Trvanlivost betonových konstrukcí
Prof. Ing. Jaroslav Procházka, CSc. ČVUT - stavební fakulta katedra betonových konstrukcí 1
Rešerše - témata: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Volba materiálů a úpravy detailů z hlediska zvýšení trvanlivosti Postup výstavby z hlediska zvýšení trvanlivosti Návrh konstrukce při snížení rizika mechanismu porušování Opravy vedoucí ke zvýšení trvanlivosti betonových konstrukcí Hodnocení stávajících konstrukcí s přihlédnutím k trvanlivosti – zaměření na zbytkovou životnost konstrukce Nekovové a nekorodující výztuže – druhy, použití, návrh prvků, příklady Betonové konstrukce šetrné k životnímu prostředí (zelený beton, vylehčené konstrukce atd.) Životnost betonové konstrukce stanovená s ohledem na korozi výztuže vlivem karbonatace
Osnova přednášky • • • • •
Trvanlivost materiálu Struktura betonu Transportní procesy Degradace Koroze výztuže
3
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
Trvanlivost konstrukce - schopnost konstrukce odolávat účinkům prostředí ve kterém se nachází, a to po dobu životnosti konstrukce
5
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
• 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
• 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 8
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
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
AG zrno kameniva, CH portlandit
Póry ve styčné tranzitní zóně –podle Aitcin 11
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
Zbytkové nehydratované částice cementu mohou v čase 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
• 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
Při teplotě kolem 20°C je celistvá cementová matrice tvořena hydroxidem vápenatým (Ca(OH)2), vápenosilikátovým hydrátem (C-S-H) a etringitem. 15
• Póry v H-S-C gelu – rozměr ca 18.10-10 m, neovlivňují průsak 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. 16
• 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
• 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
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
Vnější produkt hydratace podle Aitcin
-
Vnitřní produkt hydratace - podle Aitcin
20
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, c, w, a objemy cementu, vody a vzduchu 1 ´ fc = k w a 1+ + c c
2
1 f c´ = k w 1+ c
2
Pro růst tlakové pevnosti je nezbytné snížit objem vzduchu, snížit vodní součinitel 21
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
• 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
Běžný beton
Moderní beton
Kamenivo a cementový tmel
24
• 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
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
• 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
absorpce
pronikání vlhkosti
penetrace vody
28
Postup degradace výztuže
Degradace betonu – chemická, fyzikální, biologická Degradace výztuže - koroze 29
Modely porušování
poškození
přijatelná mez
počáteční propagační období období životnost
• Počáteční období překonání ochranné bariéry korozívními činiteli (karbonatace, penetrace chloridů, ukládání sulfátů) • Propagační období aktivní rozrušování výztuže zrychlující se v čase 30
Průběh degradace – propagace koroze výztuže
31
Tloušťka v cm
Vliv požadované délky životnosti 60 Betonová krycí vrstva: nominální hodnota 40 p
tra ene
ce
ri o l h c
dy
0,5 nominální hodnoty 20
roky 2
5
10 15
25
50
Životnost - návrhová: 100 roků - skutečná: 15 roků
100
32
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
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
Vodonepropustný beton
35
Konstrukční návrh
Materiály
Provádění
Prostředí
•Tvar
•Beton
•Odbornost
•Vlhkost
•Konstruování
•Výztuž
•Teplota
Druh a rozdělení pórů Transportní mechanismus Degradace betonu Fyzikální
Degradace výztuže
Chemická a biol.
Koroze
Chování konstrukce 36
Děkuji za pozornost
37
