TEPLOTNĚ VLHKOSTNÍ REŽIM BETONOVÝCH MOSTŮ

Ing. Zdeněk Nevosád, CSc. - Ing. Zdeněk Nevosád, Brno

Jednou z hlavních požadovaných vlastností betonových mostů je jejich životnost. Tu lze pojímat jako schopnost odolávat veškerému působícímu zatížení, tj. včetně účinků prostředí. Z široké a složité problematiky tzv. účinků prostředí bude v tomto příspěvku pojednáváno jen o dílčí části, o pohybu vlhkostí betonovou strukturou.

1. VLIVY OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ

Okolním prostředím se v rámci tohoto příspěvku míní všechny vlivy, které působí na povrch kterékoli části konstrukce a nejsou zahrnuty do statického výpočtu. Pokud pro zjednodušení přijmeme orientační rozlišení, můžeme být konkrétnější. Do statických výpočtů zahrnujeme především taková zatížení, která působí v důsledku své hmotnosti (síly, momenty, rázy, atp.), ostatní typy zatížení pojmenujme jako nestatická. Ty zahrnují např. kolísající spodní vodu, vzlínající vodu, déšť a jeho fázová přeměna v led, rosný bod a jeho průběh v konstrukci, sluneční osvit, zastínění, chemické zatížení, biologické zatížení, kontaminace, atp.

Zvláštní postavení má v tomto dělení pouze teplota. Ta jako jediná v uvedeném pojetí částečně náleží i do statického i do nestatického zatížení. Pro vysvětlení, stávající způsob zpracování důsledků změn teploty ve statickém výpočtu je nevyužitelný pro účinky zde pojmenovaného nestatického zatížení a naopak.

Tradiční statický návrh pod účinky teploty vnímá zejména doprovodnou délkovou nebo objemovou roztažnost materiálů, případně dopady na změnu fyzikálně mechanických parametrů materiálů ve vztahu k definovaným teplotním cyklům. Nestatické zatížení hledá např. lokální teplotní mosty dané konstrukční skladbou vrstev a materiálů, relace změn koncentrací roztoků a nasycených roztoků hydratačních produktů na teplotě, relace změn korozní agresivity na silikátovou strukturu v závislosti na teplotě a teplotním spádu, relace koncentrací agresivních látek a příslušné spády jednotlivých i kumulovaných koncentrací rozpuštěných látek v objemu betonu v závislosti na teplotě a teplotních spádech, atp.

Na první pohled je zřejmé, že statické a nestatické vlivy a zejména jejich působení na konstrukci jsou hodně odlišné záležitosti. Statické zatížení působí svou hmotností, tudíž prostorově neboť ovlivňuje i části mimo bod přímého kontaktu. Důsledky jsou bezprostředně měřitelné formou nějaké výsledné deformace a případná chyba se zpravidla projeví rychle.

Nestatické zatížení nemá hmotnost, proto působí jen v bodě kontaktu. Takto zatížený bod se bezprostředně nijak prostorově nedeformuje a není schopen ani část takto působícího zatížení převést do jiné části konstrukce. Důsledky v současné době při stávající úrovni zkušebnictví většinou nelze bezprostředně měřit, projeví se s časovým odstupem, někdy až v dlouhodobém horizontu.

Příkladem může být např. podzemní pramínek vody smáčící jednotlivé místo základové konstrukce, místo úkapu agresivní látky, jen částečný dlouhodobý sluneční osvit (pojízdná vrstva a podhled mostu), návětrná vůči závětrné ploše, atp. Zde v bodě kontaktu je vůči zbytku konstrukce jiné, vyšší (nižší) vnější nestatické zatížení a v důsledku vznikají spády velikostí nestatického zatížení.

Zcela samostatnou problematikou jsou chemické agresivní látky. V podstatě jen z empirických zkušeností jsme schopni dedukovat, co na betonovou strukturu působí agresivně a co nikoli. Jelikož vnějších chemických látek působí vždy více současně a kumulují se látky z ovzduší, z dešťů i různých roztoků v nestejných teplotních podmínkách, jsou zkušenosti různých regionů i podstatně odlišné. V tomto duchu je a bude jakékoli sjednocování kvantifikace nebo kvalifikace důsledků působení agresivních látek mimořádně složité.

Skutečností je, že intenzita korozního působení agresivních látek na silikátovou strukturu je extrémně komplikovaná. Korozní rychlost v závislosti na koncentraci je vyjadřována jako křivka polynomu nejméně třetího stupně. Navíc se nejedná o vzestupnou nebo sestupnou funkci, protože nejnebezpečnější jsou většinou nižší až střední koncentrace.

Vůbec nejhorší skutečností je, že pro odhad korozního účinku několika agresivních látek neplatí zákon superpozice. Pokud známe samostatný korozní účinek dvou různých agresivních materiálů, jejich smísením vzniká nová agresivní látka, která z hlediska svého korozního účinku může být až zásadně odlišná. Nejenom, že korozní účinek směsi není v relaci nějakého součtu jednotlivých vstupů, ale mění se i nejnebezpečnější interval výsledných koncentrací.

Zmíněný nesoulad je umocněn zejména tehdy, pokud se v závislosti na koncentraci roztoků mění teplota fázové přeměny pevného a kapalného skupenství roztoků a v případě, kdy kombinací několika agresivních látek se vytváří účinná rozpouštědla. Ve vztahu k mostním objektům, které snadno promrzají, plyne vyšší nebezpečí od nekonstantní závislosti koncentrace roztoků a teploty mrazu. Zde jsou nebezpečné zejména prostředky chemické zimní údržby.

2. KOROZE SILIKÁTOVÉ STRUKTURY BETONŮ

Nežádoucím důsledkem nestatických vlivů je především koroze betonové struktury. Ta může spočívat v jakékoli formě, tj. může pocházet od změn průběhů hydratace cementového tmele, z rozpadu cementového tmele, z rozpadu plniv, ze snižování soudržnosti mezi cementovým tmelem a plnivem a z jakýchkoli souběžných kombinací uvedených možností. Dalším následkem může být sprašování povrchu, olupování, tvorba výkvětů, vnik mapových trhlinek, lokální vydrolování betonu, poruchy od objemových změn plniv (všechny mimo teplotních), poruchy od objemových změn cementového tmele, atd.

Koroze silikátové struktury má své zvláštnosti. Probíhá pozvolna, takže z počátku nejsou vizuálně patrné žádné objektivní změny. Pokud je kvalita betonu posuzována jen jako funkce pevnosti betonu v tlaku, ani tato pevnost se u korozně napadeného betonu dlouho nemusí měnit. S rozvíjející se korozí betonu daleko dříve klesají pevnosti v tahu, smyku, soudržnost s jinými konstrukčními vrstvami. U mostů je problém, že tyto pevnosti bez podstatného zásahu do konstrukce a do souvrství moc měřit zatím neumíme. Nebezpečí poškození a vnesení nového korozního místa v místě takové sondy je přitom nepřiměřeně vysoké.

Pokusme se nyní definovat základní předpoklady chování a průběhu korozního napadení betonu nestatickým zatížením. Sem náleží zejména:

• Korozní napadení betonu od nestatických vlivů působí v každém bodě svého kontaktu s betonem nezávisle na jakémkoli jiném bodu betonové struktury. Nelze na konstrukci proto uplatnit principy superpozice jednotlivých nebo kumulovaných účinků.
• Korozní napadení betonu od nestatických vlivů není na mostní konstrukci za žádných reálných okolností časově nebo prostorově konstantní.
• Korozní napadení betonu od nestatických vlivů nelze hodnověřně simulovat separováním jednotlivých účinků. Pro různá (v některých případech i stejná) zatížení tohoto typu ani zde neplatí zákon superpozice.
• Nejvyšší korozní napadení každého betonu je na jeho povrchu. Povrchem se míní kontaktní plocha se vzduchem, s kteroukoli jinou konstrukční vrstvou (včetně jiné vrstvy betonu), s okolní zeminou nebo vodou.
• Agresivní látky mohou pronikat jako roztoky s pronikající vodou, vlhkostí nebo samovolným rozpuštěním přítomných plynů v kondenzační, hydratační, volné, aj. vodě. U mostních konstrukcí, kde se předpokládají hutné betony vysoké kvality je agresivní účinek plynů významně nižší, v porovnání s roztoky jej lze zanedbat.
• Korozní napadení betonů probíhá výlučně podle všeobecně známých přírodních zákonů.
• Korozní napadení od nestatických vlivů působí nevratné změny struktury betonu.

Optimální vlhkost je dána energetickými parametry prostředí, v němž se beton nachází. Nejedná se o konstantní hodnotu, ale o definovaný interval, v rámci kterého se optimální vlhkost v čase může pohybovat. V případě mostních konstrukcí je mimo jakoukoli pochybnost zřejmé, že optimální vlhkost se bude měnit. To platí nejen pro různou denní i roční dobu, ale i pro geometrii tvaru i jednotlivé body struktury (např. povrch, střed, protilehlá strana betonové vrstvy). Uplatňují se zde nejen vlivy oslunění, dešťů, větru, atp., ale i vlastnosti cementového kamene.

Podle principů kvantové mechaniky je rozdíl vnějšího prostředí definovatelný vyjádřením změn teploty každého jednotlivého bodu definovaného prostoru. Pohyb vlhkosti je proto nutno chápat v kontextu souběžného vnímání vlhkosti a teploty. Proto hovoříme-li o vlhkostním režimu, nelze jej separovat od teplotně vlhkostního režimu.

3. TEPLOTNĚ VLHKOSTNÍ REŽIM

Pro sledování vlhkostního režimu betonových mostů si připomeňme běžné zdroje, možnosti pohybu vody strukturou, nutnou spotřebu vody v betonu a úniky vody.

Zdroje vody jsou:	přilehlé nebo sousedící vodní plochy (potoky, rybníky, močály, přehrady), srážková voda, nahodilé kropení a kondenzační voda.
Pohyb vody betonem je možný:	trhlinami, spárami, stykovou spárou mezi konstrukčními vrstvami a na styku různých materiálů, póry a kapilárami struktury betonu.
Spotřeba vody v betonu je nutná:	pro pokračování hydratace cementového pojiva a k regulaci rovnovážné vlhkosti porézní silikátové struktury.
Únik vody z betonu je možný:	trhlinami, spárami, stykovými spárami mezi konstrukčními vrstvami a materiály, lokálními výrony, volným odpařováním z povrchů (vazba na tenzi par) a z důvodu regulace rovnovážné vlhkosti porézní silikátové struktury.

Z daného výčtu plyne několik podstatných informací. Beton má trvalou tendenci udržovat si tzv. rovnovážnou vlhkost své struktury. V případě mostů různé části betonové konstrukce mohou mít příslušné jiné prostředí. Odtud plyne, že různé části betonových mostů mají v daném čase odlišnou hodnotu rovnovážné vlhkosti silikátové struktury. Možným příkladem je např. mostovka vůči opěrné zdi nebo osluněná vrstva vůči podhledové části nosné konstrukce, osluněná část vůči zastíněné, atp.

Každou změnou vnějších podmínek se nevyhnutelně vytváří vlhkostní spád, který může mít jakoukoli vektorovou orientaci. Vlhkost může buď vnikat do struktury betonu, nebo z ní unikat. Pohybu vlhkosti brání vodonepropustné nebo současně vodo i paronepropustné zóny a vrstvy.

Příkladem zóny může být styková plocha mezi konstrukčními vrstvami, dále pak nátěry, penetrace, impregnace, fólie, atd. Příkladem vrstvy je například střídání betonů s cementovým a živičným pojivem, použití jiného konstrukčního materiálu v souvrství, hydroizolace, použití různých detailů uchycení ocelových sloupků, kotev, dilatačních bloků, atp.

Dalším poznatkem je nutnost zabezpečení vody pro hydrataci cementového pojiva. Podle energetického modelu hydratace cementu platí, že hydratace probíhá při jakémkoli poměru mezi cementem a vodou, pokud existuje jejich společná styková plocha. Produkty hydratace jsou ovšem definovány jako spočetná množina možných výstupů, tj. výsledný produkt hydratačních procesů by obecně neměl být totožný. Uplatňuje se přitom statistický model chování s tím, že každý možný produkt je definovatelný v rámci podmínek prostředí svou individuální pravděpodobností.

Přítomnost a množství vody je jedním z podstatných parametrů, který definuje podmínky hydratace. Mj. definuje kolik molekul může být v daném okamžiku rozpuštěno, resp. vyloučeno z roztoku, ovlivňuje dotvarování již hydratovaného betonu a definuje množství vnesených cizích molekul a množství odplavených rozpuštěných částic cementu.

S hydratací i s rovnovážnou vlhkostí souvisí nezbytnost existence pohybu vlhkostí betonem. Jedná se o proces, jehož existenci v podstatě nelze v běžných podmínkách nějak ovlivnit. Konstrukčním řešením a volbou materiálů i vrstev můžeme jen ovlivnit kudy vlhkost procházet může a kde její pronikání omezíme, zpomalíme nebo zastavíme.

Každý takový zásah má své důsledky. Vlhkostní spád je u porézních materiálů definován v rámci přírodních zákonů změnami prostředí. Jeho velikost a vektorová orientace je proto nezávislá. Je jen věcí konstrukčního vhodného nebo nevhodného řešení, zda a kde v konstrukci mostu existuje nějaká překážka pohybu vlhkostí. Pokud existuje, vlhkost k takové překážce dorazí a snaží se ji dál překonat nebo obejít.

Nemůže-li vlhkost překážku překonat, kumuluje se v daném místě. Vytváří se nerovnovážný stav v této části mostní konstrukce vůči prostředí. Tím se negativně ovlivňuje chování betonu i následné pokračování hydratačních procesů. Vzniká postupně trvalý atak vody a vodních par. Ten působí v proměnlivé velikosti. Dané místo je možno vnímat jako zatížené přídatným nestatickým zatížením. V dlouhodobém, třeba i několikaletém horizontu je zde nevyhnutelný postupný vznik kritických míst.

Existuje mnoho možností průniku vlhkosti přes překážku. Může-li pronikat jen s časovou prodlevou, např. na styku dvou vrstev betonu, proniká tak. Časové zdržení se v každém případě projeví dílčím zvýšením vlhkosti v oblasti stykové zóny.

Může-li vlhkost pronikat jen v plynném skupenství, je věcí velikosti tenze vodních par a míry paropropustnosti, kdy a jak vlhkost pronikne. Vzniká časové zdržení, které se projeví dílčím zvýšením vlhkosti v blízkosti paropropustné překážky. Toto zdržení bude tím delší, čím nižší je paropropustnost pro vodní páru.

Nemůže-li vlhkost pronikat v žádném skupenství, kumuluje se v blízkosti překážky. Podle vlastností betonu a vodo i paronepropustné překážky se postupně vytvoří lokální nové prostředí, odlišné od prostředí okolí mostu. Je jen věcí konstrukčního uspořádání a vlastností materiálů a jejich spojení, zda toto nové nestatické zatížení konstrukce přenese, či nikoli. Pokud nikoli, znamená to odtržení, proražení nebo degradaci betonu od vodonepropustné i paronepropustné překážky a souběžná koroze silikátové struktury.

Popisované chování, uvedené jen slovním výkladem, lze v rozhodující míře zde uvedených tvrzení matematicky formulovat. Nejedná se o jednoduchou konstrukci odvozování, proto se omlouvám případným zájemcům, že v rámci tohoto příspěvku není dán matematickým formulacím prostor.

4. ZÁVĚR

Teplotně vlhkostní režim betonových stavebních konstrukcí a mostů je důsledek působících vnějších, zde uváděných tzv. nestatických vlivů. Je to přirozená reakce na měnící se klimatické podmínky a působící agresivní látky, včetně jejich místních anomálií a diferencí. Tyto diference jsou i v rámci samotných konstrukcí jednotlivých mostů. Jelikož se jedná o přírodní proces, samotný fakt nevyhnutelnosti existencí teplotně vlhkostních mostů člověk v běžných podmínkách musí akceptovat.

Důsledkem teplotně vlhkostních mostů je přirozený pohyb vlhkosti betonovou strukturou, což je příznivé pro pokračování hydratace, ale nepříznivé pro případný průnik agresivních látek, či vyplavování rozpuštěných částic cementu. Vyrovnávání vlhkostí může probíhat jakýmkoli směrem, tj. jak do struktury betonu, tak z ní. V tomto ohledu v závislosti na teplotě je pravděpodobné, že během dne se směr pohybu vlhkosti mění, a to případně i několikrát (zejména na střídavě osluněných plochách), uplatňuje se cyklus léto, zima a další.

Teplotně vlhkostní režim probíhá v jakékoli části betonové konstrukce, tj. jak u nadzemní, tak i u podzemní části. Liší se jen velikost, rychlost změn velikostí a kinetika úměrně tomu, jak se v daném místě může měnit vnější prostředí.

Pohyb vlhkostí je definován přírodou, je proto nadřazený konstrukčnímu uspořádání vrstev. V praxi to znamená, že vlhkost se vždy šíří ve směru vlhkostního spádu. Šíří se tak dlouho, dokud nedosáhne oblasti s vlhkostním deficitem, dokud neunikne z betonu nebo dokud nenarazí na překážku.

V případě překážky se vytváří přídatné, zde uváděné jako tzv. nestatické zatížení, které buď konstrukce přenese, nebo se některá její dílčí část v jeho důsledku poruší. Porucha se projeví alternativně korozí betonové struktury, porušením překážky nebo jejich souběžným efektem.

Pokud se žádná porucha neprojeví, dotčené místo bude vykazovat jinou hodnotu tzv. rovnovážné vlhkosti, které bude vždy vyšší než adekvátní hodnota zbytkové části betonu. V tomto ohledu zde zůstane zachován trvalý vlhkostní spád. Daná oblast je potenciální oblastí vzniku tzv. kritických míst.

Překážka průniku vlhkosti může být překonatelná nebo nepřekonatelná. Překonatelná překážka je taková, kdy pohyb vlhkosti je jen zpomalen nebo omezen. Nepřekonatelná překážka je taková, kde pohybu vlhkosti je plně zabráněno.

V tomto ohledu doporučuji již ve fázi projektu mostů provést rozvahu, zda a kudy bude umožněn nebo naopak omezen, či znemožněn průnik vlhkostí. Je to volba a kompromis mezi různými prvky chránícími před možným nebezpečím. Proti sobě je volba, zda si přejeme raději korozní chování stavebních materiálů v podmínkách existence zde uváděných tzv. nestatických zatížení nebo korozní chování od vlhkostí případně vnášených agresivních látek.

Výsledek takového šetření by měl mít možnost uváženého rozhodování a řešení alternativ, což je ostatně i stav běžný v zahraničí, např. v západní Evropě, Americe a Austrálii. Do nového pohledu se v tomto pojetí přístupu ke stavební konstrukci dostanou mostní konstrukce s alternativním řešením ochrany před vodou. Zdůvodnění je na základě šetření teplotně vlhkostního režimu a je zřejmé, že by mělo být zcela individuální pro každý jednotlivý betonový mostní objekt.

zpět na seznam