Mechanismy degradace betonu a železobetonu Ing. Pavel Fidranský, Ph.D. ČVUT v Praze - Fakulta stavební K133, B 733
Degradace železobetonu Degradace zhoršení kvality, znehodnocení Degradovat mohou všechny komponenty Matrice cementový tmel Kamenivo Ocelová výztuž Zásadní roli při degradaci má pórová struktura betonu propustnost pro kapaliny a plyny
Pórová struktura betonu Vnikání škodlivých plynů a kapalin do betonu hlavní příčina degradace Vnikání škodlivin umožňuje pórová struktura betonu Hlavní faktory ovlivňující rozsah a vlastnosti pórové struktury Vodní součinitel Ošetřování betonu Přísady a příměsi
Vznik pórové struktury betonu Hlavní příčiny vzniku pórovitosti: nadměrné množství záměsové vody změna (zmenšení) objemu složek při hydrataci cementu (Soutsos)
Rozdělení pórů dle velikosti Označení Průměr Charakteristika Vliv na vlastnosti Stav vody Makropóry > 1 mm Velké dutiny Pevnost Volná Mikropóry 1000-15 µm Kapilární póry Gelové póry 15 0,05 µm 50 10 nm 10 2,5 nm 2,5 0,5 nm Velké kulovité dutiny Pevnost, propustnost Volná Velké kapiláry Středně velké kapiláry Malé (gelové) kapiláry Mikropóry, gelové póry, póry mezi krystality Pevnost, propustnost Volná Pevnost, propustnost, smrštění Smrštění Smrštění Mírně působí povrchové napětí Silně působí povrchové napětí Voda silně adsorbována 0,5 nm Póry v krystalitech Smrštění Strukturní voda
Mechanismy porušování betonu Mechanický (Fyzikální) Abraze Kavitace Mráz Požár Chemický Koroze betonu vyluhováním pojiva (typ I) Koroze kyselinami (typ II) Síranová koroze (typ III) Alkalickokřemičitá reakce kameniva Koroze výztuže (karbonatace, chloridy)
Mechanické narušování betonu Narušení abrazí Narušení kavitací Narušení mrazem Narušení požárem
Narušení abrazí Mechanické obrušování Úbytek materiálu bez chemického či jiného narušení betonu Příklady: komunikace, sila, potrubí, otěr ledem
Narušení kavitací Vzniká při proudění kapalin (již od v = 12m/s) Lokální pokles tlaku v kapalině vznik bublin Při vymizení podtlaku se bubliny zhroum rázové vlny s destruktivním účinkem na pevné povrchy
Narušení kavitací Narušení betonu na vodních dílech Kavitace naruší i pevnější materiály než je beton
Narušení mrazem Voda obsažená v pórové struktuře mění skupenství, voda zvětšuje svůj objem Vzniká tahové napětí v betonu rozrušení struktury betonu
Příklady narušení mrazem Chladicí věž -ochoz Míra narušení se zvyšuje za přítomnosti rozmrazovacích solí (betony na silničních stavbách)
Narušení požárem Beton vystavený požáru má sníženou pevnost Snížení pevnosti je úměrné dosažené teplotě (Modrý)
Příklad konstrukce po požáru Ventilátorová chladicí věž - konstrukce opravena a provozována
Orientační posouzení betonu Z barvy betonu vystavenému vyšší teplotě lze usuzovat na teplotu expozice Do 300 C mírné snížení pevnosti (barva betonu původní) Do 600 C výrazné snížení pevnosti (barva betonu růžová) Nad 600 C ztráta pevnosti (barva bělavě šedá)
Chemické porušování betonu Koroze betonu vyluhováním pojiva (typ I) Koroze kyselinami (typ II) Síranová koroze (typ III) Alkalickokřemičitá reakce kameniva Koroze výztuže (karbonatace, chloridy)
Koroze betonu vyluhováním pojiva Princip: Voda prosakuje betonem a vynáší rozpustné složky pojiva Ca(OH) 2 Viditelný projev: Tvorba karbonátu bílé barvy na povrchu betonu tzv. výkvěty (CaCO 3 ) Hlavní nepříznivý důsledek: Snižování pevnosti (Modrý)
Koroze betonu vyluhováním pojiva Příklad prosakování vlhkosti skořepinou chladicí věže Na vnějším povrchu vznikají tzv. výkvěty (CaCO 3 )
Koroze betonu vyluhováním pojiva Chladicí věž detail vnějšího povrchu skořepiny Tloušťka ŽB skořepiny 150 mm
Koroze betonu kyselinami Reakce kyselin se složkami pojiva, rozpouštění pojiva Příklady škodlivých kyselin: HCl, HF, H 2 SO 4, HNO 3 a další Pozn. 1: HCl používána mj. při zkoušce stanovení obsahu pojiva ve ztvrdlém betonu Pozn. 2: HF rozpouští pojivo i kamenivo betonu
Narušení betonu kyselinou fluorovodíkovou Jímka v elektrárně narušena odpadní vodou z chemického čištění kotle (2% HF)
Síranová koroze betonu Reakce pojiva se síranovými ionty (SO 4 2- ) Ve ztvrdlém betonu následně vzniká ettringit Důsledky: Expanze, trhliny, ztráta soudržnosti, rozpad betonu Síranovzdorný cement
Síranová koroze betonu Příklad rozpínání cementové malty zděného komína. Deformace komína způsobena rychlejším postupem síranové koroze na návětrné straně s vyšším přísunem srážkové vlhkosti
Síranová koroze betonu Dle zdroje kontaminace lze síranovou korozi dělit do následujících skupin: Vnější -zdrojem síranů je obvykle voda s rozpuštěnými sírany (spodní voda působící na základy) Vnitřní zdrojem síranů je složka použitá pro výrobu betonu (kamenivo, cement nadměrný obsah sádrovce) Zpožděná tvorba ettringitu (DEF delayed ettringite formation) může nastat u betonu který byl v ranné fázi vystaven vyšší teplotě nad cca 70 C (např. propařovaný beton)
Alkalicko křemičitá reakce kameniva Reakce kameniva v alkalickém prostředí betonu (ph = 13) SiO 2 v kamenivu reaguje s ionty Na +, K +, Ca 2+ Vzniklé alkalicko-silikátové gely při své hydrataci zvětšují objem narušení betonu
Narušení betonu alkalickou reakcí kameniva (počáteční fáze) Silniční svodidla (alkálie z vnějšího prostředí)
Narušení betonu alkalickou reakcí kameniva případ dálnice D11 Po necelých 10 letech provozu nutná výměna cementobetonového krytu na úseku v délce cca 15 km
Koroze výztuže v betonu V nenarušeném betonu (ph 13) je výztuž chráněna tzv. pasivační vrstvou na povrchu oceli Při narušení pasivační vrstvy nastává koroze Hlavní příčiny narušení pasivační vrstvy: Karbonatace betonu Kontaminace betonu chloridy (např. rozmrazovací soli)
Koroze výztuže způsobená karbonatací Karbonatacebetonu je reakce složek pojiva se vzdušným CO 2 snížení ph betonu a zánik pasivační vrstvy Korozní produkty zvětšují objem výztuže odtrhávání a odpadávání krycí vrstvy betonu Fenolftaleinový test - posouzení karbonatace betonu
Koroze výztuže způsobená karbonatací Příklad konstrukce, stáří 20 let Krycí vrstva 10 mm
Koroze způsobená chloridy Tzv. bodová koroze Na povrchu betonu se nemusí projevit Koroduje i nerezová ocel
Schéma koroze výztuže v betonu Koroze ocelové výztuže je elektrochemický proces
Doporučená literatura Soutsos, M.: Concrete durability (Thomas Telford). Modrý, S.: Trvanlivost betonu a železobetonu. Vybraná témata. Moskvin: Concrete and Reinforced Concrete Deterioration and Protection. Děkuji za pozornost