Trvanlivost je časově omezený, relativní pojem, který závisí na době působení fyzikálních a chemických vlivů. Hovoříme o korozi betonu, čímž rozumíme děje vedoucí k jeho rozrušování cestou chemických pochodů nebo fyzikálními vlivy.
V betonu nebo na jeho povrchu a povrchu ocelové výztuže vznikají různé závady (lom, trhlinky, deformace, odprýskávání, výkvěty, skvrny apod.) způsobené korozními procesy:
■ chemickými vlivy (roztoky kyselin a solí, organické sloučeniny, plyny, znečistěné ovzduší, tuhé škodlivé látky),
■ fyzikální pochody (teploty pod bodem mrazu, vysoké teploty, mech. otěr), ■ biologické působení organizmů (plísně, mikroorganizmy). Intenzita působení těchto vlivů závisí na vlastnostech betonu a betonové konstrukce (povrchu a pórovitosti cementového kamene) a na agresivitě prostředí (druhu a koncentraci agresivních látek, teplotě a relativní vlhkosti prostředí a na ostatních vlivech
působících na rozhraní beton – prostředí).
V betonu se většinou vyskytují trhlinky, které zvyšují rychlost působení agresivního prostředí. Trhlinky vznikají všude tam, kde lokální napětí v mikrostruktuře betonu překročilo pevnost betonu (cementového kamene). Lokální stav napjatosti je vyvolán vnějšími silami (zatížení, teplota) a vnitřními účinky (smršťování, teplotní roztažnost aj.). 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.
Mrazuvzdornost betonu
Mrazuvzdorností se rozumí schopnost betonu ve vodou nasyceném stavu odolávat opakovanému zmrazování a rozmrazování.
Mrazuvzdornost betonu závisí na několika činitelích:
■ Stáří betonu. Beton postupně získává stále vyšší mrazuvzdornost, jak se zvyšuje jeho pevnost.
■ Kontakt s vodním prostředím. Není-li beton nasáklý vodou, pak snižování teploty pod bod mrazu se projeví pouze tepelnými dilatacemi. Pokud na beton působí vodní prostředí, beton nasákne vodou a zmrznutí se projeví objemovými změnami skupenství vody v led, tepelnými dilatacemi a působením hydraulického tlaku.
■ Pórovitá struktura cementového kamene je rozhodujícím kritériem mrazuvzdornosti, zejména distribuce pórů zaplněných vodou. Voda zamrzá snižováním teploty postupně od největších kapilár k nejmenším.
■ Koncentrace roztoku, který je obsažen v pórovité struktuře cementového kamene. Čím je roztok koncentrovanější, tím je bod tání nižší, beton je odolnější. ■ Pevnost betonu musí odolávat napětí, které vznikne zvětšováním objemu vody přecházející v led (objemová změna o 9 %). Mac Innis stanovil minimální pevnost betonu odpovídající této kritické objemové změně hodnotou RB ≥ 33,5 MPa. ■ Provzdušnění betonu je umělé vytvoření uzavřených vzduchových pórů definované velikosti (< 300 μm) s definovaným rozložením v cementovém kameni. Póry vzniklé provzdušněním, nejsou vodou zaplněny, slouží jako kompenzační prostor pro zvětšování objemu ledu. ■ Odolnost povrchu betonu proti působení chemických rozmrazovacích prostředků je vlastnost povrchu betonu odolávat zejména působení agresivních posypových solí používaných v zimním období. Odolnost povrchu betonu ovlivňují stejné zásady uvedené u mrazuvzdorného betonu.
Obrusnost betonu
Je závislá především na vlastnostech kameniva a je významná zejména u cementobetonových krytů vozovek nebo u betonové dlažby.
Vlastnosti kameniva z hlediska obrusnosti betonu s pevností v tlaku 52 MPa
Chemická koroze betonu
Beton je chemicky napadán kyselými činidly podle jejich koncentrace a skupenství. Podle stupně agresivity prostředí se musí navrhovat i složení betonu, tak jak je stanoveno v ČSN EN 206-1.
Agresivně působí plyny podle složení a vlhkosti vzduchu, kapaliny (roztoky a voda obsahující agresivní CO2 ) a tuhé látky, které jsou vyluhovány kapalným prostředím.
Korozi betonu lze rozdělit na tři typy:
■ I. typ – vyluhováním CaO z betonu ve formě Ca(OH)2 , který vzniká hydratací cementu.
■ II. typ – chemické látky obsažené v agresivním prostředí vytvářejí s hydratovanými minerály cementu rozpustné sloučeniny, které jsou z betonu postupně vyluhovány.
■ III. typ – agresivní činidla tvoří s hydratovanými minerály cementu novotvary se zvětšeným objemem. Jedná se většinou o hygroskopické látky (sloučeniny) přijímající vodu z vlhkého vzduchu a krystalizující s více molekulami vody, čímž zvětšují objem a porušují strukturu betonu.
Vody obsahující kyselinu uhličitou (minerální a bažinaté vody) vedou nejdříve k tvorbě CaCO3 (karbonataci betonu), který je málo rozpustný a částečně utěsňuje póry v cementovém kameni. Tento uhličitan je však další kyselinou uhličitou převáděn do rozpustné formy na kyselý uhličitan Ca(HCO3)2 , který je dobře rozpustný. Mezi karbonátovou tvrdostí a agresivitou vody existuje nepřímá závislost. Korozi betonu způsobují „měkké vody“ s nízkou karbonátovou (přechodnou) tvrdostí do 6° dH (1° dH = 10mg CaO/l ). Čím je vyšší karbonátová tvrdost vody, tím více může být přítomno CO3-2, aniž by korozivně ohrožovalo beton. Ve stojatých vodách rychlost koroze „hladovou vodou“ postupně klesá.
Beton také korodují látky tvořící těžce rozpustné, mýdelnaté vápenaté sloučeniny, organické mastné kyseliny a také kyseliny octová, mléčná, máselná.
Beton také korodují mořská voda (obsahuje ionty SO42-, Cl-, Mg2+) a splaškové vody (obsahují sloučeniny síry H2S, H2SO4, SO42-
a sloučeniny amoniaku).
Agresivní sloučeniny NH4+ jsou také přítomny v močůvce a kejdě vedle obsahu organických kyselin. Škodlivé jsou většinou i průmyslové odpadní vody
Chemická koroze se vyskytuje všude tam, kde beton přichází do styku s agresivním vodním prostředím anebo agresivní látky v ovzduší působí 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.
Karbonatace betonu
je projevem „stárnutí“ betonu, který je soustavně napadán oxidem uhličitým z ovzduší. Obvyklý obsah CO2 ve vzduchu je 0,03% objemu (60 mg.m-3), ale v průmyslových oblastech bývá násobně vyšší. Rozklad probíhá na povrchu betonu a časem postupně proniká otevřenou pórovitostí do hloubky, napadá korozivně ocelovou výztuž v železobetonu a konečným produktem je karbonát, a především výrazné snížení pH betonu. Snižuje se hodnota pH, což má mimořádný význam pro korozi oceli (proto je také předepsáno minimální krytí výztuže betonem 20 až 50 mm). Rychlost karbonatace za rok je v rozmezí od 0,1 do 1mm. Nižší hodnota platí pro velmi hutné betony vyšší pevnostní třídy, vyšší hodnota pro málo pevné betony. Betonová konstrukce vystavená dešti a venkovnímu prostředí zkarbonovala do hloubky 10mm a stejný beton (pevnosti 35 MPa) chráněný před deštěm do 30mm, obě konstrukce byly hodnoceny za 30 let.
Výkvěty
Objevují se na pórovitých materiálech tehdy, obsahují-li rozpustné látky nebo tyto vznikají chemickou korozí nebo je materiál napadán roztokem soli.
Transport rozpustných látek směrem k povrchu pomocí kapilár a pórů probíhá společně s transportem vody vlivem vlhkostního spádu mezi vnitřkem materiálu a jeho povrchem, kde se voda odpaří a rozpuštěné látky vykrystalizují. Zpravidla nemají negativní vliv na fyzikálně-mechanické vlastnosti betonu a jsou pouhou estetickou vadou.
Podle druhu rozpustných látek rozlišujeme:
■ vápenné výkvěty způsobené hydroxidem vápenatým – základní sloučeninou provázející hydrataci cementu
■ alkalické výkvěty způsobené rozpustnými alkalickými solemi.
Zabránit vzniku vápenných výkvětů lze maximálním využitím následujících opatření:
■ minimalizovat vlhkostní spád – zabránit odparu vody z povrchu a omezit primární vlhkost betonu
■ minimalizovat vodní součinitel – snížení pórovitosti o množství volné vod
■ zabránit vyschnutí betonu před dokončením hydratačních procesů
■ použít těsnicí příměsi a přísady
■ omezit následnou dotaci materiálu kapalnou vodou – vhodně ošetřovat a skladovat.
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 zajišťuje pasivitu povrchu oceli ochrannou vrstvou, pokud nepůsobí jiné agresivní ionty (např. chloridy).
Koroze oceli v betonu nastává snížením koncentrace iontů OH- (pH < 11,5) nebo působením chloridových iontů. Koroze oceli probíhá pouze za přítomnosti vody (nebo ve vlhkém vzduchu s relativní vlhkostí větší jak 65 %).
Ocel v betonu je vystavena korozi v těchto případech:
■ snížením hodnoty pH pod 11,5 působením kyselého prostředí, vyluhováním minerálů, karbonatací povrchových vrstev betonu
■ působením chloridových iontů, ČSN EN 206-1 omezuje množství chloridů na 0,4–0,2 % u železobetonu a na 0,2–0,1 % u předpjatého betonu
■ obsah chloridů je také omezen ve složkách betonu, v cementu 0,1% hm., ve vodě 0,06–0,2 % a v kamenivu 0,03%
Opatření ke snížení možnosti koroze oceli v betonu jsou:
■ snížení pórovitosti
■ nízký vodní součinitel
■ dostatečná tloušťka krycí vrstvy betonu
■ omezení vzniku trhlinek, zejména širších jak 0,1 mm
■ především je třeba zamezit snížení pH na povrchu oceli pod 11,5.
Požární odolnost betonových konstrukcí
Požární odolnost stavebních konstrukcí obecně je dána závaznými předpisy, normami, které určují požadavky na odolnost podle typu konstrukce, stavby, jejího účelu, významnosti. Požární odolností a jejím stanovováním na zkušebních tělesech a klasifikací pro návrhy staveb se zabývá ČSN EN 13501-1. U betonových či železobetonových konstrukcí určuje rezistenci prvku konstrukce vůči požáru jednak jeho poloha, způsob podepření, způsob vyztužení, objemová hmotnost betonu apod. Uvedená tabulka ukazuje požární odolnosti betonových prvků v návaznosti na hlavní parametry konstukce, prvku.
Požární odolnost betonové kosntrukce lze zvýšit přidáním PE vláken do směsi, kdy vlákna při požáru vyhoří a zbytková voda expanduje do uvolněného prostoru, čímž se beton mírně ochlazuje a omezuje se (oddaluje) degradace betonu a jeho oddělování od výztuže.
Požární odolnost vybraných betonových konstrukcí podle jejich tloušťky
