DIAGNOSTIKA DEGRADATION OF R E I N F O R C E D CONCRETE S T R U C T U R E S AND T H E I R DIAGNOSTICS

Transkript

1 D E G R A D A C E ŽELEZOBETONOVÝCH K O N S T R U K C Í A J E J I C H DIAGNOSTIKA DEGRADATION OF R E I N F O R C E D CONCRETE S T R U C T U R E S AND T H E I R DIAGNOSTICS R OSTISLAV DROCHYTKA, JIŘÍ BYDŽOVSKÝ Betonové konstrukce jsou v rámci své exploatace ovlivňovány mnoha faktory, které snižují jejich životnost. V příspěvku jsou uvedeny informace o majoritních degradačních vlivech a základních metodách průzkumu betonových konstrukcí pro určení mechanických i fyzikálně-chemických parametrů zabudovaných materiálů tak, jak byly prezentovány na semináři pod záštitou WTA CZ a FAST VUT v Brně v lednu Exploitation of concrete structures is affected by a number of factors shortening their durability. This paper informs on major degradation effects and basic methods of research into concrete structures for determination of mechanical, as well as physical and chemical parameters of built-in materials, as presented at the seminar held under the auspices of WTA CZ (Scientific and Technical Society for Rehabilitation of Constructions and Monuments Preservation) and Faculty of Civil Engineering, Technical University Brno in January Jedním z nejrozšířenějších stavebních materiálů současnosti je bezesporu beton (pro konstrukce namáhané pouze tlakem) a železobeton (pro konstrukce namáhané tahem, ohybem, smykem resp. kombinací těchto zatížení) s pojivem na bázi portlandského cementu. Ve srovnání s ostatními typy materiálů (keramika, dřevo, ocel atd.) zaujímá beton více než 65 % z celkového objemu stavebních konstrukcí. Základní požadavky na beton jsou uvedeny v ČSN EN Beton Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Právě k rozšíření znalostí o tomto materiálu, o jeho trvanlivosti ve stavebních konstrukcích, a možnosti diagnostiky jeho vad a poruch, jsou ve spolupráci WTA CZ a Fakulty stavební VUT v Brně organizovány odborné semináře. V LIVY LIMITUJÍCÍ ŽIVOTNOST BETONOVÝCH KONSTRUKCÍ Beton, jehož matrice je tvořena hydratačními produkty cementu, patří mezi látky silně zásadité. Míra bazicity zdravého, nekorodovaného betonu vyjádřená hodnotou ph může být vyšší než 12. Právě díky vysoké bazicitě patří beton mezi látky, které jsou schopny velmi účinně pasivovat ocelovou výztuž vůči korozi. Tato skutečnost je jedním ze základních aspektů umožňujících masivní využívání železobetonu. Další velmi podstatnou okolností umožňující využívání železobetonu je fakt, že součinitele teplotních roztažností ocele a cementového betonu jsou velmi blízké, tzn. působení teplot nemá za následek vznik tahových napětí, který by mohl způsobit pokles soudržnosti mezi cementovým kamenem a výztuží. V důsledku vysoké alkality ovšem beton velmi snadno reaguje s látkami s nízkou hodnotou ph, kdy dochází v podstatě k neutralizačním reakcím, jejichž důsledkem je degradace betonu doprovázená poklesem jeho užitných parametrů. U reálných konstrukcí je rychlost degradace vyvolávané působením agresivních chemikálií navíc umocňována též působením dalších vlivů, jako např. pronikáním vlhkosti, působením mrazu apod. Principielně lze vlivy, které působí na stavební konstrukce dle jejich charakteru, rozdělit do dvou skupin: vlivy fyzikálně-mechanické (vliv zatížení, působení vlhkosti a mrazu, gradient teplot atd.), vlivy fyzikálně-chemické (agresivní látky /kapaliny, plyny, pevné látky, biogenní vlivy atd.). V praxi jsou stavební konstrukce vystaveny synergickému působení těchto vlivů. V obecném povědomí, a to i u odborné veřejnosti, je stále rozšířen trend zohledňovat při posuzování vad a poruch železobetonových konstrukcí především vlivy, které patří do první z citovaných skupin, tzn. vlivy fyzikálněmechanické. Zkušenosti získané při monitorování stavu a sledování rozvoje poruch nejrůznějších železobetonových konstrukcí (např. chladících věží, továrních komínů, silničních mostů atd.) však jednoznačně prokázaly, že vlivy působení agresivních látek vyskytujících se v prostředí exploatace stavby nelze v žádném případě přehlížet či podceňovat. Z hlediska životnosti stavby naopak v mnoha případech hrají tyto faktory zcela klíčovou roli. Z ÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ VAD A PORUCH BETONŮ U čerstvého betonu nejčastěji diagnostikujeme tyto vady: chybné složení betonu (nekvalitní suroviny, špatný poměr jednotlivých složek, resp. chybné dávkování apod.), technologická nekázeň při zpracování (dodatečné ředění betonu vodou, nedostatečné zhutnění, rozmísení směsi při ukládání, chybně provedené nebo nedostatečně ošetřené pracovní spáry, špatné ošetřování apod.). U ztvrdlého betonu nejčastěji diagnostikujeme tyto vady a poruchy: nedostatečná pevnost, nedostatečná vodotěsnost, nedostatečná mrazuvzdornost resp. nízká odolnost vůči působení chemických rozmrazovacích solí, nízké krytí výztuže, nevhodné užívání konstrukce, degradace vlivem agresivních činitelů, vznik trhlin apod. V ADY ČERSTVÉHO BETONU Mezi možné nedostatky ve složení betonové směsi patří použití nekvalitního kameniva (např. jeho nízká mrazuvzdornost, vysoká humusovitost nebo obsah jílů, případně vyšší obsah amorfního SiO 2 viz níže alkáliové rozpínání). Častou vadou, mající zásadní vliv na nedosažení projektované pevnosti betonu, je nedostatečná dávka cementu, resp. použití cementu nižší než navržené pevnostní třídy. Rovněž tak i dnes zcela běžně využívané přísady při špatném dávkování mohou způsobit problémy, např. s tuhnutím cementu apod. B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 3/2009 3

2 2 1 3a 4 Obr. 1 Fig. 1 Závislost pevnosti betonu na vodním součiniteli Dependence of concrete strength on the water-cement ratio Obr. 2 Vznik smršťovacích trhlin Fig. 2 Origination of shrinkage cracks 3b Obr. 3 Degradace betonu karbonatací a), b) Fig. 3 Degradation of concrete by carbonation a), b) Obr. 4 Degradace betonu sulfatací Fig. 4 Degradation of concrete by sulphation Obr. 5 Princip rozpínání: a) vápenatého, b) hořečnatého Fig. 5 Principle of expansion: a) calcium, b) magnesium Obr. 6 Princip rozpínání: a) síranového, b) alkáliového Fig. 6 Principle of expansion: a) sulphate, b) alkali 5a 4 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 3/2009

3 Zdrojem vad je rovněž vysoká dávka vody v čerstvé betonové směsi, která může být výhodná pro snadnější uložení betonu, ale následně je příčinou zvýšených objemových změn. Pro ověření správné dávky vody je třeba při přejímce betonové směsi sledovat její konzistenci, u transportbetonu nejčastěji metodou sednutí kužele. Zcela nepřípustné je dořeďování betonové směsi na staveništi vodou, jehož důsledkem je výrazné snížení pevnosti ztvrdlého betonu (obr. 1). V rámci ukládání betonové směsi je důležité její dobré zhutnění, což má bezprostřední vliv na dosažení předpokládané pevnosti ztvrdlého betonu, a dostatečná hutnost má rovněž značný vliv na odolnost betonu (hutný materiál s minimem pórů neumožňuje pronikání agresivních médií do betonu). Pro bezchybnou pokládku betonu je nutná správná organizace betonáže tak, aby betonáž nebyla přerušována a nedocházelo k tvorbě nechtěných spar v místě navázání betonu. Rovněž je vhodné provádět betonáž při příznivých klimatických podmínkách tak, aby nedošlo k promrznutí betonu, ale ani k jeho nadměrnému vysušování (intenzivní sluneční osvit, vítr apod.). Pro minimalizaci objemových změn je nezbytné následné správné ošetřování uloženého betonu, v rámci kterého je třeba provést opatření zajišťující betonu potřebné podmínky z hlediska teploty a vlhkosti. Neprovedení těchto opatření může mít za následek vznik smršťovacích trhlin (obr. 2). V ADY ZTVRDLÉHO BETONU Degradace betonu způsobená karbonatací a sulfatací V důsledku působení CO 2 a vlhkosti dochází k reakci CO 2 s hydratačními produkty cementu a vznikají různé modifikace objemově rozměrnějších uhličitanů (vaterit, aragonit, kalcit). Kromě toho, daleko více nebezpečné je snížení alkality betonu pod hodnotu ph 9,6 a v důsledku toho ztráta ochrany výztužné oceli v betonu (obr. 3). Obdobný je princip sulfatace, jejíž příčinou je působení plynného SO 2 (obr. 4), přičemž tato reakce je daleko agresivnější a krystaly sádrovce, resp. při působení kapalné vody ettringitu, jsou nepoměrně větší a nebezpečnější. Rozpad působením mrazu Mrazové narušení betonu vzniká v důsledku opakovaného zamrzání vody obsažené v pórové struktuře betonu. Po nasycení pórů vodou se pak při následném zamrznutí vody a přeměně v led zvyšuje její objem o cca 10 %. Tím vznikají značné parciální expanzní tlaky uvnitř betonu, které narušují strukturu cementového kamene. Při dalším opakování vznikají působením tahových sil mikrotrhlinky, do kterých při rozmrznutí a tání může vnikat voda, která při opětovném zamrznutí způsobí další narušení betonu a rozšíření trhlinek. Při mnohonásobném opakování (obvykle 50 až 200 zmrazovacích cyklů) dochází k postupnému snižování pevností (tlak i tah za ohybu) a později k úplnému rozpadu betonu. Nejprve zamrzá voda v povrchových vrstvách betonu. Při skupenské změně vody na led doprovázené zvětšením objemu nevyhnutelně dochází v povrchové zóně k zatlačení kapalné vody hlouběji do betonu. Tato vyplňuje i menší kapiláry a nastává stav napjatosti. Dalším postupným mrznutím vody od povrchu se zvětšuje i prostor zabraný ledem a na vodu pod ním je vyvíjen tlak. Takto vzniklý hydraulický tlak vody taktéž způsobuje porušení betonu. Poruchy betonu v důsledku rozpínání složek v betonu Mezi další, i když ne již tak časté příčiny poruch, podobné zmrznutí betonu, patří objemové změny betonu v důsledku rozpínání některých jeho složek. Principem těchto poruch je vznik novo- 5b 6a 6b B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 3/2009 5

4 tvarů ve ztvrdlém betonu, doprovázený zvětšením jejich objemu. Při tomto jevu dochází k tahovému namáhání betonu velikými silami (podle typu rozpínání mohou být síly v desítkách i stovkách MPa) a jeho následnému porušení, neboť pevnost betonu v tahu dosahuje přibližně pouze 10 % jeho pevnosti v tlaku. Mezi možné mechanizmy rozpadu betonu patří např. rozpínání vápenaté, hořečnaté, síranové a alkáliové. Principem vápenatého resp. hořečnatého rozpínání je reakce CaO resp. MgO s vodou za vzniku Ca(OH) 2 resp. Mg(OH) 2. Síranové rozpínání závisí na míře obsahu C 3 A v cementu, při reakcích dochází ke vzniku ettringitu. Principem alkáliového rozpínaní anebo také alkalické reakce kameniva, jsou reakce mezi amorfním oxidem křemičitým z kameniva a sodnými příp. draselnými ionty obsaženými v cementové matrici za přítomnosti vody. Produktem těchto reakcí je sodný příp. draselný gel kyseliny křemičité. Vznikající gel je příčinou objemových změn, které generují expanzní tlaky v mikrostruktuře betonu. Důsledkem expanzních tlaků je vznik trhlin narušujících beton. Eroze a kavitace K poruše dochází v případě, kdy betonové konstrukce (betonové potrubí, přívodní betonové monolitické kanály, přepady jezů atd.) jsou vystaveny působení rychle tekoucí vody, která navíc může obsahovat jemnozrnné abrazivní částice. Rychle proudící voda může za pomoci abrazivních částic obrušovat a posléze hloubkově narušovat povrch betonové konstrukce (obr. 7). Principem kavitace je zhroucení vzduchových bublinek, které se vytváří změnami tlaku při proudění kapaliny o vysoké rychlosti. Když se bublinky dostanou do oblasti o vyšším tlaku, zhroutí se (praskají) s velkým rázem. Koroze výztužné oceli v betonu Čerstvý beton je vysoce alkalický materiál. Hodnota ph čerstvě uloženého betonu je v rozmezí 12 až 13. V tomto rozsahu alkality je zabetonovaná ocel chráněna před korozí pasivačním filmem vázaným na povrch výztuže. Hovoříme o alkalické pasivaci výztuže betonem. Když se však pasivační film poruší, může nastat koroze výztuže. Koroze výztuže je elektrochemický proces, který potřebuje anodu, katodu a elektrolyt. Aby reakce mohla probíhat, musí být přítomny voda (elektrolyt) a kyslík. V betonu dobré kvality bude průběh koroze velmi pomalý. Zrychlená koroze nastane, když se ph sníží (např. karbonatací či sulfatací), nebo když se do betonu zavedou agresivní chemikálie nebo výztuž tvoří různé kovy. Další příčinou koroze výztuže mohou být bludné proudy a místní koncentrační články dané nerovnoměrným chemickým prostředím. V důsledku koroze výztuže v betonu dochází k tvorbě objemově větších produktů rzi, které vyvolávají vznik trhlin a odlupování krycí vrstvy betonu (obr. 8). D IAGNOSTIKA VAD A PORUCH BETONU V technické praxi je nezbytné nejen zachytit rozsah vad a poruch materiálů, ale také jednoznačně identifikovat příčinu (obvykle spíše několik příčin a jejich kombinace) jejich vzniku. Zde již jen málokdy vystačíme s posouzením fyzikálně-mechanických parametrů hodnocených materiálů. Pro objektivní určení příčin vzniku vad a poruch jsou nezbytné komplexní analýzy, zahrnující zjištění nejen fyzikálně-mechanických, ale také fyzikálně-chemických parametrů vadných materiálů. Mezi základní metody pro posouzení fyzikálně-mechanických parametrů patří především stanovení: objemové hmotnosti, pevnosti v tlaku, tahu, tahu za ohybu, modulu pružnosti, mrazuvzdornosti betonu, odolnosti vůči působení chemických rozmrazovacích látek, 7 8 Obr. 7 Eroze a kavitace Fig. 7 Errosion and cavitation Obr. 8 Výrazně zkorodovaný výztužný prut Fig. 8 Highly corroded reinforcing bar 6 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 3/2009

5 Literatura: [1] Drochytka R., Dohnálek J., Bydžovský J., Pumpr V.: Technické podmínky pro sanace betonových konstrukcí TP SSBK II. 1. vydání. Brno: Sdružení pro sanace betonových konstrukcí, 2003, 210 stran, ISBN [2] Emmons P. H., Drochytka R., Jeřábek Z.: Sanace a údržba betonu v ilustracích. 1. vydání. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 1999, 334 stran, ISBN [3] Matoušek M., Drochytka R.: Atmosférická koroze betonů. 1. vydání. Praha: IKAS, 1998, 171 stran, IBSN [4] Drochytka R., Bydžovský J., Brožovský J. a kol.: Stavební vady od A do Z. Software pro prevenci stavebních vad. Odborné nakladatelství stavební literatury Verlag Dashöfer, 2004, ISSN [5] Drochytka R., Bydžovský J.: Vady a poruchy stavebních materiálů a jejich vliv na stanovení slevy z díla. Soudní inženýrství (1). p ISSN X narušení povrchových vrstev betonu včetně lokalizace trhlin, rozmístění a míry koroze výztuže apod. Pro korektní posouzení stavu betonu, míry jeho kontaminace cizorodými látkami či stanovení dalších specifik je nezbytné realizovat komplex fyzikálně-chemických stanovení, přičemž výsledky jednotlivých analýz se vzájemně doplňují a rozšiřují. Mezi fyzikálně-chemické analýzy, na základě kterých lze posoudit stav hodnoceného betonu, patří především: chemický rozbor slouží pro stanovení obsahu jednotlivých prvků či sloučenin v hodnoceném betonu, rentgenová difrakční analýza (RTG analýza) metodou lze identifikovat přítomnost krystalických fází (minerálů) v hodnoceném betonu, diferenční termická analýza (DTA analýza) slouží především pro kvantifikaci obsahu jednotlivých fází hodnoceného betonu, stanovení ph betonu ve výluhu hodnota ph je jednou z veličin, dle níž lze posoudit míru degradace betonu, má význam především z hlediska schopnosti betonu pasivovat výztuž vůči korozi, snímkování mikrostruktury rastrovacím elektronovým mikroskopem (REM) používá se především pro upřesnění údajů zjištěných výše uvedenými analýzami, infračervená spektroskopie analytická metoda určená především pro identifikaci a strukturní charakterizaci organických sloučenin. Výstupem procesu diagnostiky je posouzení stavu konstrukce jako celku (statika), u zabudovaných materiálů (beton, výztužná ocel) zejména míry jejich degradace resp. koroze, pevností apod. Důležitým výstupem je rovněž stanovení majoritních degradačních vlivů tak, aby při následné sanaci na tyto vlivy byl vzat ohled při návrhu sanačních hmot a technologií. Článek vznikl za podpory výzkumného záměru MSM Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí a projektu MPO FT-TA5/036 Management rizika, spolehlivosti a životnosti železobetonových konstrukcí. Prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc. drochytka.r@fce.vutbr.cz Doc. Ing. Jiří Bydžovský, CSc. bydzovsky.j@fce.vutbr.cz oba: Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Ústav technologie stavebních hmot a dílců Veveří 95, Brno B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 3/2009 7