Príčiny porúch betónových nádrží bioplynovej stanice

• Foto

NÁDRŽE BIOPLYNOVÝCH STANÍC

V závislosti od použitej vstupnej suroviny na výrobu bioplynu sa môžu funkcie nádrží odlišovať. Jedná sa najčastejšie o tieto typy nádrží:

• homogenizačné na zber a premiešanie vstupnej suroviny (živočíšneho alebo rastlinného pôvodu),
• primárneho a sekundárneho fermentora so stropom alebo pri skladovaní bioplynu s plynotesným fóliovým krytom,
• koncového skladu pre fermentovaný substrát.

Nádrže BPS majú z prevádzkových a staticko-konštruktívnych dôvodov najčastejšie valcovitý tvar. Plášť železobetónovej nádrže má výšku 6 až 9 m, priemer do 40 m a hrúbku 0,25 až 0,30 m. Na zhotovenie valcových nádrží z monolitického betónu sa používa veľkoplošné stenové kruhové debnenie [3]. Vo vysokých, úzkych stenách pôsobí pomerne veľký tlak čerstvého betónu a problematické je aj ukladanie a zhutňovanie betónu zhora. Vhodné je preto plnenie debnenia samozhutniteľným betónom odspodu. Tento spôsob betónovania má viaceré výhody (vylúčenie zhutňovania a segregácie čerstvého betónu, dokonalejšie obalenie výstuže, kvalitnejší povrch stien). Rýchlosť betonáže sa môže kontrolovať a usmerňovať monitorovaním ťahových síl v kotvách debnenia.

Pri návrhu nádrže je treba zohľadniť viaceré priame i nepriame zaťaženia a účinky. Navyše sú nádrže vystavané environmentálnemu zaťaženiu (fyzikálne, chemické a biologické účinky prostredia), ktoré môže ohroziť ich odolnosť, používateľnosť a trvanlivosť.

Nádrž primárneho a sekundárneho fermentora

Fermentor je srdcom bioplynovej stanice, kde za anaeróbnych podmienok prebieha rozklad organických látok. Fermentoru treba venovať zvláštnu pozornosť, lebo pri fermentácii dochádza k uvoľňovaniu agresívnych plynov – amoniaku a sírovodíka, ktoré vyvolávajú riziko výbuchu a urýchľujú koróziu betónu a v ňom uloženej výstuže. Optimálna teplota pre fermentáciu sa pohybuje medzi 35 až 55 °C. Na udržanie tejto teploty má plášť fermentora vonkajšiu tepelnú izoláciu, ktorú nemožno považovať za vrstvu chrániacu betón.

Ak premena biologicky rozložiteľného odpadu prebieha bez prístupu vzduchu (anaeróbna digescia) dochádza k vzniku bioplynu. Ten sa skladá predovšetkým z metánu a oxidu uhličitého.

Všeobecne platí, že kvapalná fáza náplne fermentora má menšiu agresívnosť biogénnej kyseliny na betón ako plynná fáza. Za určitých okolností dochádza k tvorbe kyseliny sírovej, kyseliny uhličitej, sírniku železnatého a vo vode rozpustných solí. Zároveň prebieha karbonatácia betónu. Pôsobením uvedených účinkov dochádza k degradácií betónu (pokles pH, nárast plynopriepustnosti, korózia a zmenšovanie hrúbky betónovej krycej vrstvy), čo môže spôsobiť aj depasiváciu a koróziu betonárskej výstuže [4].

Odpadový substrát z rastlinnej, resp. živočíšnej výroby a produkty ich kvasenia predstavujú v kvapalnej fáze pre betón chemicky slabo, resp. stredne agresívne prostredie (XA1, resp. XA2), s pH od 6 do 8 pri jednostupňových, resp. od 4,5 do 6,3 pri dvojstupňových reaktoroch.

Nad substrátom vznikajúci bioplyn obsahuje sírovodík (H2S). Oxidačné (sírne) baktérie za prítomnosti kyslíka oxidujú sírovodík na biogénnu kyselinu sírovú (H₂SO₄). Tá vytvára silno agresívne chemické prostredie (XA3) s teoretickou hodnotou pH ≥ 1,0, čo významne urýchľuje koróziu betónu a výstuže.

To znamená, že v oblasti anaeróbneho kvasenia substrátu z rastlinnej výroby (XA1) sa odporúča trieda pevnosti betónu ≥ C25/30, kým v oblasti skladovania plynu (XA3) trieda ≥ C35/45. V prípade použitia vnútornej ochrannej výstelky je možné použiť betón nižšej triedy.

Ostatné nádrže BPS

Pri špecifikácií betónu nádrží na zber, skladovanie a premiešanie vstupných surovín, ako aj fermentovaného substrátu možno postupovať podobne, ako pre nádrže fermentora. Pri stanovení stupňov agresívnosti prostredia sa zohľadní najmä druh vstupnej, resp. výstupnej suroviny a technologický proces prebiehajúci v nádrži. V otvorených nádržiach a bunkroch je siláž navyše vystavená vonkajšej poveternosti. Pri daždi dochádza k vylúhovaniu fermentovaných organických kyselín zo siláže, ktorých agresívnosť narastá. Zmrazovacie a rozmrazovacie cykly zosilňujú účinok zriedených fermentačných kyselín.

Pre steny otvorených nádrží, resp. bunkrov v kontakte so silážou platia na špecifikáciu betónu tieto stupne prostredia XC4, XF1 a XA3. Tomu zodpovedá odporúčaná pevnostná trieda betónu ≥ C35/45.

Pri návrhu nádrží koncových skladov so stropom alebo s fóliovým krytom na uskladnenie plynu sa použije špecifikácia betónu ako pre fermentory [5].

PRÍČINY VZNIKU DELIACICH TRHLÍN

Rozlišujú sa dve hlavné príčiny vzniku a rozvoja trhlín v betónových konštrukciách:

• od účinku priamych zaťažení vznikajú statické trhliny,
• od účinku nepriamych zaťažení (objemových zmien) vznikajú technologické trhliny.

Od statických účinkov tlaku náplne alebo zásypu nádrže vzniká v základových doskách a stenách kombinácia ohybových momentov a normálových síl. Tie v základových doskách a stenách kvádrových nádrží väčšinou vyvolávajú čiastočné trhliny. Ako primárnu príčinu vzniku deliacich trhlín možno označiť pretvárne účinky objemových zmien (teplotné rozdiely a zmrašťovanie betónu), v stenách valcových nádrží aj účinok ťahovej normálovej sily od hydrostatického tlaku.

Obmedzenie tvorby a rozvoja zvislých deliacich trhlín v stene možno dosiahnuť:

• rozdelením steny pracovnými škárami na menšie betónovacie úseky, resp. vytvorením nepravých škár,
• predpätím steny,
• technologickými opatreniami na zníženie hydratačnej teploty betónu,
• kontrolou šírky trhlín betonárskou výstužou.

Návrh a overenie výstuže nádrže na účinky priameho zaťaženia pre MSÚ sa riadi STN EN 1992-1-1. Navrhnutá výstuž musí spĺňať podmienky spoľahlivosti a minimálneho stupňa vystuženia. Usporiadanie výstuže musí vyhovovať konštrukčným zásadám a umožniť bezproblémové uloženie a zhutnenie čerstvého betónu v zmysle STN EN 13670.

Železobetónové prvky vodonepriepustných konštrukcií sú spravidla vystužené betonárskou výstužou v tvare pravouhlej siete pri oboch povrchoch. Ak má výstuž limitovať šírku trhlín postupuje sa pri návrhu výstuže a kontrole šírky trhlín podľa STN EN 1992-1-1 nasledovne:

• návrh minimálnej plochy výstuže na obmedzenie šírky trhlín,
• overenie navrhnutej výstuže sa robí kontrolou šírky trhlín:
  • bez priameho výpočtu alebo,
  • výpočtom šírky trhlín.

Návrh výstuže na kontrolu šírky trhlín bez priameho výpočtu, aj s priamym výpočtom sa podrobne analyzuje v článkoch [6], [7]. Návrh výstuže, ako aj výpočet šírky trhlín je založený na viacerých predpokladoch a zjednodušeniach. Hlavné príčiny rozdielov medzi vypočítanou a skutočnou šírkou trhlín sú: zjednodušenia výpočtového modelu, rozptyl materiálových vlastností a kvalita zhotovenia. 

Vychádzajúc z nesprávneho predpokladu, že v stenách obdĺžnikových nádrží je nosná zvislá výstuž sa návrh vodorovnej výstuže stien často zanedbáva. Najmä pri návrhu nádrží treba zohľadniť, že okrem priameho zaťaženia pôsobia na nosné prvky aj nepriame a environmentálne zaťaženia. Úlohou vodorovnej výstuže v stene nádrže je aj kontrolovať šírku trhlín od nepriameho zaťaženia (objemové zmeny betónu). Väčšina v stenách nádrží zaznamenaných presakujúcich zvislých deliacich trhlín je dôsledok nedostatočnej vodorovnej výstuže v kombinácií so zanedbaním technologických opatrení na zníženie hydratačnej teploty.

VPLYV TRHLÍN NA TRVANLIVOSŤ NÁDRŽÍ

Závažnosť výskytu presakujúcich trhlín z hľadiska spoľahlivosti nádrží BPS možno dokumentovať porušením stien nádrží, ktoré boli zaznamenané na nových, resp. nedávno sprevádzkovaných nádržiach. Dno a steny nádrže sa spravidla navrhujú na limitnú šírku trhlín 0,2 mm [8]. Aj keď sa podarí dodržať túto šírku trhlín, je používateľnosť a trvanlivosť nádrže ohrozená. To sa týka predovšetkým nádrží bez izolácie na vnútornom povrchu, ale aj prípadov ak vzniknú trhliny aj na izolácií.

Extrémne, až havarijné stavy vznikajú ak poddimenzovaná vodorovná výstuž steny sa dostane do plastického stavu, čo má za následok nadmerné šírky trhlín – obr. 2a alebo roztrhnutie výstuže – obr. 2b. Namiesto bielych výluhov hydroxidu vápenatého, ktoré sa prejavujú na vonkajšom povrchu nádrže naplnenej vodou vznikajú na stene fermentora hnedé až čierne výluhy digestátu (vyhnitý biokal).

Pri nádržiach vystavených stupňu prostredia XA1 až XA2 sa možno spoliehať na primárne ochranné opatrenia a vodo a plynonepriepustnosť betónu iba v prípadoch, ak v betóne nevzniknú trhliny, resp. sa použijú sekundárne ochranné opatrenia. Zabránenie vzniku trhlín v stenách valcových nádrží je prakticky možné iba pri plnom predpätí stien [9]. V nádržiach so stupňom prostredia XA3 treba kombinovať primárne a sekundárne ochranné opatrenia aj u predpätých nádrží.

ZÁVER

Príspevok poskytuje prehľad o stupňoch agresívnosti prostredia betónových nádrží bioplynových staníc. Trvanlivosť alebo tesniaca funkcia kvalitného betónu môžu byť porušené trhlinami. Ani vodonepriepustnosť kvalitných betónov, resp. dosiahnutie projektovanej šírky trhlín (< 0,2 mm) nezabráni prieniku agresívnych kvapalín do betónu a k výstuži cez deliace trhliny v nádržiach vystavených prostrediu XA1 a XA2. V tomto prípade treba urobiť opatrenia na zabránenie vzniku trhlín (predpätie), prípadne kombinovať primárnu i sekundárnu ochranu betónu. V prostredí XA3 sa špeciálne pružné náterové systémy alebo fólie na vnútorné povrchy betónu predpisujú aj v prípade, že sa jedná o nádrže bez trhlín (predpätý betón). Vzhľadom na problémy s trhlinami a agresívnosť prostredia je použitie sekundárnej ochrany účinný prostriedok na zabezpečenie používateľnosti a trvanlivosti betónových nádrží BPS.

Príspevok vznikol za podpory výskumného projektu VEGA 1/0583/15 „Analýza spoľahlivostných rizík navrhovania a zhotovovania betónových konštrukcií“.

LITERATÚRA:
[1] Smernica pre vodonepriepustné betónové konštrukcie – biele vane (SmeBV). SKSI, 2012, 67 str.
[2] TP 04 Vodonepropustné betonové konstrukce. ČBS, 2015, 93 str.
[3] MILICH, J., KOCOUREK, R.: Výstavba kruhových monolitických železobetonových nádrží, Beton TKS, č. 3/2012, str. 32 – 35
[4] KÖNIG, A., RASCH, S., NEUMANN, T., DEHN, F.: Betone für biogenen Säureangriff im Landwirtschaftsbau. Beton- und Stahlbetonbau 105 (2010), Heft 11, S. 714 – 724
[5] BOSE, T.: Landwirtschaftliches Bauen-Chemische Angriffe bei landwirtschaftlichen Betonbauten. 8. Symposium Baustoffe und Bauwerksunterhaltung. Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 17. März 2011, S. 59 – 71
[6] ŠMEJKAL, J., PROCHÁZKA, J.: Výpočet šírky trhlin – 1. část. Beton TKS, č. 6/2014, str. 68 – 76
[7] ŠMEJKAL, J., PROCHÁZKA, J.: Výpočet šírky trhlin – 2. část. Beton TKS, č. 1/2015, str. 72 – 78
[8] SIEBERT, B.: Betonbau bei chemischem Angriff – neue DBVArbeitshilfen. Beton- und Stahlbetonbau 110 (2015), Heft 7, S. 489 – 494
[9] BILČÍK, J, DOHNÁLEK, J.: Analýza, diagnostika a sanácia trhlín v stenách betónových nádrží. Beton TKS, č. 3/2015, str. 26 – 31

Causes of failures in concrete tanks for biogas plant
There are many situations where concrete is highly stressed by the environmental actions, which may have a direct impact on the durability of structures. The paper identifies the exposure of biogas tanks and analyses the most common errors and failures and the ways to avoid them.

Autoři

• prof. Ing. Bilčík Juraj Ph.D.
• doc. Ing. Šoltész Július