V případě literatury [9] není blíže specifikován stav povrchu zkoušených vložek a případná přítomnost vázacích prvků, mechanické vlastnosti a složení betonu, také vodní součinitel betonové směsi, metalografická analýza zinkového povlaku a dokonce ani doba zrání betonových zkušebních vzorků.

Soudržnost výztužných vložek a betonu

S ohledem na soudržnost zinkované výztuže s betonem je diskutován i negativní vliv difúze zinečnatanů do cementového tmelu. Oxid zinečnatý a zinečnatany podobně jako oxid olovnatý zpomalují proces tuhnutí betonu a rovněž zhoršují mechanické vlastnosti betonu v kontaminované oblasti [10 – 14].

Soudržnost výztužných vložek a betonu je chápána jako součet všech faktorů omezujících pohyb vložek při zatěžování konstrukce. Celková soudržnost vložky s betonem je dána adhezí, třením a faktorem provázání (vliv geometrie povrchu, tj. povrchu žebírek, případně vtisků) [15]. Pro objektivní posouzení vlivu koroze žárově zinkované oceli na soudržnost s betonem je nutné zkoušet soudržnost na hladké výztuži. Výsledky těchto zkoušek jsou prosté vlivu mechanických vlastností betonu, způsobených faktorem provázání. V rámci zkoušení soudržnosti výztuže s betonem doporučují normativy dvě uspořádání, tj. „ohybovou zkoušku“ (zkouška soudržnosti na trámcích, stanovení soudržnosti na trámcích namáhaných ohybem, beam test apod.) a „vytahovací zkoušku“ (zkouška soudržnosti na krychlíchm, případně hranolech, pull-out test). Uspořádání „ohybové zkoušky“ nezaručuje zobecnění výsledků odstraněním vlivu mechanických vlastností betonu, navíc je velice technologicky a ekonomicky náročné. Naopak, uspořádání „vytahovací zkoušky“ je ekonomicky méně náročné a pokud je zkoušená vložka kotvena v ose betonového vzorku (tj. výztuž nepůsobí v žádném místě kotevní délky na beton tlakem) může poskytnout objektivní výsledky zhodnocující vliv koroze zinkované oceli na soudržnost s betonem [15, 16].

Soudržnost žárově zinkované oceli s betonem byla v minulosti zkoušena a srovnávána se soudržností běžné nelegované oceli. Výsledky zkoušek jsou řazeny podle roku publikace výsledků vzestupně od nejstarších experimentů po současné (tab. 1.). Tabulka zahrnuje použité zkušební metody, okrajově shrnuje povrch zkoušených výztuží a v některých případech uvádí počet zkoušených vzorků. Relevantnost dat je ovšem velice omezená. Kromě výše zmíněných zkreslení objektivnosti je třeba zdůraznit, že v případě použití žebříkové výztuže autoři často blíže nepopisují uspořádání žebírek a necharakterizují jejich vztažnou plochu. Dále často chybí složení a vlastnosti použitých betonů, metalografická analýza povlaků, či analýza složení použitých ocelí. Zásadní problém především starších experimentů je navíc nepřesné zaznamenávání zatěžovací síly a posunu výztuže vlivem zatěžování. Objektivnost starších zkoušek je navíc zkreslena nejasností ve vlastní definici soudržnosti, tj. není jasné, při jakém posunu bylo zatížení odečteno. Tato skutečnost může mít fatální následky při vyhodnocování výsledků soudržnosti především žebříkové výztuže.

Cílem předkládaného příspěvku je objektivně zhodnotit vliv koroze žárově zinkované oceli na soudržnost s betonem. Bylo hodnoceno korozní chování žárově zinkované oceli v modelových pórových roztocích betonu elektrochemickými technikami. Soudržnost žárově zinkované hladké i žebříkové oceli byla hodnocena „vytahovací zkouškou“, část zkoušek provedly akreditované laboratoře. Diskutován je především vliv změny pórovitosti cementového tmelu fázového rozhraní na soudržnost. Pórovitost byla kvantifikována rtuťovou porozimetrií a analýzou obrazu prostřednictvím Image J.

Experimentální část

Pro přípravu pozinkovaných zkušebních vzorků byla volena běžná nelegovaná ocel. Protože hlavním faktorem ovlivňujícím strukturu vyloučeného povlaku je obsah křemíku v oceli (minoritně pak obsah fosforu), bylo analyzováno složení použitých ocelí metodou XRF. V případě plochých vzorků pro elektrochemická měření je složení oceli zobrazeno v tab. 2. Následuje složení oceli později zinkované žebírkové výztuže (tab. 3), oceli hladkých prutů (tab. 4), a oceli hladkých trubek pro modifikovanou zkoušku soudržnosti (tab. 5).

Ploché vzorky, vzorky hladkých prutů a hladkých trubek byly žárově zinkovány ponorem v lázni s teplotou 450 ± 10 °C. Před vlastním zinkováním bylo provedeno odmaštění v acetonu, posléze následovala semikontinuální předúprava v běžném provozu žárového zinkování zahrnující moření v kyselině chlorovodíkové, dezoxidace v tavidlech solí a vlastní žárové zinkování. Žebírková výztuž byla zinkována v kontinuální lince zahrnující alkalické odmaštění, moření v HCl, dezoxidaci v taveninách solí a vlastní žárové zinkování ponorem při teplotě 470 °C.

Soudržnost obou druhů žebírkové výztuže (žárově zinkované a nepovlakované) byla ověřována „vytahovací zkouškou“ dle ČSN 73 1328 – Stanovení soudržnosti oceli s betonem. V obou případech byla použita stejná počáteční plocha vázacích prvků (žebírka uspořádána proti sobě ve dvou řadách, jejich minimální vztažná plocha fr,min je dle normy [17] 0,035). Jmenovitý průměr výztuží byl 14 mm. Žebírková výztuž byla kotvena do osy betonového vzorku pomocí plastové izolace (viz obr. 2). Pro měření posunu výztuže byl použit mechanický úchylkoměr s přesností 0,001 mm DIGI 160 a pro vlastní zatěžování byl použit trhací stroj ZDM 10 WPM Lipsko. Pro přípravu vzorků bylo použito betonu pevnostní třídy C40/50 s vodním součinitelem w/ c = 0,5. Doba zrání betonu byla 28 dní ve vlhké atmosféře o relativní vlhkosti 95 %. Uspořádání experiment ukazuje obr. 4. Zkoušeny byly vždy tři paralelní vzorky ve dvou sériích.Kotevní délka byla 150 mm pro každou výztuž. Zatěžování bylo plynulé. Zkoušení bylo realizováno akreditovanou společností TZÚS-Brno.

Zkoušení soudržnosti hladkých zinkovaných a nepovlakovaných ocelových prutů probíhalo na zkušebním stroji INSTRON 3000, snímání posunu výztuže bylo realizováno úchylkoměrem LVDT B20, opět byla zvolena „vytahovací zkouška“. Zatěžování probíhalo stupňovitě po 10 stupních. Každý stupeň zahrnoval zatěžovací sílu 2,5 kN a výdrž mezi stupni byla 30 s. Mezi jednotlivými stupni se zatěžování zvyšovalo plynule rychlostí 0,125 kN/s. Po 10 stupni zatěžování rostlo plynule bez dalších výdrží rychlostí 0,125 kN/s.

Pro zkušební vzorky byly vytvořeny dvě záměsi. Pro obě záměsi byla zkoušena krychlová pevnost. Na základě krychlové pevnosti byl beton první záměsi zařazen do pevnostní třídy C40/50 a druhé záměsi do třídy C45/55. Pro obě záměsi byl použit cement CEM II/B-S 32,5 R Čížkovice. Vodní součinitel betonové směsi byl w/c = 0,5. Celková kotevní délka všech prutů byla 150 mm. Kotvení výztuže do osy krychlových vzorků bylo realizováno zkříženými prkny s otvory zasazenými na vrchol a dno formy. Testovány byly dvě sady prutů po třech paralelních vzorcích, tj. každá skupina pro jednu záměs. Celková doba zrání betonových vzorků byla 28 dnů ve vlhké atmosféře s relativní vlhkosti 95 %. Uspořádání experimentu ukazuje obr. 5. Zkoušení bylo realizováno v akreditované laboratoři Kloknerova ústavu při ČVUT Praha.

Modifikovaná vytlačovací zkouška byla realizována v Ústavu kovových materiálů a korozního inženýrství na VŠCHT Praha na zatěžovacím zařízení INSTRON 5882. Zkoušeny byly nepovlakované trubky, trubky žárově zinkované a tyče čistého zinku v litém stavu. Celková kotevní délka profilů byla 100 mm, s jmenovitým průměrem 15 mm. Jednotlivé zkušební profily byly ukotveny do válcových plastových těles vyplněných betonem. Ukotvení do osy vzorků bylo zajištěno plastovými víčky. Model zkušebního tělesa je na obr. 6.

Pro přípravu betonu bylo použito suché komerční betonové směsi Baumit B20 s třídou pevnosti C16/20 s vodním součinitelem w/c = 0,5. Zkušební vzorky zrály ve vlhké atmosféře (s relativní vlhkosti 95 %) po dobu 6, 28 dnů a 4 měsíců. Zatěžování probíhalo kontinuálně rychlostí 0,01 mm/s. Uspořádání experimentu je zobrazeno na obr. 7.

Pro vyhodnocení změn pórovitosti na rozhraní kov/cementový tmel bylo využito rtuťové porozimetrie a analýzy obrazu prostřednictvím programu Image J. V obou případech byl odebrán cementový tmel přímo z fázového rozhraní plochých žárově zinkovaných i nepovlakovaných vzorků. Pro srovnání bylo použito i plochých vzorků zinku nízkolegovaných titanem a mědí. Celková doba zrání betonových vzorků byla čtyři měsíce ve vlhké atmosféře s relativní vlhkosti 95 %. V případě analýzy obrazu byl dokumentován vlastní povrch cementového tmelu na mikroskopu OLYMPUS R-76P a následným fitováním v programu Image J. Fitováním předem nasnímaného obrazu rozumíme jeho rozdělení na popředí a pozadí na základě hodnoty jasu jednotlivých obrazových bodů. Body s vyšším jasem tvoří popředí, naopak, body s nižším jasem pozadí. Na základě tohoto mechanismu lze vyhodnotit celkovou plochu pórů k ploše snímaného vzorku. Při rtuťové porozimetrii je vtlačována rtuť do porézní struktury fragmentů cementového tmelu. Na základě změn intruzního objemu je vyhodnocována distribuční křivka rozdělení pórů podle jejich poloměru. Při přípravě vzorků bylo fázové rozhraní rozdrceno. Vhodné úlomky mnohostěnů byly na místech mimo fázové rozhraní lehce obroušeny (brusný papír hrubosti P 1 200) a zalepeny dvousložkovým epoxidovým lepidlem. Cílem bylo zaznamenat distribuci pórů pouze z fázového rozhraní a nikoli pórů a prasklin vzniklých destrukcí betonu a oddrolením kameniva mimo rozhraní. Rtuťová porozimetrie byla realizována na přístroji PoreSizer 9320 Micromeritics.

Výsledky a diskuze

Po šestidenní expozici zinkovaných vzorků v modelových pórových roztocích o pH 12,6 a 13,0 byly zkoumány korozní produkty precipitované na povrchu zinkované oceli. Bylo ověřeno (XRD), že se jedná především o literaturou citovaný dihydrát trihydroxozinečnatanu vápenatého (Ca[Zn(OH)3]2.2H2O), který se ovšem evidentně nepodílí na zapasivování zinkované oceli v alkalickém prostředí za přítomnosti vápenatých kationtů, jak uvádí literatura [5, 6]. S rostoucím pH hrubnou krystaly vyloučeného zinečnatanu (obr. 9, obr. 10) a při pH 13,5 je povrch pokryt spíše Zn(OH)2. V tomto případě tvoří dihydrát trihydroxozinečnatanu vápenatého již minoritní fázi.

Výsledky soudržnosti žebírkové výztuže jsou zhodnoceny na sloupcovém diagramu na obr. 11. Snížená soudržnost na straně zinkované oceli je v tomto případě způsobena spíše vyhlazením žebírek vlivem zinkování, než vlivem změny pórovitosti cementového tmelu na fázovém rozhraní. Jev vyhlazení žebírek vlivem zinkování a snížení plochy vázacích prvků je popsán v [18]. Další příčinou může být relativně malá plocha žebírek s cementovým tmelem zatěžovaná v tahu (proti směru vektoru zatěžování). Při použití žebírkové výztuže jsou výsledky zkresleny mechanickými vlastnostmi betonu. K úplnému vytažení výztuže z betonu dochází až po překročení smykové pevnosti betonu [19].

Na základě neúplně objektivních výsledků zkoušek soudržnosti byla realizována modifikovaná vytlačovací zkouška soudržnosti. Výsledky testů soudržnosti po čtyřech měsících zrání betonu jsou zhodnoceny na obr. 14. Z výsledků je zřejmé, že vlivem koroze zinkované oceli a zinku dochází k snížení soudržnosti s betonem i ke snížení celkové síly potřebné k vytažení zinkových tyčí a pozinkovaných profilů.

Vyhodnocení obrazové analýzy (obr. 15) dokazuje souvislost mezi soudržností a celkovou plochou ústí pórů. Ovšem v rámci diskuze lze přiznat určitý vliv zinečnatanů na degradaci mechanických vlastností úzkého pásu cementového tmelu fázového rozhraní [12]. Tato skutečnost nebyla v této práci ověřována. Vizuální zhodnocení pórovitosti cementového tmelu po čtyřech měsících zrání betonu z různých fázových rozhraní je zobrazeno na obr. 16 – 21.

Rovněž výsledky distribuce pórů získané prostřednictvím rtuťové porozimetrie (obr. 22 a obr. 23) dokazují, že vlivem vylučování vodíku dochází k zvýšení pórovitosti i objemu vzniklých pórů vlivem vylučovaného vodíku. Ve srovnání s referenčním vzorkem cementového tmelu mimo fázové rozhraní (obr. 22) dochází v případě fázového rozhraní zinkované oceli k navýšení pórovitosti především v oblasti poloměru pórů 1 – 10 μm. Tyto výsledky jsou v souladu s literaturou [8].

Závěr

S ohledem na kompendium získaných dat je zřejmé, že žárově zinkovaná ocel není vhodnou alternativou k běžné výztuži z uhlíkové oceli.

Z výsledků elektrochemických měření je zřejmé, že v modelovém pórovém roztoku o pH 12,6 (simulující pH čerstvého betonu bez přítomnosti oxidů alkalických kovů) koroduje žárově zinkovaná ocel v aktivním stavu za vývoje vodíku. Pro běžné cementy s obsahem oxidů alkalických kovů bude tedy koroze zinkované oceli vždy doprovázena vývojem vodíku.

Vylučování vodíku v počátku tuhnutí betonu se negativně projevuje na pórovitosti cementového tmelu na fázovém rozhraní. V práci není sledováno výrazné zaplnění vzniklých pórů korozními produkty zinku ani po čtyřech měsících zrání betonu.

Vznik porézní struktury má přímý vliv na soudržnost zinkované oceli s betonem, což se projeví snazším počátečním posunem zinkované oceli vlivem rostoucího zatěžování. Pro objektivní zhodnocení vlivu koroze zinkované oceli na soudržnost s betonem je důležité testovat hladkou výztuž. Snížená soudržnost žebírkové žárově zinkované výztuže je spíše způsobena vyhlazením žebírek vlivem povrchové úpravy, než změnami mikrostruktury okolního cementového tmelu.

Na závěr prezentace jsou krátce zhodnoceny možnosti ochrany zinkované oceli s potenciálem omezení její počáteční koroze v aktivním stavu v prostředí čerstvého betonu. Diskutována je rovněž jejich technologická a ekonomická náročnost v obvyklých provozech žárového zinkování.

Poděkování

Tato práce vznikla za finanční podpory projektu GAČR, reg. číslo 14-20856S a projektu TAČR TA 02030164.

Literatura

[1] Pokorný, P.: Vliv koroze zinkované oceli na soudržnost s betonem, Koroze a ochrana materiálu 56, (2012), 119 – 135

[2] Pokorný, P.: Předpokládaná účinnost konverzních povlaků proti aktivaci zinkované oceli v modelových pórových roztocích betonu, Koroze a ochrana materiálu 57, (2013), 105 – 118

[3] Wienerová, K.; Kouřil; M.; Stoulil, J.: Koroze a ochrana zinkované oceli v betonu, Koroze a ochrana materiálu 54, (2010), 148 – 154

[4] Yeomans, S. R.: Galvanized steel reinforcement in concrete. Elsevier, Canberra 2004

[5] Macías, A.; Andrade, C.: Corrosion of galvanized steel reinforcements in alkaline solutions. Part 1: Electrochemical results, British Corrosion Journal 22, (1987) 113 – 118

[6] Macías, A.; Andrade C.: Corrosion of galvanized steel reinforcements in alkaline solutions. Part 2: SEM study and identification of corrosion products, British Corrosion Journal 22, (1987) 119 – 129

[7] Belaïd, F.; Arliguie, G.; François, R.: Porous structure of the ITZ around galvanized and ordinary steel reinforcements, Cement and Concrete Research 31, (2001) 1 561 – 1 566

[8] Rovnaníková, P.; Bayer, P.: Vliv zinku na vývoj mikrostruktury cementového tmelu v čase, konference Asociace Korozní Inženýrů, 2004, s 6

[9] http://www.galvanizeit.org/hot-dip-galvanizing/how-long-does-hdg-last/in- concrete, cit. 28. 1. 2014

[10] Arliguie, G.; Grandet J.: Etude par calorimetrie de l´ hydratation du ciment portland en presence de zinc, Cement and Concrete Research 15, (1985) 825 – 832

[11] Arliguie, G.; Ollivier, J. P.; Grandet, J.: Etude de l´effet retardateur du zinc sur l´ hydratation de la pate de ciment portland, Cement and Concrete Research 15, (1982) 79 – 86

[12] Rovnaníková, P.: Problémy spojené s použitím pozinkované výztuže v betonu, Koroze a ochrana materiálu 46, (2002) 104 – 107

[13] Asavapisit, S.; Fowler, G.; Cheeseman, C. R.: Solution chemistry during cement hydratation in the presence of the metal hydroxide wastes, Cement and Concrete Research 27, (1997) 1 249 – 1 260

[14] Olmo, I. F.; Chacon, E.; Irabien, A.: Influence of lead, zinc, iron (III) and chromium (III) oxides on the setting time and strength development of Portland cement, Cement and Concrete Research 31, (2001) 1 213 – 1 219

[15] ČSN 73 1328: Stanovení soudržnosti oceli s betonem (červen 1972)

[16] Kouřil, M.; Krtička, Š.; Novák, P.: Soudržnost zinkované oceli s betonem, Koroze a ochrana materiálu 51, (2007), 80 – 83

[17] ČSN EN 1992 -1 -1: Navrhování betonových konstrukcí – Část 1.1.: Obecná  pravidla a pravidla pro pozemní stavby (leden 2006)

[18]  http://www.tekna.no/ikbViewer/Content/225411/F40%20-%20Sistonen%20-%202005-09-02%20FINAL.pdf, staženo 2. 6. 2012.

[19]  Procházka, J.; Štěpánek, P.; Krátký, J.; Kohoutková, A.; Vašková, J.: Navrhování betonových konstrukcí 1 – Prvky z prostého železového betonu. ČBS, Praha 2007

[20] Pytlík, P.: Technologie betonu. VUT Brno, Brno 2000

TEXT/FOTO Pokorný Petr, VŠCHT Praha, Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství a kolektiv

Ďalší spoluautori: Kouřil Milan (1); Pavel Simon (2); (1) VŠCHT Praha-Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství, (2) společnost Vladimír Fišer