Trvanlivost betonových konstrukcí. Prof. Ing. Jaroslav Procházka, CSc. ČVUT - stavební fakulta katedra betonových konstrukcí 1

Transkript

1 Trvanlivost betonových konstrukcí Prof. Ing. Jaroslav Procházka, CSc. ČVUT - stavební fakulta katedra betonových konstrukcí 1

2 Rešerše - témata: 1. Volba materiálů a úpravy detailů z hlediska zvýšení trvanlivosti 2. 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 prvků, 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 3

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) 4

5 Trvanlivost konstrukce - schopnost konstrukce odolávat účinkům prostředí ve kterém se nachází, a to po dobu životnosti konstrukce 5

6 Trvanlivost betonové konstrukce je ovlivněna: - návrhem, použitými materiály, provedením, používáním, údržbou; - druhem a rozdělením pórů v betonu, náchylnosti výztuže ke korozi; - interakcí konstrukce a prostředí mechanismus porušování 6

7 Trvanlivost betonu závisí na možnostech transportu agresivních látek zatvrdnutým betonem zejména možnosti pronikání tekutin (vody), plynů (kysličník uhličitý, 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 7

8 Trvanlivost betonu je ovlivněna množstvím, typem a rozměrem existujících pórů makropóry - kapilární dutiny průměru cca 50µm ( m), jsou škodlivé z hlediska pevnosti a nepropustnosti, mikropóry - dutiny menší než 50µm, přispívají ke smršťování z vysychání a dotvarováním betonu 8

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 betonu jsou ovlivněny celkovým obsahem pórů, jejich velikostí (množství malých a velkých pórů) a způsobem jejich rozdělení 9

10 Póry v betonu mohou se lišit tvarem, rozměrem a 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 vyplněné vodou - dutiny v důsledku nedokonalého zhutnění 10

11 AG zrno kameniva, CH portlandit Póry ve styčné tranzitní zóně podle Aitcin 11

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 HCP a) čerstvý beton b) 7 dní podle M. Soutsos CD 12

13 Zbytkové nehydratované částice cementu mohou 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 HCP c) 28 dní d) 90 dní podle M. Soutsos CD 13

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 vody V HCP jsou tedy: (a) póry v gelu (b) kapilární póry (c) dutinové obalové póry (d) vzduchové dutiny 14

15 Při teplotě kolem 20 C je celistvá cementová matrice tvořena hydroxidem vápenatým (Ca(OH)2), vápenosilikátovým hydrátem (C-S-H) a etringitem. 15

16 Póry v H-S-C gelu rozměr ca m, neovlivňují průsak vody, neboť jsou menší než 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 včerstvém 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 m, při vysokém vodním součiniteli v ranné době hydratace mohou dosahovat až 3000 až m. 16

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. 17

18 Hlavní činitelé ovlivňující porézní strukturu betonu zahrnují vodní součinitel, stupeň hydratace, použití doplňujících cementových materiálů, přítomnost chemických přísad a podmínky ošetřování betonu. Pórovitost HCP a 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. 18

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 pevnost Ve zhydratované cementové pastě - lom obvykle přes vnější produkt, proto je žádoucí získat mikrostrukturu vnitřního produktu s omezenou tvorbou vnějšího produktu 19

20 Vnější produkt hydratace - podle Aitcin Vnitřní produkt hydratace - podle Aitcin 20

21 Pórovitost HCP ovlivňuje poměr mezi objemem vody, objemem silikátové fáze, která může hydratovat, a množstvím vzduchu zachyceného během míchání Féretův vztah: c = fc k c + w + a 2 kde je k konstanta závislá na druhu cementu, f 1 c k c, w, a objemy cementu, vody a vzduchu = w a 1+ + c c 2 = w 1+ c 1 c k Pro růst tlakové pevnosti je nezbytné snížit objem vzduchu, snížit vodní součinitel f 2 21

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 22

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. 23

24 Běžný beton Moderní beton Kamenivo a cementový tmel 24

25 Řádné ošetřování betonu je 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. 25

26 Transportní procesy v betonu Trvanlivost betonu velmi závisí na možnosti pronikání látek (jako vlhkosti, kysličníku uhličitého, kyslíku, solí, vody). Formy pronikání mohou být: absorpce - kapilární nasávání látek do pórů v materiálu látka vyplní volné prostory 26

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 uhličitý 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. 27

28 absorpce pronikání vlhkosti penetrace vody 28

29 Postup degradace výztuže Degradace betonu chemická, fyzikální, biologická Degradace výztuže - koroze 29

30 Modely porušování poškození počáteční propagační období období životnost přijatelná mez Počáteční období - překonání ochranné bariéry korozívními činiteli (karbonatace, penetrace chloridů, ukládání sulfátů) Propagační období - aktivní rozrušování výztuže zrychlující se v čase 30

31 Průběh degradace propagace koroze výztuže 31

32 Vliv požadované délky životnosti Tloušťka v cm Betonová krycí vrstva: nominální hodnota 0,5 nominální hodnoty penetrace chloridy roky Životnost - návrhová: 100 roků - skutečná: 15 roků 32

33 Koroze výztuže v trhlině Koroze je proces podmíněný elektrochemickými 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 33

34 Výztuž v betonu vystavenému tlaku vody: Beton s neprůběžnými úzkými trhlinkami vystavený tlaku nepříliš kyselé vody voda pronikne do trhlinek kde se alkalizuje z přilehlého betonu nerozvine se korozní proces výztuže Beton s průběžnými úzkými trhlinkami vystavený 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 34

35 Vodonepropustný beton 35

36 Konstrukční návrh Materiály Provádění Prostředí Tvar Beton Odbornost Vlhkost Konstruování Výztuž Teplota Druh a rozdělení pórů Transportní mechanismus Degradace betonu Degradace výztuže Fyzikální Chemická a biol. Koroze Chování konstrukce 36

37 Děkuji za pozornost 37