Vliv technologie betonu na některé vady
U betonů vzhledem k možnému vzniku vad v daném provozním zatížení a klimatických podmínkách je nutné navrhovat, testovat a během užívání sledovat rozsáhlý soubor fyzikálních, mechanických či deformačních vlastnosti. Mimo základní pevnostní charakteristiky jsou to také vodotěsnost, vzlínavost, nasákavost, mrazuvzdornost, objemové změny teplotní roztažnost atd. Zabránění vzniku poruch po celou dobu provozování betonových konstrukcí v různých třídách agresivity prostředí je základní podmínkou pro dosažení požadované dlouholeté trvanlivosti. V následujícím textu jsou popsány některé významné vlastnosti betonu, které mají souvislost se vznikem vad či poruch při jeho provozování.
1. Úvod
Mezi mechanické vlastnosti betonu patří pevnost v tlaku, v příčném tahu, prostém tahu, v tahu ohybem a ve smyku. Deformační vlastnosti souvisejí se změnou objemu a působením vnějších a vnitřních sil, charakteristická mechanická vlastnost je definována statickým či dynamickým modulem pružnosti. Co se týče trvanlivosti betonu, jedná se o časově omezený a relativní pojem, který závisí na době působení fyzikálních a chemických vlivů. Korozí betonu rozumíme děje vedoucí k jeho rozrušování cestou chemických pochodů nebo fyzikálními vlivy. Pod pojmem trvanlivosti zahrnujeme také ohnivzdornost, mrazuvzdornost a obrusnost betonu.
Základním kritériem pro posuzování únosnosti betonu patří různé varianty pevnosti. Obecně pevnost posuzujeme jako schopnost vzdorovat vzniklým napětím. Pevností betonu rozumíme mezní napětí v betonu, při kterém dojde k destrukci, tj. globálnímu porušení soudržnosti. Na výsledné charakteristiky zatvrdlého betonu mají vliv následující vlastnosti.
2. Vybrané vlastnosti zatvrdlého betonu
Pevnosti betonu
Beton je křehkou látkou, která vzdoruje napětím v tahu a ve smyku podstatně méně než pevnosti v tlaku. Podle statického působení zatížení rozeznáváme pevnosti v tlaku, v tahu, ve smyku a v kroucení. Vztahy mezi druhy pevností betonu mají empirický charakter a vyplývají z regresní analýzy mnoha výsledků.
Většina konstrukcí je namáhána kombinací tlakových, tahových a smykových napětí vlivem zatížení. V průřezu konstrukce vznikají různě velká napětí, různě lokalizované a rozdílného smyslu působení. V určitém místě konstrukce vznikají hlavní napětí, které mají maximální absolutní hodnotu. Překročí-li některá hlavní napětí mez pevnosti betonu, nastane porušení soudržnosti. Porušení může být pouze lokální, nezasahující celý průřez, a pak vznikne trhlina. Nastane-li však porušení v celém průřezu, dochází k destrukci celé konstrukce.
Zvyšováním napětí v betonu dochází k porušení soudržnosti již při překročení 40–50 % lomové pevnosti a následně vznikají malé trhliny, jejich počet i rozměr se zvětšuje zvyšujícím se napětím až do překročení mezní hodnoty hlavního napětí – pevnosti betonu. Nastává náhle globální porušení soudržnosti vedoucí k destrukci konstrukce.
Deformace
Deformace betonu dělíme na reversibilní (vratné) a ireversibilní (plastické, nevratné). Vratnými jsou pružné deformace charakterizované modulem pružnosti, teplotní roztažností a částečně i smrštěním betonu či způsobené migrací vlhkosti. Plastickými deformacemi jsou dotvarování betonu, způsobené dlouhodobým zatížením a částečně smrštěním, které vyvolává hydratace a karbonatace.
Deformace se projevuje stlačením a protažením tělesa. Poměr příčné a podélné deformace charakterizuje Poissonovo číslo, které pro poměr příčného roztažení ku podélnému stlačení má u betonu hodnotu 0,16 až 0,20 a pro poměr příčného stlačení ku podélnému roztažení betonu asi 0,125–0,08. Pružné deformace se posuzují při napětí do 30 % napětí při zlomu podle Hookeova zákona.
Modul pružnosti
Závislost napětí na přetvoření je lineární jen v počátku zatěžování, při vyšším napětí není modul pružnosti konstantní, ale klesá. Při 30 % zlomového napětí začínají vznikat trhlinky a projevují se trvalé deformace. Modul pružnosti E je směrnicí tečny křivky napětí σ – deformace ε, která má rozdílné hodnoty:
- počáteční modul pružnosti vychází z bodu σ = 0, ε = 0,
- normový modul pružnosti je směrnice spojnice bodu ε1, σ1 (základní stupeň zatížení) a bodu ε0,3, σ0,3 na deformační křivce po několikanásobném zatížení a odtížení.
U betonů rozeznáváme a testujeme 2 typy modulů pružnosti – statické a dynamické. Statické moduly pružnosti se stanovují destruktivní zkouškou na hranolech či válcích, dynamické pak nedestruktivními metodami (ultrazvukové či rezonanční). Obecně pro stejnou pevnostní třídu jsou hodnoty dynamických modulů pružnosti o cca 15 až 20 % vyšší než statické. Vzhledem ke změnám ve složení betonů v posledních 20 letech způsobených plošným užíváním velmi účinných superplastifikačních přísad a mnoha typů práškových příměsí došlo k výraznému poklesu vzájemného poměru mezi pevností betonu v tlaku a statickým modulem pružnosti. Není vhodné používat zastaralé empirické vztahy pro výpočet statických modulů z pevnosti v tlaku např. uvedených v Eurokódu. Pro přesné stanovení jejich hodnot je nutné provést experimentální stanovení, neboť i betony stejných pevností v tlaku vykazují zásadní rozdíly v hodnotách modulů pružnosti.
Dotvarování betonu
Dotvarováním betonu rozumíme trvalé změny objemu nebo tvaru způsobené dlouhodobým zatížením. Trvalé změny objemu betonu způsobuje rovněž smršťování, které je však vyvoláno migrací vlhkosti, tj. vnitřními silami v betonu. Obě deformace vznikají současně a je obtížné určit velikost jednotlivých deformací. Zatěžováním betonové konstrukce dochází k pružným deformacím a k trvalým deformacím dotvarováním a smrštěním. Beton zatížený v čase t0, které vyvolá napětí v betonu σ, se ihned deformuje hodnotou εdo (εe – pružná deformace od krátkodobého zatížení). Tato deformace postupně vzrůstá a v čase t dosáhne hodnoty
kde je
- εs
- – deformace smrštěním,
- εd
- – deformace dotvarováním dlouhodobým zatížením,
- εc
- – deformace celková.
Smršťování betonu
Podstata smršťování není jednoduchá, neboť vedle kapilárních jevů působí úbytek vody v krystalové mřížce a migrace vlhkosti mezi různě velikými kapilárami podle napětí vodních par okolního prostředí. Současně působí napětí na rozhraní cementový kámen a povrch kameniva. Experimentálně bylo ověřeno, že cementový kámen zpočátku tvrdnutí stlačuje povrch kameniva silami v radiálním směru. Předpokládá se snížení hutnosti cementového kamene na povrchu kameniva. Vlivem kapilárních sil dochází ke smršťování cementového kamene a stlačování povrchu zrn kameniva. Inflexní bod této závislosti zhruba odpovídá změně pružné deformace na trvalou – plastickou. Zmenšení deformace na povrchu zrn kameniva nejen snižuje smrštění, ale také zvyšuje mechanické vlastnosti betonu.
Smrštění betonu ovlivňuje smršťování cementového kamene (závisle na jeho pórovitosti), druh a vlastnosti cementového kamene, složení betonu, rozměr a tvar betonové konstrukce a její vyztužení, vnější podmínky (teplota a vlhkost) a čas.
Pórová struktura cementového kamene
Póry slouží jako zdroj informací o deformacích struktury, stupni mechanických napětí a o dopadu na technologické vlastnosti pórovité látky jako je pevnost, vodotěsnost, mrazuvzdornost a smrštění. Pórovitost vyjadřujeme celkovou pórovitostí tj. podílem pórů z celkového objemu látky, tvarem pórů, jejich velikostí a distribucí. Rozeznáváme póry otevřené průchodné, neprůchodné a uzavřené. Dělíme je podle velikosti, vzniku a jejich vlivu na vlastnosti cementového kamene a tím i betonu. Distribuce pórů vyjadřuje závislost velikosti pórů na jejich objemovém zastoupení v celkové otevřené pórovitosti. Nejrozšířenější metodou stanovení distribuce pórů je rtuťová porozimetrie, kdy tlakem rtuti až 103 MPa vyplňujeme póry od 0,1 mm až do průměru 2.10−9 m (poloměr kapiláry je nepřímo úměrný tlaku rtuti).
Mikromechanika a destrukce betonu
Čím více se ponořujeme do mikroskopické oblasti a sledujeme vnitřní vazby elementů materiálu, tím více se vzdalujeme od klasických představ deformovatelného homogenního prostředí. Výrazně vystupují defekty struktury a vliv kvality rozhraní mezi jednotlivými složkami betonu.
V křehkém materiálu jako je beton vznikají velké lokální a nelineární deformace, které vedou k ukládání deformační práce. Vznikají tak dvě protichůdné tendence: snaha uvolnit vnitřně nahromaděnou energii tvorbou trhlinek a snaha směřující k lokálnímu zvýšení odolnosti proti nevratnému přetvoření deformačním zpevněním a odklánění silového toku z exponované oblasti.
Pevnost křehké a pórovité látky, jakým je cementový kámen, závisí nejen na množství a distribuci pórů, ale i na velikosti a množství trhlinek. Ty vznikají vnitřním napětím na mikroskopické i makroskopické úrovni. Stačí však jedna vhodně orientovaná trhlina a pevnost látky se sníží.
Porušování struktury látky je heterogenní proces, neboť překročí-li napětí v jakémkoliv místě tělesa kritickou hodnotu, vzniká destrukce. Destrukce vzniká na defektním místě a od něho se šíří, proto se projevuje v těchto stádiích proces nukleace trhliny – rozšiřování trhliny – lom. Kritická velikost napětí se rozšiřováním trhlinek snižuje. Pole deformací a napětí je závislé na hodnotě objemových deformací tvrdnoucího cementového kamene, kinetice hydratace, velikosti a kvalitě povrchu kameniva.
Zpevnění vazby rozhraní kamenivo – cementový kámen je základním problémem zvyšování mechanických vlastností betonu. Tato tzv. kontaktní zóna je kompaktní tenká vrstva portlanditu ohraničována pórovitou vrstvou s plochými krystalky a jehličkami etringitu. Pórovitá vrstva má hloubku asi 50 μm. Výrazné změny lze dosáhnout např. příměsí amorfního SiO2, kdy dochází ke zřetelné změně mikrostruktury kontaktní zóny, která získává stejné vlastnosti jako ostatní cementový kámen. Výrazně se zvýší vazba mezi povrchem kameniva a cementovým kamenem, což dokazuje křehký lom takového betonu, který prochází přes zrna kameniva (u betonu bez příměsi SiO2 probíhá lomová plocha na povrchu zrn kameniva).
Teplotní roztažnost
Teplotní roztažnost je součtem změn vzdáleností molekul v důsledku kinetiky pohybu molekul. Kapilárně pórovité a gelové látky jako je cementový kámen se působením tepla objemově přetvaří vlivem změny povrchového napětí fyzikálně vázané vody v kapilárách a vlivem bobtnání gelu. Zdánlivá teplotní roztažnost je součet objemových změn koloidní látky vlivem migrace fyzikálně vázané vody mezi kapilárami a gelovými póry, bez změny celkového obsahu vody. Teplotní roztažnost je pak součtem pravé a zdánlivé teplotní roztažnosti. Rozeznáváme lineární a objemovou teplotní roztažnost.
Mrazuvzdornost
Mrazuvzdorností se rozumí schopnost betonu odolávat ve vodou nasyceném stavu opakovanému zmrazování a rozmrazování. Chemicky vázaná voda nikdy v led nepřechází. Gelová voda přechází v led při velmi nízkých teplotách (úplně zmrzne při −73 °C). V kapilárách voda přechází v led při teplotách −0,5 °C. Teplota tvorby ledu závisí na velikosti kapilár. Snižováním teploty se podle velikosti kapilár vytváří ledová tříšť, která se z větších kapilár tlačí do kapilár menších. Postupně se zvětšuje objem, neboť led má objem o 9 % větší než voda. Vznikající krystalický tlak ledu překračuje až 200 MPa. Led nejdříve vzniká na povrchu betonu a podle rychlosti ochlazování se tlačí do středu betonu a způsobuje objemový nárůst. Když roztaje, zůstává až 1/3 celkového roztažení. Pro trvanlivost betonu jsou nebezpečné póry (kulové i kapilární) větší jako 0,300 mm. Uzavřené mikropóry pod tuto velikost rovnoměrně rozprostřené v cementovém kameni ve vzdálenosti do 0,200 mm naopak mrazuvzdornost zlepšují.
Vodotěsnost
Vodotěsnost betonu závisí na objemu a distribuci makropórů a kapilár v cementovém kameni. Vodotěsnost lze vyjádřit součinitelem propustnosti (permeability) kp, který se vypočítá podle objemu vody v m3, který projde plochou S v m2 za dobu t v hodinách při tlakovém gradientu 105 Pa. Součinitel kp je vztažen na jednotku tlaku 100 kPa a tloušťku vzorku 200 mm. Množství makropórů v betonu závisí rozhodující měrou na vodním součiniteli a hutnosti betonu. Vodotěsnost vzrůstá stářím betonu, protože kapiláry se postupně zaplňují hydratovanými slínkovými minerály. Dobře zhutněný čerstvý beton (hutnost min. 0,98) má součinitel propustnosti kp = 2.10−6 m.s−1, za 7 dní již 10−11 a za 28 dní je kp = 10−12 m.s−1, která stářím betonu limituje k hodnotě kp = 10−13 m.s−1.
Koroze – degradace betonu
Korozí betonu rozumíme děje, vedoucí k jeho rozrušování cestou chemických pochodů nebo fyzikálními vlivy. V betonu nebo na jeho povrchu a povrchu ocelové výztuže vznikají různé poruchy (lom, trhlinky, deformace, odprýskávání, výkvěty, skvrny a pod), způsobené chemickými vlivy, fyzikálními pochody a biologickým působením organizmů. Intenzita působení těchto vlivů závisí na vlastnostech betonu a betonové konstrukce a na agresivitě prostředí.
V betonu se většinou vyskytují trhlinky, které zvyšují rychlost působení agresivního prostředí. Trhlinky o velikosti do 100 μm většinou nesnižují únosnost konstrukce, trhlinky do 50 μm nezhoršují ani vodotěsnost, ale vždy každá trhlinka snižuje trvanlivost betonu. Trhlinky vznikají již při tuhnutí betonu a především po jeho zatvrdnutí.
Chemická koroze
Chemická koroze se vyskytuje všude tam, kde beton přichází do styku s agresivním vodním prostředím anebo agresivními látkami v ovzduší působícími spolu s vlhkostí vzduchu (CO2, SO2). Beton je napadán a korodován tím více, čím má vyšší pórovitost, tj. byl vyroben s vysokým vodním součinitelem, obsahuje otevřené kapiláry a byl nedostatečně zhutněn.
Mezi karbonátovou tvrdostí a agresivitou vody je nepřímá závislost. Korozi betonu způsobují „měkké“ vody s nízkou karbonátovou (přechodnou) tvrdostí do 6 °dH (1 °dH = 10 mg CaO/l). Rovnovážná koncentrace CO2 vzrůstá se stoupající karbonátovou tvrdostí vody.
Beton také korodují látky tvořící těžce rozpustné vápenaté sloučeniny. Působí-li na beton vysokomolekulární organické kyseliny, mastné kyseliny, ale také nízkomolekulární kyseliny (octová, mléčná, máselná), místo krystalických a pevných vápenatých látek se tvoří soli s malou vlastní pevností. Škodlivé účinky mají také alkoholické komponenty tuků a glycerinu.
Koroze betonu vyvolaná objemovými změnami novotvarů vede k tvorbě trhlinek v důsledku vysokého natětí, které vytváří nově krystalizující sloučeniny. Dochází k odprýskávání povrchu betonu a ke snižování jeho pevnosti. Působením sulfátových roztoků (koncentrace síranů > 1200 mg SO42− na litr) se tvoří s minerálem C3A velmi objemný ettringit (objem molu se zvětší z 88,8 na 714,7 cm3). Toto osminásobné zvětšení objemu způsobí lokální destrukci struktury cementového kamene (proto se v síranovzdorných cementech omezuje obsah C3A).
Vápenné rozpínání způsobuje obsah volného, nezreagovaného, vysoce páleného CaO, který velmi pomalu hydratuje a po hydrataci ve ztvrdlém cementu zvětší svůj objem 1,7× – tím porušuje strukturu betonu. Podobně se chová i MgO ve formě periklasu, když hydratuje na Mg(OH)2, které zvětšuje svůj objem 2,2×.Karbonatace betonu
Karbonatace je projevem „stárnutí“ betonu, který je soustavně napadán oxidem uhličitým z ovzduší za přítomnosti vlhkosti. Obvyklý obsah CO2 ve vzduchu je 0,03 % objemu, ale v průmyslových oblastech bývá násobně vyšší. Produktem je karbonát a především výrazné snížení pH betonu. Proces probíhá v několika časových úsecích s rozdílným stupněm karbonatace a s rozdílnou intenzitou působení na beton. Současně se snižuje hodnota pH, což má mimořádný význam pro rychlejší proces koroze výztužné ocele.
Koroze oceli v betonu
V betonu je povrch oceli obalen cementovým kamenem, jehož pórová voda obsahuje nasycený roztok Ca(OH)2 s pH = 12,6. Tato vysoká alkalita, pokud nepůsobí jiné agresivní ionty, zajišťuje pasivitu povrchu oceli ochranou vrstvou. Koroze oceli v betonu nastává snížením koncentrace iontů OH− (pH < 9,6) nebo působením chloridových iontů. Podmínkou koroze jsou rozdíly potenciálů na povrchu kovu dané heterogenitou.
Výkvěty
Podle doby vzniku rozdělujeme výkvěty na primární (vznikající v procesu tvrdnutí betonu) a sekundární, které se objeví až při užívání betonu. Výkvěty jsou především estetickou závadou na povrchu dekoračního nebo barevného betonu. Často se objeví za 4 týdny až 4 měsíce po betonáži. Úplné odstranění výkvětů trvá několik měsíců až 3 roky. Rozpuštěné soli na povrchu vykrystalizují většinou jako sloučeniny s mnoha molekulami vody. Tím zvětšují svůj objem a v ojedinělých případech mohou způsobit destrukci skeletu pórovité látky.
3. Shrnutí
Výše uvedené vybrané fyzikální či mechanické vlastnosti mají kromě své základní mechanické role – splnění statické únosnosti betonové konstrukce i výrazný vliv na vznik vad či poruch betonových konstrukcí v průběhu jejich provozování. Výrazným aspektem na dosažení potřebné trvanlivosti je charakter prostředí, v němž je konstrukce provozována ( klimatické vlivy, chemické, teplotní či mechanické zatížení, atd.) Je nutné již v průběhu navrhování složení betonu tyto další vnější vlivy respektovat a podřídit jim nejen výběr vstupních surovin, ale i samotné složení betonu. Dosažení požadované pevnostní třídy či obecných požadavků pro jednotlivé stupně vlivu agresivních prostředí, které vyžaduje ČSN EN 206 ještě neznamená, že tento beton nebude v průběhu svého provozování vykazovat vady či poruchy, které byly primárně vyvolány chybami v jeho návrhu. Samozřejmě nedílnou součástí pro dodržení trvanlivosti betonů je i dodržení technologických požadavků na jeho ukládání, zhutňování a ošetřování v průběhu jeho zrání.
Příspěvek vznikl za podpory projektu MPO ČR FR-TI2/185
Literatura
- Hela, R. Technologie betonu I, učební text VUT FAST Brno, 2005
- Hela, R. Technologie betonu II, učební text VUT FAST Brno, 2007
- Šmerda, Z. a kol. Životnost betonových staveb, ČKAIT Praha 1991
Článek popisuje vybrané faktory technologie betonu a jejich vliv, jaký mohou mít, na výskyt vad betonových konstrukcí. Jedná se o strukturu cementového kamene, mikromechaniku betonu, pevnosti betonu, deformace, modul pružnosti, teplotní roztažnost, dotvarování betonu, smršťování betonu, koroze – degradace betonu, mrazuvzdornost, vodotěsnost, chemickou korozi, karbonataci betonu, výkvěty a korozi oceli v betonu. Každému fenoménu je věnován prostor 1–2 odstavců. Článek vznikl za podpory dvou grantových projektů. Článek uvádí stručný přehled základních parametrů betonu, které mohou mít v příhodných podmínkách přímý vliv na vznik poruch betonových konstrukcí. Vzhledem ke své stručnosti je pro čtenáře vhodný zejména pro vytvoření rychlého povšechného přehledu o této problematice.
Z věcného hlediska bych si dovolil nesouhlasit pouze s větou „Koroze oceli v betonu nastává snížením koncentrace iontů OH− (pH < 11,5), nebo působením chloridových iontů.“, která je uvedená v posledním odstavci. Obvykle se jako hraniční hodnota, kdy ocel přestává být pasivována, uvádí pH = 9,6 (viz např. Vavřín, Retzl – Ochrana stavebního díla proti korozi). V betonu se sníženým pH pak koroze oceli nenastává automaticky, splněny musí být i další podmínky pro její vznik.
Many various physical, mechanical and deformation properties have to be designed, tested and observed during life of concrete because of possible failures in given service load and climatic conditions. Apart from basic strength characteristics, it is necessary to keep in view water tightness, capillarity, water absorbing capacity, frost resistance, volumetric changes or thermal expansion. Preventing of these failures during the whole life of concrete structures in various exposure classes is the basic condition of achieving required long-term durability. The text below describes several important properties of concrete connected with flaws and failures.
The crucial mechanical properties of concrete are compressive strength, splitting tensile strength, tensile strength, tensile bending strength and shear strength. Deformation properties are connected with volumetric changes and action of external and internal strength; the characteristic mechanical property is defined by static or dynamic elasticity modulus. As regards durability of concrete, the concept is relative and limited depending on the time of action of physical and chemical influences. Corrosion of concrete is the process leading to disintegration of the material by means of chemical processes or physical influences. Durability also includes fire resistance, frost resistance and abrasive quality of concrete.