1

Trvanlivost betonových konstrukcí

Prof. Ing. Jaroslav Procházka, CSc. ČVUT - stavební fakultakatedra betonových konstrukcí

Rešerše - témata:1. Volba materiálů a úpravy detailů z hlediska zvýšení

trvanlivosti2. Postup výstavby z hlediska zvýšení trvanlivosti 3. Návrh konstrukce při snížení rizika mechanismu

porušování 4. Opravy vedoucí ke zvýšení trvanlivosti betonových

konstrukcí 5. Hodnocení stávajících konstrukcí s přihlédnutím

k trvanlivosti – zaměření na zbytkovou životnost konstrukce

6. Nekovové a nekorodující výztuže – druhy, použití, návrh prvk ů, příklady

7. Betonové konstrukce šetrné k životnímu prostředí (zelený beton, vylehčené konstrukce atd.)

8. Životnost betonové konstrukce stanovená s ohledem na korozi výztuže vlivem karbonatace

3

Osnova přednášky

• Trvanlivost materiálu• Struktura betonu• Transportní procesy• Degradace • Koroze výztuže

4

Trvanlivost materiálu

• Trvanlivost – závisí na schopnosti materiálu odolávat narušujícím vlivům nacházejícím se v prostředí, ve kterém je materiál umístěn

• Degradace betonu, koroze výztuže – kvalita a ochrana materiálů, prostředí

• Beton– kvalita: složení, výroba, zhutnění, ošetřování

• Ocel– ochrana výztuže před korozí (krycí vrstva betonu, povlaky výztuže, nekorodující výztuž)

5

- schopnost konstrukce odolávat účinkům prostředí ve kterém se nachází, a to po dobu životnosti konstrukce

Trvanlivost konstrukce

6

Trvanlivost betonové konstrukceje ovlivněna:- návrhem, použitými materiály,

provedením, používáním, údržbou;- druhem a rozdělením pórů v betonu,

náchylnosti výztuže ke korozi;- interakcí konstrukce a prostředí

⇒ mechanismus porušování

7

• Trvanlivost betonu závisína možnostech transportu agresivních látek zatvrdnutým betonem – zejména možnosti pronikání tekutin (vody), plynů (kysličník uhli čitý, kyslík) nebo iontů (chloridy, sulfáty)

• Beton je porézní materiál;pronikání látek se často vystihuje permeabilitou, ale ta přesně nevystihuje všechny možnosti transportních mechanismů – absorpce, difuze, sorpce

8

• Trvanlivost betonu je ovlivněna množstvím, typem a rozměrem existujících pórů

• makropóry - kapilární dutiny průměru cca 50µm (500.10-10m), jsou škodlivé z hlediska pevnosti a nepropustnosti,

• mikropóry - dutiny menší než 50µm, přispívají ke smršťování z vysychání a dotvarováním betonu

9

Porézní struktura betonu• Beton- porézní materiál s prostorově

nestejnorodou strukturou. Např. cementový tmel blízko kameniva (ve styčné tranzitní zóně), má rozdílnou strukturu než ostatní cementový tmel. Částice jemného a hrubého kameniva v betonu mají vlastní porézní systém, který může být zcela odlišný od pórového systému cementového tmelu.

• Vlastnosti betonujsou ovlivněny celkovým obsahem pórů, jejich velikostí (množství malých a velkých pórů) a způsobem jejich rozdělení

10

Póry v betonu mohou se lišit tvarem, rozměrema původem; mohou být:

- póry v kamenivu- póry v hydratované cementové pastě - tmelu

(hydrated cement paste – HCP)- póry spojené se styčnou tranzitní zónou

(interfacial transition zone – ITZ)- kapilární dutiny vypln ěné vodou- dutiny v důsledku nedokonalého zhutnění

11

Póry ve styčné tranzitní zóně –podle Aitcin

AG zrno kameniva, CH portlandit

12

Postup vytváření porézní struktury v hydratujícím cementovém tmelu (HCP) - hydratační proces:Voda mezi jednotlivými cementovými zrny přechází v nasycený roztok, ve kterém probíhá krystalizace a vytváří se tak pevné produkty hydratace (obr. a, b)

Schematický diagram vývoje porézní struktury betonu v HCPa) čerstvý beton b) 7 dní – podle M. Soutsos CD

13

Zbytkové nehydratované částice cementumohou včase hydratovat, pokud se k nim dostane voda (obr. c – d). Zjednodušeně lze říci, že krystalizací se vytváří zhydratovaná pasta (C-S-H gel) vápeno-silikátový hydrát (calcium silicate hydrate C-S-H).

Schematický diagram vývoje porézní struktury betonu v HCPc) 28 dní d) 90 dní – podle M. Soutsos CD

14

• Zhydratovaná cementová pasta(hydrated cement paste - HCP) se vytváří, pokud cement působí s vodou. Při hydrataci se vytváří: vápenosilikátový hydrát (C-S-H) , krystaly hydroxidu vápenatého (Ca(OH)2), hlinitan síranovápenatý (etringit ), malé zbytky nehydratovaného cementu a prostor vyplněný zbytky původní vodyV HCP jsou tedy: (a) póry v gelu(b) kapilární póry(c) dutinové obalové póry(d) vzduchové dutiny

15

Při teplotě kolem 20°C je celistvá cementová matrice tvořena hydroxidem vápenatým (Ca(OH)2), vápenosilikátovým hydrátem (C-S-H) a etringitem.

16

• Póry v H-S-C gelu– rozměr ca 18.10-10 m, neovlivňují pr ůsak vody, neboť jsou menší než 500.10-10 m, mohou však přispívat ke smršťování z vysušování a dotvarování betonu.

• Kapilární póry –prostory nevyplněné pevnými látkami HCP. Jejich objem a velikost závisí na vzdálenosti nehydratovaných cementových částic v čerstvém betonu a na stupni hydratace. Tyto póry mají velký význam z hlediska transportních procesů, ale malý význam z hlediska míry hydratace. Při dobré hydrataci na nízkém vodním součiniteli kapilární póry jsou 100 až 500.10-10m, při vysokém vodním součiniteli v ranné době hydratace mohou dosahovat až 3000 až 5000.10-10

m.

17

• Dutinové obalové póry– uzavřené zřetelné póry, které se vytvářejí na okrajích původních cementových zrn; jejich rozměr je 1 až 15 µm. Při nízkém vodním součiniteli mohou být větší než kapilární póry cca o dva řády.

• Vzduchové dutiny– vznikají při betonáži nebo při použití provzdušňovacích přísad. Kaverny mohou být větší než 3 mm, vzduchové dutiny 50 až 200 µm. Jsou značně větší než kapilární dutiny, hrají významnou roli z hlediska propustnosti betonu.

• Cementový tmel blízko kameniva, tj. ve styčné tranzitní zóně je pórovitější, proto jeho vlastnosti významně ovlivňují propustnost betonu.

18

• Hlavní činitelé ovlivňující porézní strukturu betonu zahrnují vodní součinitel, stupeň hydratace, použití doplňujících cementových materiálů, přítomnost chemických přísad a podmínky ošetřování betonu.Pórovitost HCPa odtud i betonu velmi závisí na vodním součiniteli a stupni hydratace. Obecně, čím vyšší hodnota vodního součinitele při uvažovaném stupni hydratace, tím větší objem větších pórů v HCP.Dále druh použitého cementu a jeho stáří může mít vliv na porézní strukturu betonu.

19

První hydratační produkty – shluky velkých krystalů v prostoru původně zaplněném vodou kolem cementových zrn- tyto hydráty označujeme jako vnější produkt (vznikají mimo hranic hydratujících cementových zrn)Hydratační produkty vznikající reakcemi v pevném stavu uvnitř hranic hydratujících cementových zrn- označujeme jako vnitřní produkt , který je málo krystalický, kompaktnější a má vyšší pevnostVe zhydratované cementové pastě - lom obvykle přes vnější produkt, proto je žádoucí získat mikrostrukturu vnit řního produktu s omezenou tvorbou vnějšího produktu

20

Vnější produkt hydratace -podle Aitcin

Vnit řní produkt hydratace

- podle Aitcin

21

Pórovitost HCP ovlivňuje poměr mezi objemem vody, objemem silikátové fáze, která může hydratovat, a množstvím vzduchu zachyceného během mícháníFéretův vztah:

kde je k konstanta závislá na druhu cementu, c, w, a objemy cementu, vody a vzduchu

Pro růst tlakové pevnosti je nezbytné snížit objem vzduchu, snížit vodní součinitel

2´

c

cf k

c w a = + +

2

´ 1

1cf k

w a

c c

= + +

2

´ 1

1cf k

w

c

= +

22

Při redukci vodního součinitele částice cementu jsou blíže k sobě, - výsledkem je snížení kapilární pórovitosti a menší prostor pro vývoj vnějšího produktu, vazby mezi zrny cementu se vyvinou rychleji

23

• Použití dodatkových cementových materiálů, jako je létavý popílek, mletá vysokopecní struska, mikrosilika (křemičitanový úlet), metakaolin, zlepšují pórovitou strukturu betonu, neboť vytvářejí sekundární C-S-H. V případě mikrosiliky a metakaolinu, jemné přírodní částečky přispívají ke zjemnění pórů v betonu.

• Pórovitá struktura HCP se také mění při použití chemických přísad. Přidáním superplastifikátorů při konstantním vodním součiniteli může se zmenšit objem pórů v HCP.

24

Běžný beton

Moderní beton

Kamenivo a cementový tmel

25

• Řádné ošetřování betonuje nutným předpokladem pro odpovídajícího chování betonových konstrukcí. Je nutné minimalizovat množství odpařující se záměsové vody. Nedostatek ošetřovací vody i po proběhlé hydrataci způsobuje vytvoření relativně velkých pórů ve výsledné mikrostruktuře. Při dostatku ošetřovací vody póry zůstanou vyplněné vodou.

26

Transportní procesy vbetonu

• Trvanlivost betonu velmi závisí na možnosti pronikání látek (jako vlhkosti, kysličníku uhli čitého, kyslíku, solí, vody). Formy pronikání mohou být:

• absorpce - kapilární nasávání látek do pórů v materiálu – látka vyplní volné prostory

27

• difuze – pohyb volných molekul nebo iontů v pórovém systému vlivem koncentračního spádu; dochází k rozptylování částic ve volných prostorách materiálu; difuze může mít formu plynou (kysličník uhli čitý – karbonatace) nebo iontovou (chloridy – koroze výztuže v betonu);

• penetrace – látky vstupují a pronikají materiálem v důsledku jejich rozdílných tlaků u obou povrchů materiálu; např. pronikání tlakové vody betonem.

28

absorpce

pronikání vlhkosti

penetrace vody

29

Postup degradace výztuže

Degradace betonu – chemická, fyzikální, biologickáDegradace výztuže - koroze

30

Modely porušování

• Počáteční období -překonání ochranné bariéry korozívními činiteli (karbonatace, penetrace chloridů, ukládání sulfátů)

• Propagační období -aktivní rozrušování výztuže zrychlující se v čase

přijatelnámez

počátečníobdobí

propaga ční období

životnost

poškození

31

Průběh degradace – propagace koroze výztuže

32

Vliv požadované délky životnosti

20

40

60

Tlo

ušťka

v c

m

Betonová krycí vrstva:nominální hodnota

0,5 nominální hodnotypenetrace chloridy

100

roky

5025151052

Životnost - návrhová: 100 roků - skutečná: 15 roků

33

Koroze výztuže v trhlině

• Koroze je proces podmíněný elektrochemický-mi reakcemi

• Reakce vzniká při současném poklesu alkality prostředí a přístupu kyslíku

• Bez přístupu kyslíku se nemůže rozvinout korozní proces výztuže

• V úzkých trhlinkách se prostředí alkalizuje difuzí z přilehlého alkalického betonu –nerozvine se korozní proces výztuže

34

Výztuž v betonu vystavenému tlaku vody:• Beton s neprůběžnými úzkými trhlinkami

vystavený tlaku nepříliš kyselé vody – vodapronikne do trhlinek kde se alkalizuje zpřilehlého betonu – nerozvine se korozní proces výztuže

• Beton s průběžnými úzkými trhlinkamivystavený tlaku nepříliš kyselé vody z jedné strany, se utěsní po určité době, pokud se nemění tlak a rychlost proudící vody –nerozvine se korozní proces výztuže

35

Vodonepropustný beton

36

Konstruk ční návrh

•Tvar

•Konstruování

Materiály

•Beton

•Výztuž

Provádění

•Odbornost

Prostředí

•Vlhkost

•Teplota

Druh a rozdělení pórů

Transportní mechanismus

Degradace betonu Degradace výztuže

Fyzikální

Chování konstrukce

Chemická a biol. Koroze

37

Děkuji za pozornost