Mrazuvzdornost betonu v závislosti na čase a vnějších vlivech

V současnosti jsou na kvalitu stavebních konstrukcí kladeny vysoké nároky, a to jak na pevnostní parametry, tak na trvanlivost použitých stavebních materiálů. Betonové konstrukce nejsou v tomto ohledu výjimkou, naopak, jsou pod drobnohledem především z hlediska environmentálních vlivů. Důvodem je mimo jiné vysoká produkce CO2 při výrobě cementu a spotřeba neobnovitelných zdrojů, které jsou nezbytnou součástí betonu (dle normy ČSN EN 206+A2).

Trvanlivost betonu a její hodnocení

Kontrola vlastností vstupních materiálů se podrobně realizuje desítky let, proto výrobci betonu dobře vědí, s čím pracují. Jisté problémy však mohou nastat, pokud se hodnotí existující konstrukce ve chvíli, kdy se z libovolných důvodů (např. oprava, kontrola, změna, přestavba apod.) požaduje realizace diagnostického průzkumu. Důvodem je jednak skutečnost, že trvanlivost je výrazně vágní termín, jelikož není například ve srovnání s životností nijak časově charakterizována, a jednak i to, že je nutné při jejím posuzování přesně definovat prostředí, ve kterém se má hodnotit. V současnosti není příliš složité určit pevnost v tlaku, modul pružnosti či stejnoměrnost betonu v konstrukci (ať už s využitím nedestruktivních, nebo destruktivních metod), ale s trvanlivostí je to jiné, složitější.

Úplně jinou odolnost může vykazovat stejný beton při působení hladových vod (jde o korozi I. druhu, kterou představuje vyluhování hydroxidu vápenatého) a jinou při působení síranů (jde o korozi III. druhu, která je způsobena porušením struktury betonu vlivem tvorby objemných sloučenin).

Mrazuvzdornost betonu jako klíčová vlastnost

Jednou ze základních trvanlivostních vlastností betonu je v mírném podnebném pásmu jistě jeho odolnost proti působení mrazu. Jde o schopnost betonu odolávat opakujícímu se střídání kladných a záporných teplot a tomu, je-li zároveň vystaven působení vody, vysoké míře vlhkosti nebo vody v kombinaci s chemickými rozmrazovacími látkami (CHRL). Na suchý beton totiž nemá střídání kladných a záporných teplot žádný výraznější negativní vliv.

Pokud jsou betonové konstrukce nebo jejich části vystaveny vodě a zároveň střídavému působení kladných a záporných teplot, je třeba zhodnotit, zda na povrch betonu působí i libovolné rozmrazovací činidlo (nejčastěji posypová sůl a následně vzniklý roztok NaCl, který na povrch betonu může působit přímo nebo ve formě solné mlhy nebo odstřiků). Pokud totiž rozmrazovací činidlo působí na beton, degradační procesy jsou zcela jiné než v případech, kdy je beton vystaven pouze vodě a mrazu.

Čtěte také: Podrobný průvodce světem vibrátorů na beton

Mechanismus poškození mrazem

Když je betonový povrch konstrukce v kontaktu s vodou (vozovka či silniční panely, chodníky, části mostů nebo tunelů, kolejové pražce, vodní nádrže apod.), pak se vlivem nasákavosti dostane voda do nitra pórovité struktury betonu. Příčinou je expanze vody při změně z kapalného na pevné skupenství. Voda, která se nachází v kapilárních pórech betonu, se začíná měnit na ledovou tříšť přibližně při teplotě -0,5 °C (počátek mrznutí vody závisí na velikosti pórů), při -12 °C by však měla zmrznout veškerá kapilární voda. Toto rozpínání vody ve formě ledu vede ke vzniku vnitřního napětí v betonu, a to řádově v desítkách MPa. Výsledkem může být vážné porušení vnitřní struktury betonu a následně nevratné snížení jeho relevantních materiálových vlastností.

Mrazem poškozený beton vykazuje nižší pevnost v tahu za ohybu. Poměr mezi pevností zmrazovaných a pevností referenčních vzorků je tzv. součinitel mrazuvzdornosti.

Odlupování vlivem solí

Odlupování vlivem působení solí (přesněji jejich roztoků) je definováno jako povrchové poškození vzniklé působením mrazu a solného roztoku na povrchu betonu. Zároveň je to jeden z hlavních problémů, kterým beton z hlediska trvanlivosti v klimatických podmínkách České republiky čelí. Opět je důležité zdůraznit, že mechanismus odlupování betonu není analogický s konvenčním působením mrazu, které způsobuje krystalizace vody ve vnitřní struktuře betonu, a tím způsobuje její porušení. Při odlupování jde o čistě povrchové působení. To sice neohrožuje kvalitu betonu uvnitř konstrukce, ale činí ji náchylnou k pronikání vody a dalších agresivních látek do vnitřní struktury. Tím se snižuje celková odolnost betonu a následně životnost konstrukce, případně se zvyšuje i riziko depasivace výztuže. Poškození povrchové vrstvy betonu je nejhorší, když voda, která na něj působí, obsahuje určité množství rozpuštěné látky, přičemž na charakteru rozpuštěné látky (např. NaCl, CaCl2) záleží spíše méně.

Zkušební metody mrazuvzdornosti a odolnosti proti CHRL

Zkouška mrazuvzdornosti dle ČSN 73 1322

Overit odolnost proti účinkům mrazu není u nově navrženého betonu problém - na zkušebních vzorcích se provedou příslušné zkoušky, jejichž výsledkem je stanovení míry odolnosti betonu proti zmrazování a rozmrazování. Jednoduše řečeno, betonové zkušební hranoly 100 × 100 × 400 mm se vystaví zmrazovacím a rozmrazovacím (dále též F-T, z angl. freeze-thaw) cyklům. Jeden cyklus se skládá ze 4 h zmrazování na vzduchu při teplotě -18 °C a z 2 h rozmrazování ve vodě při teplotě +20 °C. Po požadovaném počtu cyklů (většinou 100 nebo 150) se na hranolech stanoví pevnost v tahu ohybem, která se porovná s pevností v tahu při ohybu referenčních (tzn. nezmrazovaných) vzorků.

Zkouška odolnosti proti CHRL dle ČSN 73 1326

Co se týče zkoušení odolnosti povrchu betonu proti působení vody a CHRL, postupuje se podle normy ČSN 73 1326, která popisuje tři zkušební metody. V současnosti se používají v podstatě pouze dvě - metoda A a metoda C. Principem obou zkoušek je vystavení povrchu betonové zkušební vzorky 3% roztoku NaCl za současného zmrazování. Po každém 25. cyklu se určuje hmotnost odpadu z povrchu zkušební vzorky. Většinou se určuje, po kolika cyklech bylo dosaženo odpadu 1 000 g/m2 (dle metody C jde o tzv. součinitel D1), ale lze zvolit i vyšší hodnoty odpadu.

Čtěte také: Základy a pokročilé materiály pevnosti betonu

Rozdíly mezi mrazuvzdorností a odolností proti CHRL

Je pravda, že při diagnostických průzkumech existujících betonových konstrukcí se požadavek na stanovení mrazuvzdornosti betonu neklade příliš často, ať už je důvodem časová a finanční náročnost zkoušky, nebo nízké povědomí o této vlastnosti/zkoušce betonu. Navíc se však často stává, že mrazuvzdornost betonu a jeho odolnost proti působení CHRL se libovolně zaměňují. U obou vstupuje do hry mráz, což k záměně (ale nemělo by) může svádět. Kdo si myslí, že je-li beton mrazuvzdorný, je zároveň odolný proti CHRL, nebo že když je odolný proti působení CHRL, je automaticky mrazuvzdorný, dopouští se zásadního omylu. Opak je totiž mnohokrát pravda.

Problematika diagnostiky stávajících konstrukcí

Pokud je však nutné ověřit tento parametr v případě starších betonů zabudovaných v konstrukci (např. při přestavbě nebo opravy konstrukce), nastává mnohokrát poměrně zásadní problém, který žádná norma v ČR a ani na Slovensku v současnosti neřeší. Proto se obvykle improvizuje. Většinou se to tedy skončí tak, že je o osudu stanovení odolnosti betonu v konstrukci proti mrazu rozhodnuto ve smyslu „proveďte to co nejlevněji a co nejrychleji je zcela jedno, jak a podle které normy“. Stanovit „mrazuvzdornost“ betonu, ať to už podle zadavatele průzkumu znamená cokoli, není tedy vždy jednoduché.

Příklady z praxe

Příklad 1: Stanovení odolnosti povrchu betonu proti působení vody a CHRL metodou C

Zadání bylo jednoznačné, stanovit odolnost povrchu betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek metodou C. Firma, která diagnostiku konstrukce prováděla, dodala do laboratoře jediný vývrt s jmenovitým průměrem 150 mm. První zkušební vzorka, označená číslem 1, odpovídala požadavkům normy, protože zatěžovaná plocha byla skutečně povrchem konstrukce. Druhá zkušební vzorka, označená 2, se zatěžovala na ploše řezu, což požadavkům normy neodpovídá. Na obě tělesa se před zkouškou osadila objímka, na jejich zkušební povrch se nalila voda, která se po dvou dnech vyměnila za 3% roztok NaCl (vrstva silná přibližně 5 mm). Poté se vzorky umístily do zařízení KD20 (automatická zmrazovací skříň), ve kterém se podrobily cyklickému zmrazování a rozmrazování. Vše v souladu s normou. Výsledkem bylo, že u vzorku 1 bylo dosaženo odpadu 1 000 g/m2 (tzv. D1) již po 5 cyklech F-T, což je nevyhovující výsledek. U vzorku 2 se zjistilo, že D1 = 5 cyklům, což je stejně nevyhovující výsledek. Větší vypovídací hodnotu by teoreticky měly mít výsledky vzorku 1, v tomto případě však těžko říci. Rozhodně platí, že zkušební vzorky by měly být minimálně tři, což v tomto případě dodrženo nebylo.

Příklad 2: Stanovení odolnosti povrchu betonu proti působení vody a CHRL metodou A

Pro účely stanovení odolnosti povrchu betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek metodou A - automatické cyklování, sloužily zkušební vzorky ve tvaru válce s jmenovitým průměrem v milimetrech v celkovém počtu 12 ks. Tyto zkušební tělesa se získaly kotoučovým řezáním z jádrových vývrtů odebraných z mostní konstrukce. Zkušební tělesa se podle místa odebírání jádrových vývrtů rozdělily do tří zkušebních skupin, přičemž v každé skupině byly čtyři vzorky. Jednalo se o skupiny „dříky opěr“ (vzorky V1 až V4), „mostní křídla“ (vzorky V5 až V8) a „sloupy mezilehlých podpor“ (vzorky V9 až V12). Všech 12 válců se umístilo do zkušebního zařízení KD20, ve kterém se v souladu s normou realizovalo prvních 25 zmrazovacích a rozmrazovacích cyklů. Jako agresivní médium se použil 3% roztok NaCl. Poté se určila hmotnost odpadu ze zkoušených ploch jednotlivých těles a provedlo se dalších 25 zmrazovacích a rozmrazovacích cyklů. V dalším kroku se opět určila hmotnost odpadu a zkouška se poté ukončila.

Výsledky zkoušky stanovení odolnosti betonu proti působení CHRL metodou A jsou uvedeny v Tabulce 1.

Čtěte také: Průvodce výběrem kotevní techniky

Jak je vidět z výsledků v Tabulce 1, zkušební vzorek V4 se od ostatních zkušebních vzorků ve skupině „dříky opěr“ liší. Výsledek zkušební vzorky V4 se od průměrné hodnoty ze všech čtyř vzorků liší o více než 50 %, tato vzorka byla v souladu s normou z vyhodnocení vyřazena. Interpretace výsledků skupiny zkušebních vzorků „mostní křídla“ je poměrně komplikovaná. Pokud se všechna tělesa uvažují jako jeden statický soubor, není možné zkoušku odolnosti betonu proti CHRL podle normy vyhodnotit, protože se výsledky jednotlivých vzorků zásadně odlišují. Pokud by bylo možné zkušební vzorky V5 a V6 brát jako jednu podskupinu (vývrty z jednoho křídla) a podobně vzorky V7 a V8 jako druhou samostatnou skupinu (vývrt z druhého křídla), vyhodnocení by bylo možné. Interpretace výsledků skupiny zkušebních vzorků „sloupy mezilehlých podpor“ je také složitá. I zde platí, že jako jedna skupina dat je zkouška nevyhodnotitelná. Vzhledem k vizuálnímu hodnocení betonů je však možné skupinu rozdělit na dvě podskupiny, protože beton vzorků V11 a V12 je již na první pohled jiný, kvalitnější. Zároveň je třeba poznamenat, že stanovení odolnosti betonu proti působení CHRL metodou A se realizovalo pouze ve smyslu normy, nikoli přesně podle jejího znění. Základní zkušební vzorkou je totiž krychle s hranou 150 mm, zatímco zde se zkoušel vývrt s průměrem 100 mm. Navíc zkoušení povrchu betonu bylo zajištěno jen u části zkušebních vzorků, u ostatních se zkoušel řez betonem.

Na základě výsledků provedeného experimentu lze konstatovat, že výsledné hodnoty zkoušky mrazuvzdornosti betonu mohou být ovlivněny způsobem výroby zkušebních těles. Zkušební tělesa z konstrukce nelze připravit jinak než pomocí jádrového vrtání a kotoučového řezání, což s sebou nevyhnutelně nese riziko vzniku mikrotrhlin v betonu zkušebních těles. Navíc je povrch zkušebních těles tvořen řezem s obnaženým kamenivem. Tyto faktory, spolu s jiným způsobem zrání betonu v konstrukci než v laboratoři, mohou výsledek zkoušky mrazuvzdornosti negativně ovlivnit.

Vliv teploty a ošetřování betonu

V zimním období je provádění betonářských prací značně ovlivněno nízkými teplotami prostředí. Je známo, že při poklesu teploty betonu pod limitních 5 °C se hydratace téměř zastavuje. Optimální teplota pro zrání betonu se pohybuje nad +5 °C, ideálně mezi +10 °C a +25 °C. Při nízkých teplotách se hydratace výrazně zpomaluje. Při teplotách kolem 0 °C se prakticky zastavuje. Pokud čerstvý beton zmrzne, voda v něm obsažená zvětší svůj objem a může trvale narušit jeho strukturu, což vede k nevratnému snížení pevnosti. V zimním období je proto nutné betonovat pouze pokud lze zajistit teplotu nad +5 °C po celou dobu raného zrání.

Ovlivnění chování betonu v zimním období

Ovlivnit chování čerstvého betonu v zimním období lze záměnou cementu či plastifikační přísady v dané receptuře betonové směsi. V zimním období je rychlost náběhu pevností betonu v konstrukci výrazně ovlivněna i vývojem hydratačního tepla cementu. V chladném počasí přichází v úvahu použití rychlého portlandského cementu CEM I 42,5 R místo standardního cementu CEM II/B-S 32,5 R. Tím se sice určitým způsobem zkracuje doba zpracovatelnosti, ale výrazně se omezí vychládání betonu před počátkem hydratace a započetím samoohřevu betonu. Pro urychlení nárůstu pevností je třeba zvolit betonovou směs s rychlejším portlandským cementem. Pokud je třeba naopak urychlit počátek tuhnutí a tvrdnutí, je správnou volbou R varianta betonové směsi, nicméně za cenu zkrácení zpracovatelnosti.

Ošetřování betonu během zrání

Správné ošetřování čerstvého betonu je klíčové pro dosažení jeho maximální pevnosti a trvanlivosti a pro minimalizaci rizika vzniku trhlin. Cílem je zabránit předčasnému odpařování vody z povrchu betonu, zejména v prvních dnech po pokládce, a zajistit tak dostatek vlhkosti pro úplnou hydrataci cementu. Nejkritičtějších je prvních 7 dní. Nejedná se o pasivní čekání, ale aktivní proces péče, který je stejně důležitý jako správné namíchání směsi.

Nejjednodušší metodou je zakrytí povrchu betonu neprodyšnou PE fólií ihned po zavadnutí povrchu (aby se fólie nelepila). Kromě toho lze povrch betonu pravidelně jemně kropit vodou, aby byl neustále viditelně vlhký. Dalším způsobem je zakrytí povrchu betonu savým materiálem (geotextilie, jutová pytlovina), který se udržuje neustále vlhký.

Alternativní materiály a jejich vliv na životnost

Data z měření povrchových teplot silnic a dálnic na Moravě (ŘSD) ukazují, že během zimy 2012/2013 došlo k více než 165 poklesům teploty pod bod mrazu, což způsobilo extrémní namáhání betonových konstrukcí. Bez dostatečné ochrany, zajištění minimální vlhkosti konstrukce nebo jiné ochrany proti mrazu mohou tyto mrazové cykly výrazně zkrátit životnost staveb.

Při počasí, kdy každou noc klesají teploty pod bod mrazu a očekává se sněžení nebo mrznoucí déšť, ošetřují správci komunikací povrch proti zamrznutí nejčastěji posypem solí nebo postřikem solankou. Roztok soli pak může netěsnostmi mezi rámem a poklopem, otvory mříží nebo mikrotrhlinami zatéci do konstrukce a způsobit, že beton velmi rychle ztratí své původní dobré vlastnosti. Pro ukládání kanalizačních poklopů, uličních vpustí a dalších objektů v pozemních komunikacích je vhodnější použít netuhý materiál, který je chemicky a mrazově odolnější než beton. Například prvky ze směsi recyklovaných termoplastů mají dvojnásobnou únosnost v tlaku oproti rychle tuhnoucímu betonu, jsou podstatně méně nasákavé a chemicky odolnější. Jak ukazují praktické zkušenosti s aplikací takové technologie v České republice, objekty jsou bez poruch i po patnácti letech.

tags: #mrazuvzdornost #betonu #v #zavislosti #na #case

Oblíbené příspěvky:

• Betonová stěrka Sakret: Vše, co potřebujete vědět
• Moderní a odolná litá podlaha
• Tipy pro malování velké chodby ze dřeva
• proč zvolit cihlové zdivo v bytě
• výběr revizních dvířek