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
Makropóry > 1 mm
Charakteristika
Vliv na vlastnosti
Stav vody
Velké dutiny
Pevnost
Volná
Mikropóry
1000 - 15 Velké kulovité dutiny µm
Pevnost, propustnost
Volná
Kapilární póry
15 – 0,05 Velké kapiláry µm
Pevnost, propustnost
Volná
50 – 10 nm
Středně velké kapiláry
Pevnost, propustnost, Mírně působí smrštění povrchové napětí
10 – 2,5 nm
Malé (gelové) kapiláry
Smrštění
Silně působí povrchové napětí
2,5 – 0,5 nm
Mikropóry, gelové póry, póry mezi krystality
Smrštění
Voda silně adsorbována
0,5 nm
Póry v krystalitech
Smrštění
Strukturní voda
Gelové póry
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 (CaCO3) • Hlavní nepříznivý důsledek: Snižování pevnosti
(Modrý)
Koroze betonu vyluhováním pojiva • Příklad – prosakování vlhkosti skořepinou chladicí věže • Na vnějším povrchu vznikají tzv. výkvěty (CaCO3)
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, H2SO4, HNO3 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 (SO42-) • 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) • SiO2 v kamenivu reaguje s ionty Na+, K+, Ca2+ • 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 • Karbonatace betonu je reakce složek pojiva se vzdušným CO2 → 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
