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 velikostiOznačení Průměr Charakteristika Vliv na vlastnosti Stav vody

Makropóry > 1 mm Velké dutiny Pevnost Volná

Mikropóry 1000 - 15 µm

Velké kulovité dutiny Pevnost, propustnost Volná

Kapilární póry

15 – 0,05 µm

Velké kapiláry Pevnost, propustnost Volná

50 – 10 nm

Středně velké kapiláry

Pevnost, propustnost, smrštění

Mírně působí povrchové napětí

Gelové póry

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

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 (SO4

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)

• 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

• 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 v betonu

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