Trvanlivost cementového betonu 1 – vývoj technologie, vodostavebný beton

Trvanlivost cementového betonu

Z geologického hlediska je beton možné zařadit jako slepenec s vápenato-křemičitým tmelem. Ve škále hornin dominují z hlediska mechanických vlastností a trvanlivosti materiály vyvřelé, následované metamorfity odlišných parametrů v závislosti na způsobu přeměny a výchozím materiálu. Beton tedy můžeme brát jako druhotně spojený sedimentární materiál přeměněný za nízké teploty i tlaku. Už z tohoto srovnání je jasné, že obecně vžité pojetí věčné trvanlivosti betonu je poměrně nadsazené, poplatné nekritickému pohledu člověka na vlastní výtvor. Mnohé přírodní materiály jsou trvanlivější, a to dokonce i ve srovnatelné kategorii slepenců.

Na výsledné vlastnosti betonu mají zásadní vliv vlastnosti jeho složek, jejich vzájemný poměr, způsob zpracování a podmínky, za nichž probíhá nejen vlastní zpracování, ale i následná doba tuhnutí, tvrdnutí a zrání. Objev a rozvoj technologie betonu bezesporu posunul velmi výrazně možnosti stavění z hlediska velikosti a subtilnosti nosných prvků, ale i objemu výstavby při velmi příznivé cenové relaci betonových staveb. Odolnost a trvanlivost ve srovnání s předchozím stavem byla také poměrně lepší, a tak pionýři oboru předpovídali životnost betonových konstrukcí v horizontu sta let. U řady z nich se to potvrdilo, u jiných, zejména subtilnějších průřezů, zase ne. Hlavní příčinou poškození betonových, resp. železobetonových, konstrukcí je napadení ocelové výztuže korozí s následným odtržením krycí vrstvy betonu.

Spojení tlačeného betonu s taženou ocelí u štíhlých tlačených a ohýbaných konstrukčních prvků umožnilo další skok v navrhování stavebních konstrukcí a postupem času nám ukázalo zásadní vliv podmínek, jimž je taková konstrukce vystavena, na její trvanlivost a životnost.

Beton, hlavně ocelí vyztužený, se stal oblíbeným materiálem konstrukcí pozemních, ale hlavně pak inženýrských staveb. V návaznosti na dosavadní pojetí ochrany stavební konstrukce se i na betonové konstrukce aplikoval systém ochranné vrstvy, analogicky jako omítky u zdiva z méně odolných staviv. V kontextu tehdejších technologických možností měl takový přístup své praktické opodstatnění. Beton se namáhavě hutnil pěchy, stav hutnosti a homogenity nebyl často po odbednění právě uspokojivý. Jsou jistě výjimky potvrzující toto pravidlo, jako např. pevnosti našeho pohraničního opevnění, prováděné ale za pomoci vojska a s nemalým pracovním nadšením.

Pomineme-li beton v chemickém, specificky agresivním prostředí, je nejčastějším případem poškození vystavení betonových konstrukcí běžným nebo drsnějším klimatickým podmínkám, tj. střídání teplot i pod bodem mrazu společně s navlháním či smáčením a vysycháním, případně trvalý ponor pod vodou za střídavých teplot. Jde tu zejména o stavby základů, spodních částí objektů, vodohospodářských staveb. Obdobné podmínky, avšak doplněné navíc působením chemických rozmrazovacích látek, mají objekty dopravních staveb, tj. především mosty, betonové vozovky, betonová svodidla, protihlukové zdi apod.

 

Snad tedy v tomto spojení je možno hledat určitou logiku označení trvanlivějšího betonu jako vodostavebního a jeho uplatňování v kontextu staveb, které s těmi vodohospodářskými pramálo souvisejí tak, jak tomu je např. v naší ČSN 73 1209. Normotvůrci zde v obecnosti shrnuli stav vědění o technologických pravidlech dosažení nepropustnosti pro vodu a odolnosti, když v čl. 19. takový beton člení na a) vodotěsný, b) trvanlivý, a to proti korozi, mrazuvzdorný a houževnatý. Tato norma sice postrádá přímou definici svého předmětu, tzn. vodostavebního betonu, ale zase ho poměrně dobře třídí podle kontaktu s vodou, masívnosti konstrukce, nosnosti a nenosnosti, i polohy v jádře nebo obalu.

Za povšimnutí stojí mj. i článek 36, který konstatuje, že tenkostěnné konstrukce (rozuměj tloušťka stěny do 0,60 m) jsou vodotěsné, pokud hloubka průsaku při zkoušce (ve stolici dle ČSN 73 1321) nepřesáhne 80 mm, event. polovinu tloušťky vzorku v případě jeho tloušťky menší než 150 mm, což platí pro všechny stupně vodotěsnosti betonu. Mlčky se tu tedy předpokládá beton bez trhlin, kterých ovšem reálná konstrukce nikdy nemůže být prosta, a přitom je stanoveno poměrně velmi měkké kritérium hloubky průsaku vody do betonu.

Chemická koroze se v této normě hodnotí pouze jako koroze agresivních vod a je nepříliš jasně členěna do tří skupin na slabou, střední a silnou. O poznání líp je definována i hodnocena odolnost betonu proti střídání teplot, resp. zde mrazuvzdornost.

Přes její slabá místa je třeba ocenit, že tato norma hodnotí z hlediska trvanlivosti obyčejný beton hutný, funkčně definuje jeho primární a sekundární ochranu, přísady a příměsi včetně hydraulických, zavádí určitou strukturu značení betonu, člení naše území na oblasti s odlišným stupněm klimatického zatížení a stanoví kritéria pro pojiva i plniva betonu. Jak bylo uvedeno výše, vodotěsnost hodnotí překvapivě měkce, zatímco např. poslední větou čl. 51 prakticky znemožňuje použití betonových nádrží na pitnou vodu – pro přímý styk, když požaduje použití cementu s prokázanou nezávadností. Takovému kritériu nelze vyhovět již z podstaty složení portlandského cementu (např. podíl aluminátů). Prakticky je třeba hodnotit objem vody ve vztahu ke kontaktnímu povrchu, její dobu zdržení, vlastní chemické parametry, rychlost proudění atp. Ostatně existuje řada povrchově nechráněných betonových objektů pro vedení a akumulaci pitné vody a jejich užívání nikomu zvlášť neubližuje. Pravdou je však i to, že výroba cementu také postupuje dál, přes dřívější stanovené meze, a je tedy nezbytné výsledný produkt obezřetně kontrolovat.

Domnívám se, že trvanlivost betonu není účelné posuzovat jen jako materiálovou vlastnost, ale že je nutno ji, podobně jako třeba nepropustnost pro vodu, hodnotit i na konstrukci jako celku. Limitní pro trvanlivost betonu je jeho hutnost, odolnost a poměr složek, především poměr vody a cementu, tzv. vodní součinitel. Zlepšováním technologie betonu jsme za použití moderních přísad schopni vyrobit velmi odolný beton, omezený již prakticky jen chemickou odolností svých složek. Při širším vnímání trvanlivosti jako dlouhodobé spolehlivé funkční životnosti betonové konstrukce v konkrétních podmínkách musíme zahrnout do hodnocení i časový faktor působení degradačních činitelů a v opodstatněných případech, kdy rychlost poškození samotného betonu nesplní naše představy, použít i odpovídající sekundární ochranu (chemické prostředí, rozmrazovací látky apod.). Obecně chápaná „věčnost“ betonu má samozřejmě své meze – přinejmenším v dlouhodobém působení klimatických vlivů, které jsou schopny rozrušit i kvalitní vyvřelé horniny, natož náš cementový beton. Tak jako organismus má zabudovány své sebezničující mechanismy, má i beton z tohoto pohledu svou slabinu v korodující výztuži, ve své křehkosti a tvrdosti, vyluhovatelnosti a nasákavosti.

 

Stále platí základní pravidlo, že dobrý beton vznikne z dobrých složek při dobrém zpracování a ošetření – jak prosté a jak prakticky obtížně splnitelné. Ani v našich podmínkách s poměrně bohatými ložisky kameniva nemáme vždy k dispozici dostatek např. kvalitních přírodních štěrkopísků. K výrobě betonu jsme tedy nuceni používat drcených hornin, které nezřídka mohou působit problémy s trvanlivostí betonu pro své mineralogické složení. Výroba betonu, ač levného staviva, je finančně náročná, a není tak vždy rentabilní dovoz kvalitní objemné a těžké suroviny ze vzdálených zdrojů.

Podobná situace jako u plniva je i v případě pojiva. Máme sice řadu poměrně kvalitních surovin, ale výroba betonu, potažmo cementu, se potýká s tlakem na pokles nákladů. Současně je tu i tlak na zpracování odpadů – druhotných surovin – a jejich fixaci v betonu. Neustálým vývojem v této oblasti tak vzniká stále poněkud pozměňovaný produkt, který je třeba zpracovat. Použití hydraulických přísad je zpravidla z pohledu trvanlivosti pozitivní, neboť jde většinou o hydraulicitu druhotnou a klesá tím poněkud obsah prvotně aktivní složky pojiva v betonu, což zpravidla vede k vyšší chemické stabilitě hydratačních produktů. Současně však působí i tlak na rychlé dosažení výsledných, především mechanických, vlastností betonu pro rychlejší postup výstavby, vyšší obrátkovost bednění apod., který je zase většinou v protikladu s předchozím trendem. Vyrábějí se proto cementy rychlovazné s vysokou jemností mletí, což jednak něco stojí, jednak se vytrácí rezerva kvalitativních parametrů, způsobovaná dříve dlouhodobě probíhající hydratací.

Za těchto podmínek není snadné dosáhnout potřebných funkčních parametrů, a tak do technologie betonu vstupují přísady pro vylepšení jeho vlastností. Nejprve těch výsledných a posléze i technologických, když byla správně doceněna provázanost obou oblastí.

Jednou z prvních, na svou dobu úžasných, vlastností betonu byla jeho nepropustnost pro tekutou vodu, chcete-li tedy vodonepropustnost. Začala tak éra různých chemických přísad, z nichž řada se již používat nesmí s ohledem na spodní vody nebo třeba na korozi ocelové výztuže. Velmi pozitivním výsledkem těchto trendů je používání ztekucujících přísad, stále účinnějších generací, které vedou k redukci onoho vodního součinitele, který je klíčem k trvanlivosti obyčejného hutného betonu. Technicky je dnes možné se pohybovat na úrovni pod 0,45, což je již pod hranicí citované ČSN 73 1209, která byla tak v tomto ohledu překonána. Překonán však nebyl její požadavek na omezení objemových změn a zabránění vzniku trhlin v období tuhnutí a tvrdnutí úpravou technologie a složení betonové směsi, což právě s použitím přísad velmi úzce souvisí.

Tak jako rozvoj ocelářské výroby přinesl použití mleté strusky, nastal s rozvojem energetiky a spalování nový tlak na zpracování popílků. Ty se v řadě případů ukázaly jako použitelné hydra­ulické přísady a dnes nahrazují v běžných betonech část cementu a také část jemných podílů kameniva, která zpravidla chybí v dostupných píscích. Oba tyto typy přísad jsou svou velikostí, jemností mletí řádově srovnatelné s velikostí cementu.

Dosavadní vývoj cementového betonu jej však stále nedokázal zbavit vyluhovatelnosti ani zásadně zlepšit jeho vodonepropustnost a odolnost. Tyto vlastnosti jsou velmi důležité pro dosažení skutečné trvanlivosti, neboť jen málokdy beton vzdoruje ve venkovním prostředí tlaku vody 12 bar, ale skoro všechny konstrukce jsou střídavě atakovány měkkou srážkovou, resp. povrchovou vodou. Závažnost tohoto problému mohou ilustrovat povlaky a krápníky na mnoha starších konstrukcích, ale i poškozené oblasti stěn v rozmezí kolísání hladiny vody v nádržích, vyluhované betony důsledně drenážovaných objektů, poškozené spodní stavby tam, kde kolísá hladina vody v zámrzné hloubce.

Vyluhování betonu je přirozeně věcí maltoviny, přesněji pojiva – tedy nedopalku vápna obsaženého v cementovém slínku. Problém tkví v tom, že tento materiál, byť je ho v betonu nevelké množství, se nechová hydraulicky a nevytváří při tuhnutí a tvrdnutí pro vodu nerozpustné hydratační produkty. Při následném kontaktu zatvrdlého betonu s vodou příslušné tvrdosti pak dochází k přechodu těchto sloučenin do vodného roztoku a k následnému vyplavení z cementové struktury. Nevzniká tím ani tak ztráta na mechanických vlastnostech betonu, snad spíše nepříjemné narušení jeho vzhledu, ale hlavně se vytváří volná cesta pro kapalnou vodu zpět do betonové struktury, umožňuje se dosáhnout vysoké míry jejího nasycení a dílo zkázy pak dokoná mráz ve svých cyklech mrznutí a tání. Je nasnadě, že tento proces se neslučuje ani s představou nepropustnosti pro vodu ve smyslu shora citované normy. I když intenzita takového poškození zpravidla nemusí být velká a jeho rozvoj závisí na cyklickém zatěžování o velkém počtu cyklů, omezuje zásadně časovou představu o trvanlivosti betonu a za určité kombinace podmínek může být taková degradace betonu až nečekaně rychlá.

Řešením výše zmíněné slabiny cementového pojiva je použití mikrosiliky jako přísady do betonu, které se začalo v zahraničí zkoušet již v 50. letech minulého století a po zavedení do praxe v následujících dvou desetiletích se stalo opravdu zásadní kvalitativní změnou v  technologii betonu. Ve srovnání s předchozími etapami vývoje jde o skutečně revoluční záležitost vstupu částic velikosti desetin mikrometrů do cementového betonu. Zmíněný přínos z hlediska trvanlivosti je naprosto zásadní, i když následující vývoj ukázal i další významná pozitiva takové modifikace.