BETONOVÉ MOSTY A VODA

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

Voda je pro beton zároveň nezbytný i rizikový faktor. Hledání mezi klady a zápory působení vody je u každé stavební konstrukce a u mostů zejména každodenní problém. Respektování všech funkcí vody u betonových mostů může rozšířit stávající názor na jejich konstrukční uspořádání, údržbu i ošetřování. Technická reálnost je doložena existujícími příklady ze zahraničí a v našich podmínkách je usnadněna dostupností široké materiálové báze stavební chemie. Pohyb vody konstrukcí tak může být regulovatelný nejen hydroizolačními vrstvami, ale i jinými způsoby. Některé z nich uvádí i tento příspěvek.

1. Hydratace betonu a voda

Pokud nahlédneme do některých zjednodušených příruček o betonu, můžeme dojít k názoru, že směs cementu, vody, plniv a dalších složek vytvoří za 28 dnů finální konstrukční materiál. Do této doby se vytváří a respektuje nějaký složitý proces. Pokud pokračuje i nadále, je fakticky ignorován. Tento náhled není korigován ani v případech, kdy i po této magické časové hranici se beton někde trochu tvarově deformuje nebo někdy vzniknou staticky obtížně zdůvodnitelné trhlinky. 

Pokud by někdo přijal podobná zjednodušení hydratace v plných souvislostech, jen obtížně si zdůvodní, proč by voda v betonu byla důležitá i po 28 dnech. V takovém případě bych vysvětloval asi takto. Doba 28 dnů je konvenční čas dohodnutý francouzskými odborníky někdy ve druhé polovině 19. století pro beton - tehdy nový stavební materiál. Tento čas byl pojat jako období, po kterém nárůst pevností je již velmi pozvolný. Je to údaj pro definování statických parametrů, nikoli materiálová definice betonu.

S rozvojem technologie betonu se ukázalo, že vysokých fyzikálněmechanických vlastností se dá za jistých okolností dosáhnout i u čerstvého betonu, tj. bezprostředně po zhutnění betonové směsi (dnes dominantně využíváno u výrobků drobné prefabrikace). Dalším příkladem jsou mnohé tzv. bezsádrovcové cementy a betony. Betony z těchto pojiv vykazovaly extrémně vysoké pevnosti již po několika minutách až hodinách po uložení. Obdobně by bylo možno popisovat vlivy přísad, některých příměsí, tepla, atp. 

Z uvedeného je patrné, že fyzikálněmechanické parametry betonu samy o sobě někdy nemají postačující vypovídací hodnotu vůči skutečnému průběhu hydratace. Nepříjemná je skutečnost, že jiný parametr na hodnocení betonu zatím nemáme. Proto tápeme.

Dnes existuje mnoho představ o složitých procesech reakcí cementu a vody, tj. o tzv. hydrataci. Rozhodně dnes nelze tvrdit, že by v této problematice panovala významná shoda názorů. Jistá jednotnost panuje alespoň v tom, že voda s cementem reaguje formou postupného rozpouštění pojiva a následného postupného vytváření různých gelů a krystalů. Jedním z mnoha dominujících vlivů, které toto formování (hydrataci) ovlivňují je okamžitá existence nadbytku, optima nebo nedostatku vody. 

Jednotný názor není ani v tom, jak dlouho hydratace trvá. Avšak i zde převládá názor v časové relaci roků až desítek let.

Trvá-li hydratace betonu roky nebo desítky let, minimálně po tuto dobu potřebují betony v jakékoli konstrukci, tudíž i u mostů, vodu. Pokud je jí nadbytek nebo nedostatek, probíhající hydratační procesy se pochopitelně nezastaví ani nezpomalí. Jen v souladu s přírodními zákony bude probíhat jinak. Vždy se ale budou vzájemně prokombinovávat fyzikální, mechanické a chemické reakce. 

Tím, že voda je průběžně hydratací betonem spotřebovávána, vnášíme další proměnnou, a to vlastnosti vody. Do hydratace vstupují reaktivní ve vodě rozpuštěné látky. Obecně s možným příznivým i nepříznivým dopadem na vlastnosti hydratujících betonů. 

Máme-li na mysli betonové mosty, pak z nežádoucích zejména iontovědisociujících látek je velmi pravděpodobná přítomnost v zimě používaných chemických rozmrazovacích solí, vzdušné oxidy pohlcované deštěm, přítomnost tzv. měkké podpovrchové vody, a další. 

2. Konstrukční řešení betonových mostů a voda

Most, jako stavební konstrukce, má řadu zvláštností. Z hlediska betonu, materiálu s dlouhodobě probíhající hydratací je u mostů typické velmi rychlé změny teplot, vlhkostí a velký vliv okolního prostředí. Ani jeden z těchto údajů není pro hydrataci příznivý. Formující se beton se snaží, stejně jako kterákoli jiná hmota, v každém okamžiku dosáhnout tzv. rovnovážný stav. Mění-li se prostředí, je pro beton nezbytné změnit teplotu i vlhkost. 

Tento možná složitě popisovaný proces podle fyzikálních zákonů probíhá u každé porézní látky, tedy i u betonu, automaticky a nezmění-li se přírodní zákony, nemáme žádnou možnost v reálných podmínkách zasáhnout. Co ovlivnit můžeme je, do jaké míry průběh změn teplot a vlhkostí té které konstrukci dovolíme. 

Voda na změny teploty reaguje také. V intervalu nezámrzných reálných teplot prostředí se voda vždy nachází v nějakém poměru skupenství kapalného a plynného. Zaměřme pozornost na plynné skupenství. Množství vodních par je popisováno relativní vlhkostí prostředí. Ta má specifickou vlastnost, že v běžných podmínkách nemůže překročit hodnotu 100%. Regulace množství vodních par probíhá tak, že současně část molekul vody se neustále odpařuje a jiná část molekul vodní páry naopak kondenzuje.

Změní-li se teplota, změní se i poměr rovnovážného poměru kapalného a plynného skupenství vody. Čím je tepleji, tím více vody se může změnit na vodní páru, čím je chladněji, tím více vodních par kondenzuje na vodu. Pokud při ochlazování relativní vlhkost dosáhne hodnoty 100%, dojde k okamžitému zkondenzování všech dalších nadbytečných vodních par (souvislost s rosným bodem).

2.1. Rosný bod

Rosný bod postihuje veškeré materiály. Beton není výjimkou. Potíž spočívá v tom, že teplota se mění v betonu po vrstevnicích v souladu postupnou změnou teploty od povrchu do středu konstrukční vrstvy. To znamená, že vnímáme jen povrchové orosení, ale podobný proces pozvolna postupuje do betonu. Není-li žádné omezení, postupuje tak zpravidla ze dvou stran, tj. z líce a z podhledu.

Takový ideální stav jen jedné vrstvy, ale až na výjimky (např. některé lehké lávky pro pěší) není. Existují různá souvrství, stykové zóny, průchody, oslabení, zesílení, aj. vlivy, které průběh změn teplot a tím i rosného bodu komplikují. Vznikají teplotní a vlhkostní spády a můžeme hovořit o teplotněvlhkostním režimu konstrukce. 

Z věcného hlediska to však nic nemění na skutečnosti, že zkondenzovaná voda uzavírá kapiláry a další průduchy, čímž téměř veškerá v hloubi uzavřená plynná vlhkost nemůže uniknout z konstrukce. Je-li jí více než odpovídá 100% relativní vlhkosti pro danou teplotu ochlazení, pak nadbytečná část okamžitě uvnitř konstrukční vrstvy zkondenzuje.

Opačný proces vypařování při oteplení působí u mostů rovněž od povrchu. Vysuší se povrch a až potom po patřičném oteplení i jádro betonové konstrukce. Jinými slovy únik případné přebytečné kapalné vody z konstrukce je pomalejší než její průnik do konstrukce. Takový režim je pro beton jako dlouhodobě hydratující materiál výhodný, pokud vnikající voda neobsahuje nebo nerozpouští agresivní látky.

2.2. Agresivní látky

Agresivní látky škodí tím, že hydratační procesy probíhají za současného snížení stálosti až rozpadu vznikající struktury. Tím že mohou být a jsou do betonu vnášeny a dále roznášeny vodou podstatně ovlivňuje náš pohled. Dominujícím zájmem je sledování kudy a jak se agresivní látky do konstrukce dostávají. Pomineme-li případné vady betonu při provádění a další chyby lidského faktoru, hlavní pohyb vlhkosti v betonu je v místech nejvyššího teplotního a vlhkostního spádu. Ten je zpravidla v místech náhlých změn průřezů, včetně míst otvorů a detailů, o oblasti defektů stykových zón sousedních vrstev a ve stykových zónách různých materiálů, v oblastech lokálního poškození nebo nedostatečného spojení vrstvy nebo úpravy bránící nebo omezující pohyb vody, atp.

Tato místa jsou extrémně zatěžována od účinků tzv. teplotněvlhkostních účinků s tím, že vznikne-li někde teplotněvlhkostní můstek, je tento zpravidla pouze lokální, nikoli plošný nebo prostorový. Dále už je věcí pouze kvality materiálů (včetně kvality betonů), kolik cyklů vlhkostních změn a v jaké kombinaci korozních účinků způsobí lokální destrukci stykové zóny nebo korozi betonu (zpravidla se takto děje současně). Na druhé straně neexistuje hydratační struktura, která by těmto účinkům trvale odolávala. Skutečné vlastnosti ovlivní jen to, za jak dlouho problém nastane.

Vzniklá lokální vada betonu od účinků agresivních látek v režimu teplotněvlhkostních mostů je doprovázena vyšší jímavostí vody narušeného místa. To se stává nejvyužívanějším místem vyrovnávání, kudy nejrychleji proudí vlhkost. Vada se následně postupně rozšiřuje ve stále rychlejším tempu. Od určité míry poškození vzniknou i okem viditelné doprovodné vady (lokální zatékání, vydrolování, delaminace vrstev, aj.), které po dalším určitém čase mohou vyústit až do potíží hrozících narušením statiky.

3. Obrana proti agresivní vodě

Z materiálového hlediska je pro beton ideální stav, pokud bychom v něm dokázali zcela zachovat pohyb a vyrovnávání vlhkostí a současně dokázali plně eliminovat přísun jakýchkoli vnějších agresivních látek. Máme-li na mysli konstrukce mostů na našem území, nevím, zda by vůbec bylo možné si namodelovat obtížnější zadání.

Hlavní roli naší obrany má projekt, který podle konstrukčního řešení by měl navrhovat co nejméně potenciálních míst teplotněvlhkostních spádů a současně by měl respektovat možnost "dýchání" konstrukce. S tím souvisí jak volba materiálů a jednotlivých vrstev, tak i specifikace kvality betonů. 

Průnik agresivních látky lze již na úrovni projektu řešit formou kombinací nebo jednotlivých opatření v intervalu hydroizolace, vodonepropustné úpravy, membrány, povrchová napouštědla, případně další. Projekt má možnost toto varianty ve vhodné kombinaci využít jak uvnitř konstrukce, tak na jejím povrchu. Až je most postaven, možnosti obrany se velmi omezí.

3.1. Hydroizolace

Dnes se vyskytuji u nás na téměř všech mostech. Velmi široká skupina výrobků o níž bude hovořit většina ostatních příspěvků. Charakteristickým rysem je nekompromisní řešení vůči vodě, kdy nepropustí vodu v žádném skupenství a navíc umí překlenout i případnou definovanou trhlinu. Nevýhodou je významné omezení vyrovnávání vlhkostí v betonu těsně nad a pod hydroizolací, kdy tato místo vždy musí být nebezpečná z hlediska vzniku teplotněvlhkostních mostů.

3.2. Vodonepropustné úpravy

Dnes pomalu pronikají a jsou zatím většinou navrhovány v součinnosti s hydroizolacemi. Mohou však za jistých podmínek působit i samostatně. Charakteristickým rysem je kompromisní řešení k vodě, kdy oboustranně propouští v tlumeném režimu vodní páru, ale nepropustí vodu (ani led). Tyto úpravy odolávají i tlakové vodě. Mohou být použity uvnitř konstrukce i na jejím povrchu, případně kombinací obou možností a mohou být použity vícekrát v rámci jedné konstrukce. Neumí překlenout případné trhlinky v betonu, jak je požadováno u skupiny 3.1., které vzniknou po nanesení vrstvy. Mezi stávající nabídku patří např. CHS-EPOXY 521-90 až 93, povrchové nátěry a injektáže na bázi epoxiakrylátů, některé krystalizační produkty pro mokré povrchy betonů, a další. Podle toho kterého výrobku jsou vysoce účinnou, účinnou až průměrnou ochranou proti koroznímu působení mrazu a rozmrazovacích látek ve smyslu ČSN 73 1326. 

3.3. Membrány

Skupina impregnací a penetrací. Zatím se u nás v mostním stavitelství nepoužívají, jsou ale využívány u jiných objektů inženýrského stavitelství. Charakteristickým rysem je vysoce tolerantní přístup k vodě, kdy propouští vodní páru, a po malém zadržení (řádově ve vteřinách) i vodu, ale dokáže eliminovat nebo podstatně snížit obsah iontovědisociujících látek z pronikající vody a zpevnit povrchovou strukturu porézních látek. Je to skupina, která ze všech uvedených nejméně ovlivní původní teplotněvlhkostní režim konstrukce a téměř zachovává i původní nasákavost betonu. Jsou účinnou ochranou povrchu betonu proti koroznímu působení mrazu a rozmrazovacích látek ve smyslu ČSN 731326. Neumí zaplnit trhliny a neumí překlenout žádné případné trhliny v betonu. které vzniknou po nanesení vrstvy. Tato skupina výrobků nemá tuzemského výrobce (neuvažují se varianty licenční výroby nebo zahraničního know-how).

3.4. Napoštědla

Skupina impregnací. Dnes lokálně pronikají do mostního stavitelství a jsou výlučně prostředkem druhotné ochrany. Jsou nejlacinější a současně vysoce účinnější ochranou povrchu betonu proti koroznímu působení mrazu a rozmrazovacích látek ve smyslu ČSN 73 1326. Charakteristickým rysem je tolerantní přístup k vodě, kdy propouští vodní páru a omezeně i vodu. Neumí zaplnit trhliny a neumí překlenout žádné případné trhliny v betonu. které vzniknou po napuštění. Tato skupina výrobků je zastoupena zejména Fimafobem (vodní báze bez dalších rozpouštědel) a barvou o 1010 (s organickým rozpouštědlem).

4. Betonové mosty a voda v zahraničí

Pro účely tohoto příspěvku se odkazuji na technickou zprávu profesora Wilka zpracovanou za účasti více osmnácti respondentů z různých států světa, především pak z Evropy. Tato zpráva vznikla při PIARC/AIPCR v roce 1998 a zpracovává údaje do roku 1996.

Je popsáno sedm základních konstrukčních systémů mostů, z toho dva s krytem z AB vrstev a pět s krytem z CB vrstev.

AB krytové vrstvy: 

• s hydroizolací mezi krytem vozovky a nosnou betonovou konstrukcí. Jsou sloučena řešení s celoplošnou izolací a izolací jen pod AB krytem. Typ dominuje u naprosté většiny států a jejich respondentů s výjimkou Japonska, Holandska, Portugalska, Rumunska, Thajska a USA.

•  bez hydroizolací. Typ dominuje na území Japonska, Holandska, Portugalska, Rumunska, Thajska a USA.

CB krytové vrstvy:

• Přímo pojížděná betonová konstrukce mostu bez krytové vrstvy a bez hydroizolace. Takové konstrukce uvádí Norsko, Thajsko, Španělsko a USA, vždy v malé četnosti.

• Přímo pojížděná betonová konstrukce mostu bez hydroizolace s tím, že pojížděná vrstva je betonována již jako dvouvrstvá betonáž (krytová vrstva) na čerstvý beton nosné konstrukce mostu. Uvádí Norsko a USA, oba jako četné konstrukce mostů.

• Betonový kryt budovaný jako spřažená konstrukce s nosnou konstrukcí mostu bez hydroizolace. Existenci asi u 10% všech mostů uvádí Holandsko, Portugalsko, Rumunsko, Švédsko a USA, nižší počet dále Japonsko, Španělsko a Švýcarsko.

• Nespřažený betonový kryt položený na hydroizolaci jen v oblasti pod vozovkou. (Varianta celoplošné hydroizolace nebyla nikým z respondentů uvedena nebo doplněna.) Uvádí Belgie, Kanada, Finsko, Německo a Švýcarsko. S výjimkou Německa zbývající státy tento konstrukční typ opouští.

• Nespřažený betonový kryt jako nadbetonávka bez hydroizolace. Uvádí Belgie, Německo, Itálie, Španělsko, Švýcarsko a USA.

5. Závěr

Voda a betonové mosty je téma, které pracuje s mnoha proměnnými. Protichůdný vliv vody, kdy na jedné straně je nezbytná pro dále pokračující hydrataci a na druhé straně do betonu transportuje nežádoucí agresivní látky, vyvolává různé reakce. Nedomnívám se, že existuje jednoduchý nebo jednoznačný způsob vyřešení tohoto problému. Mezi rozhodovací kriteria při návrhu konstrukce mostu doporučuji zvážit následující:

• Konstrukční řešení mostů provést s minimalizováním míst potenciálních teplotněvlhkostních mostů (co nejméně konstrukčních vrstev, pokud možno stejný průřez, minimalizovat četnost detailů v betonu).

• Pevnosti betonu nejsou dostatečně výstižný parametr kvality pro místa konstrukce zatížená teplotněvlhkostními mosty.

• Předpokládat, že hydratace pokračuje až do stáří betonu desítek let. Pevnost betonu a stav pokročilosti hydratace jsou dva různé údaje, které vedle sebe mohou být v extrémně velkém rozpětí, obecněji řečeno s nízkou korelační závislostí (samonosný beton může být za jistých předpokladů zhotoven již jako čerstvý beton).

• Normové stáří 28 dnů je konvenční dobou k níž se vztahují především statické kvalitativní parametry betonu, ale 28 dnů neříká mnoho o materiálové postatě betonu. 

• Konstrukce betonového mostu v důsledku obecně platných přírodních zákonů udělá vše pro to, aby mohla "dýchat". Bude-li to energeticky pro ni méně náročné porušení překážky (hydroizolace), i za cenu lokální destrukce, delaminace, vydrolování, atp.

• Rosný bod a jeho cyklický pohyb mostní konstrukcí dříve nebo později způsobí v dlouhodobém horizontu měsíců až let přítomnost vody v kterékoli betonové části mostu, a to bez ohledu na konstrukční řešení a umístění hydroizolačních vrstev.

Jako prostředek, který napomůže splnit potřebu mostní konstrukce doporučuji:

• Využívat přímé i nepřímé metody omezení průniku agresivních látek. K tomu účelně navrhovat a kombinovat hydroizolace, vodonepropustné vrstvy, membrány, napouštěla, a další.

• Nebát se v odůvodněných případech navrhovat i konstrukce bez hydroizolací.

• Respektovat, že povrch mostní konstrukce má vyšší specifické zatížení od účinků agresivních látek než jádro betonu.

• Pokud bude uvažováno s CB kryty mostů, zcela upustit u těchto konstrukcí od hydroizolací.

• Porovnat, zda řešení bránící nebo omezující průniku vody a agresivních látek jsou v ČR srovnatelná s trendy v zahraničí. Při tvorbě názoru buďme opatrní, protože mnohé úpravy, například téměř všechny membrány a napouštěla nejsou okem, mnohdy pak ani náhodnou, neprofesionální diagnostikou, zjistitelné.

zpět na seznam