Závislost degradace silikátových nátěrů na konstrukci mostních opěr a degradace uměle simulované

Rešerše dlouhodobých výsledků stavebně technických průzkumů vychází z monitoringu konkrétních konstrukcí opěr mostů nacházejících se ve městě Brně a jeho okolí. Podklady pro zpracování rešerše pocházejí z výzkumu prováděného na VUT Brno, FAST jež byl základem probíhajícího výzkumu GAČR P104/10/P279 „Vývoj ekologicky i ekonomicky výhodných nátěrových systémů určených primárně pro ochranu betonových povrchů“. Byla tedy vybrána konkrétní mostní konstrukce, u níž byly dostupné výsledky pravidelně prováděných stavebně technických průzkumů v co nejdelším časovém intervalu. Následovalo zpracování výsledků do formy degradačních křivek vypovídajících o skutečné závislosti degradace na čase.

Jako podklady pro zpracování degradačních křivek byly tedy použity výsledky STP mostní konstrukce nacházející se přímo v aglomeraci města Brna z různých období. Konkrétně se jednalo o období od roku 1996 do roku 2009. V tomto období bylo provedeno celkem pět STP předmětné konstrukce, přičemž v roce 1997 byla mostní konstrukce kompletně sanována, což umožnilo sledovat průběh degradace materiálů aplikovaných na povrchu od samotného počátku působení okolních vlivů. Degradační křivky byly zapracovány zvlášť pro každou konstrukční část. Z výsledků STP v daném roce se pro každou úroveň připravil soubor obsahující zjištěné hodnoty z průzkumu pro sledovaný parametr. Průměrnými hodnotami z různých časových úseků, vztaženo k počátku – nule (počátek degradačních křivek byl stanoven sanačním procesem v roce 1997) se proložila křivka. Při sanaci venkovního povrchu předmětného mostu byl použit ochranný silikátový nátěr (označení S30/70) vyvinutý v rámci výzkumu na VUT Brno, FAST. Komparacemi degradace tohoto nátěru na skutečné konstrukci mostních opěr a degradacemi uměle simulovanými se tedy zabývá tento článek.

HISTORIE TEPLOTNÍHO NAMÁHÁNÍ MOSTNÍCH OPĚR
Uváděná historie mostu obsahuje denní průměrné teploty okolního prostředí v období od ledna roku 2005 do února roku 2009. Na základě těchto podkladů byly pro provoz mostu v zimních měsících (prosinec až únor) analyzovány teplotní podmínky, kterým byl vystaven především povrch sledovaných opěr v závislosti na teplotě okolního prostředí. Výsledky provedené analýzy jsou uvedeny v grafu 1.

Pro formulaci počtu extrémních cyklů působících ročně na povrch mostních opěr je nutné stanovit následující:

• Každý den v zimním období lze obecně, vzhledem k faktu kolísání denní a noční teploty, považovat za jeden tepelně korodující cyklus.
•  Za období, jenž vykazuje teplotně korodující cykly, lze považovat měsíc před i po oficiálním zimním období, tedy období o celkové délce pět měsíců.

Z grafu 1 lze tedy obecně konstatovat, že jeden zimní měsíc obsahuje průměrně 24 až 30 teplotních cyklů, jež mají korozní účinek na materiály povrchu mostních opěr. Za tohoto předpokladu a na základě předchozích tvrzení lze tedy uvažovat se 120 až 150 teplotními cykly za jeden kalendářní rok.

KOMPARACE DEGRADAČNÍCH PROCESŮ
Degradační křivky vytvořené z výsledků stavebně technických průzkumů na předmětné konstrukci mostních opěr nereprezentují pouze jeden konkrétní okolní vliv či jeden korozní účinek, ale synergii hned několika okolních vlivů působících na povrch dané konstrukce. Vzhledem k užití mostní konstrukce lze za majoritní vlivy působící na povrch konstrukce považovat agresivní plyny CO₂ a SO₂ a teplotní zmrazovací cykly způsobené okolní teplotou. Komparace prováděná na degradačních křivkách a výsledcích laboratorních trvanlivostí nátěru S30/70 je tedy prováděna ve smyslu těchto synergicky působících vlivů. Křivky, jež tedy reprezentují laboratorně namáhaný nátěr S30/70, byly taktéž vytvořeny souhrnem úbytků jednotlivých vlastností po dlouhodobém působení agresivních plynů CO₂ a SO₂ a zmrazovacích cyklů. Jedná se tedy o hodnoty, jež teoreticky simulují synergické působení těchto laboratorně simulovaných tří agresivních činitelů po dobu 360, 540 a 720 dnů.

Výsledné degradační křivky spolu s hodnotami z laboratorních stanovení jsou uvedeny v grafu 2.

Z degradačních křivek je patrné, že po třech letech užívání mostu po sanačním zásahu v roce 1997 nedošlo k žádnému degradačnímu procesu povrchu. K samotnému počátku degradace povrchu došlo pak období let 2000 a 2001. Následný průběh degradace lze pak hodnotit jako lineární.

Jak již bylo zmíněno v úvodu tohoto článku degradace povrchu, jež reprezentují křivky na předchozím grafu, je způsobena synergií hned několika vlivů působících na venkovní plášť chladící věže. Křivky, jež tedy reprezentují laboratorně namáhaný nátěr S30/70, byly taktéž vytvořeny souhrnem úbytků jednotlivých vlastností po dlouhodobém působení agresivních plynů CO₂ a SO₂ a zmrazovacích cyklů. Jedná se tedy o hodnoty, jež teoreticky simulují synergické působení těchto laboratorně simulovaných tří agresivních činitelů po dobu 360, 540  a 720 dnů. Vzhledem k faktu, že po degradaci nátěru na povrchu opěr mostu dochází dále k degradaci povrchu betonu, nelze s laboratorně simulovanou degradací nátěrové hmoty S30/70 porovnávat pouze hodnoty odpovídající v daný okamžik STP míře degradace nátěru S30/70 na povrchu. Například z porušení nátěru 6,6 % v roce 2005 již i celých 6,6 % může v roce 2009 odpovídat porušení betonu v různých kategoriích. Z tohoto principu by pak porušení nátěru v roce 2009 mělo odpovídat 6,6 % + 12,2 %, tedy 18,8 %. Nelze ovšem tvrdit, že veškeré porušení evidované na povrchu je primárně způsobeno degradací nátěru. Jedním z výrazných vlivů na degradaci povrchu mají korozní produkty výztužné oceli způsobené buď postupující karbonatací nebo vlhkostí pod jinak zdravým a nedegradovaným nátěrem. Vlivem tlaků způsobených zvětšením objemu korozních produktů železa, pak dochází k odloupnutí
celé krycí vrstvy betonu i s nedegradovaným nátěrem. Tyto poruchy tedy nejsou zapříčiněny degradací nátěru. Skutečná degradace nátěrové hmoty je tedy do daného časového období vždy momentálně v rozmezí skutečně zjištěné degradace nátěru a skutečně zjištěné celkové degradace povrchových vrstev betonu.

Na základě tohoto principu jsou tedy na grafu 2 vyznačena reálná časová období, jež odpovídají kvantitou degradace jednotlivým dobám uložení vzorků v agresivních prostředích. Přičemž počátek degradace je stanoven vždy na rok provedení sanačního zásahu, tedy rok 1997.

360dennímu uložení nátěru S30/70 v agresivních prostředích plynů CO₂ a SO₂ a zmrazovacích cyklů tedy odpovídá degradace na skutečné konstrukci s počátkem v roce 1997 a koncem v rozmezí let 2002 až 2004, tedy reálné délce v atmosféře cca pět až sedm let. 540dennímu uložení v agresivním prostředí pak odpovídá degradace v intervalu let  2004 až 2007, tedy reálné délce v atmosféře cca sedm až 10 let. Ekvivalentní míra degradace nátěru S30/70 na reálné konstrukci chladicí věže k degradaci stanovené po 720 dnech působení plynů CO₂ a SO₂ a zmrazovacích cyklů nebyla po 13 letech na konstrukci věže stále dosažena. Ekvivalentní míra degradace nátěru S30/70 na reálné konstrukci chladicí věže byla však vzhledem k lineárnímu průběhu degradace do roku 2006 predikována na roku 2007 (přerušovaná fialová křivka v grafu 2). Na základě této predikce pak 720denní uložení v laboratorně simulovaném agresivním prostředí odpovídá reálné degradaci v intervalu let 2003 až 2007, tedy reálné době v atmosféře cca 10 až 13 let.

Soudržnost s podkladem
Souhrn průměrných hodnot soudržnosti s podkladem ze stavebně technických průzkumů provedených na povrchu mostních opěr spolu s hodnotami z laboratorních stanovení jsou uvedeny v grafu 3. Před samotnou sanací nebyly předmětné mostní opěry opatřeny ochranným nátěrovým systémem.

360dennímu uložení nátěru S30/70 v agresivních prostředích plynů CO₂ a SO₂ a zmrazovacích cyklů odpovídá změna soudržnosti s podkladem na skutečné konstrukci na rozmezí let 2007 a 2008, tedy reálné délce v atmosféře cca 10 až 11 let. 720denní uložení v laboratorně simulovaném agresivním prostředí odpovídá reálné změně soudržnosti s podkladem intervalu let 2008 až 2009, tedy reálné délce v atmosféře cca 12 až 13 let.

Rozmezí 360- až 720dennímu uložení nátěru S30/70 v agresivních prostředích plynů CO₂ a SO₂ a zmrazovacích cyklů tedy odpovídá změna soudržnosti s podkladem na skutečné konstrukci s počátkem mezi lety 2006 a 2007 a koncem v rozmezí let 2008 a 2009, tedy reálné délce v atmosféře cca 10 až 13 let.

Hloubka karbonatace
Souhrn průměrných hodnot hloubky karbonatace ze stavebně technických průzkumů provedených na opěrách mostu jsou uvedeny spolu s hodnotami z laboratorních stanovení v grafech 4 a 5.

Na degradačních křivkách pro hloubku karbanatace je uváděna hodnota tloušťky krycí vrstvy betonu nad výztužnou ocelí. Komparace těchto dvou hodnot je jedním z nejdůležitějších aspektů při posuzování stavu a životnosti mostu a stavu železobetonových konstrukcí obecně. Z grafu je patrné, že v roce1997, tedy před sanačním procesem, byly tyto dvě veličiny téměř vyrovnány, sanační proces provedený v roce1997 byl proto pro zvýšení životnosti celého mostu opravdu velmi aktuální. Postupem užívání mostu opět dochází ke sbližování těchto dvou veličin. Při predikci lineárností těchto dvou křivek lze jejich střetnutí předpokládat cca na rok 2024. Tento termín koresponduje s cca 20- až 25letou plánovanou životností sanačního procesu.

Laboratorně naměřené hloubky karbonace po dlouhodobé simulaci agresivních prostředí dosahovaly velmi malých hodnot. Z tohoto důvodu je komparace těchto hodnot a hodnot evidovaných v rámci stavebně technických průzkumů značně problematická, zejména pak pro 360- a 540denní dobu simulace. Na základě komparace degradačních křivek a výsledků hloubek karbonatace po 720denním uložení lze konstatovat, že tato doba uložení koresponduje s reálnou dobou užívání mostu od roku 1997 do 2005, tedy reálné době cca osmi let.

Tloušťka nátěru
Souhrn průměrných hodnot tloušťky nátěru S30/70 ze stavebně technických průzkumů provedených na opěrách předmětného mostu spolu s hodnotami z laboratorních stanovení jsou pak uvedeny v grafu 6.

Po provedení sanace v roce 1997 se hodnota tloušťky nátěrové hmoty S30/70 nemění a degradační křivky mají tedy konstantní průběh.

Rozsah, v němž tloušťka nátěrové hmoty S30/70 kolísá jak v simulovaném agresivním prostředí, tak na reálné konstrukci, lze považovat za zanedbatelný vzhledem k výsledným vlastnostem nátěrové hmoty a lze ho jednoznačně přisuzovat spíše nerovnoměrné aplikaci než samotné degradaci.

ZHODNOCENÍ
Samotné stanovení závislosti mezi laboratorně simulovanými agresivními prostředími a skutečným prostředím, jež působí na reálnou mostní konstrukci, je značně komplikované hlavně vzhledem ke konstantnímu ale i nahodilému spolupůsobení hned několika činitelů. Stanovení těchto závislostí bylo tedy provedeno na nátěrové hmotě S30/70, jež byla jednak použita při sanaci předmětných mostních opěr, ale také při laboratorní simulaci agresivních prostředí po dobu dvou let.

Z předchozího textu je zřejmé, že sledování tloušťky nátěru má nulový význam pro sledování korespondence mezi laboratorně simulovanými a skutečnými vlivy na daný nátěr. Ostatní korespondenční vztahy formulované mezi laboratorně simulovanými a skutečnými vlivy jsou velmi diskutabilní. 100% exaktní stanovení této závislosti lze považovat v podstatě za neproveditelné. V případě výzkumu zaměřeného výhradně na tuto problematiku by bylo možné vyřešit například diverzitu použitých podkladních materiálů, či způsob aplikace. Bylo by možné na reálné konstrukci upevnit vzorky s různými materiály a naprosto totožně připravené vzorky uložit do laboratorně simulovaných prostředí. Tímto způsobem by byla eliminována diverzita různých podkladních materiálů a různých způsobů aplikace jednotlivých hmot. Pro opravdu 100% exaktní stanovení vztahu mezi dobou uložení v laboratorně simulovaných a reálných agresivních látkách, by bylo ovšem nutno přesně stanovit a simulovat poměry synergie více agresivních činitelů působících na reálné konstrukce. Synergii agresivních činitelů, jež působí na materiály použité na reálné konstrukci Mostní opěry nelze ovšem nikdy 100% exaktně laboratorně simulovat.

Výsledné formulace lze tedy použít pouze na daný ochranný nátěr S30/70. Možnost obecné formulace závislosti mezi laboratorně simulovanými agresivními prostředími a skutečným prostředím, jež působí na reálné konstrukce je tedy podmíněná dlouhodobým monitoringem materiálů a podkladů naprosto totožných vlastností jak materiálových, tak i technologií použitých při jejich samotné aplikaci. Výsledky této práce jsou brány jako počáteční pro případný další dlouhodobý výzkum této závislosti.

Práce byla řešena s podporou VVZ MSM 0021630511 „Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí“, GAČR P104/10/P279 „Vývoj ekologicky i ekonomicky výhodných nátěrových systému určených primárně pro ochranu betonových povrchů“.

LITERATURA:
[1] Matousek, M., Drochytka, R. Atmosférická koroze betonů. Praha, IKAS, 1998. pp 171
[2] Drochytka, R., Dohnálek, J., Bydžovský, J., Pumpr, V.: Technické podmínky pro sanace betonových konstrukcí TP SSBK II. 1. vydání. Sdružení pro sanace betonových konstrukcí, Brno 2003, ISBN 80-239-0516-3.
[3] Drochytka, R., Bydžovský, J., Brožovský, J. a kolektiv Stavební vady od A do Z. 1. vydání. Praha: Verlag Dashöfer, nakladatelství, spol. s r.o. 2004, ISSN 1214-7060
[4] Bydžovský, J.; Dufka, A.; Šnirch, Z. Využití fyzikálně-chemických postupů pro stanovení stáří trhlin. Zpravodaj WTA CZ. 2006. 2006 (1–2). p. 9 – 11. ISSN 1213-7308
[5] Šnirch, Z. Možnost stanovení stáří trhlin v ŽB konstrukcích. Silnice a železnice. 2007. 2(2). p. 20–23. ISSN 1801-822X
[6] Dobrý, O., Palek, L.: Koroze betonu ve stavební praxi, Praha 1998
[7] Šnirch, Z.; Bydžovský, J.; Dufka, A. New direction of cooling towers monitoring and diagnostics. In Advanced and trends in Structural engineering, mechanics and computation. 1. CAPE TOWN, CRC PRESS. 2010. p. 126–126. ISBN 978-0-415-58472-2
[8] Šnirch, Z.; Dufka, A.; Bydžovský, J. New possibilities of cooling towers diagnostics and repairs for increasing a service life. In Concrete Under Severe Conditions Volume 1. Mérida, Yucatán, México, CRC PRESS/BALKEMA. 2010. p. 717–726. ISBN 978-0-415-59316-8

RECENZE
Článek svým obsahem zapadá do profilu časopisu SILNICE ŽELEZNICE sice spíše v okrajové míře, ovšem aktuálnost oprav ŽB konstrukcí silničních mostů je považována za velmi významnou a aktuální, a tedy i přínosnou pro daný časopis. Výsledky článku nejsou sice jednoznačně pozitivní, ovšem pro další případný výzkum v tomto odvětví velmi přínosné. Za velmi přínosné považuji zejména finální závislosti mezi laboratorně simulovanými a reálnými degradačními procesy. Při doplnění o další materiály by výsledky tohoto výzkumu měly velmi pozitivní vliv na výběr sanačních materiálů vzhledem k plánované délce životnosti sanačního zásahu. Článek dále neobsahuje žádné zásadní chyby či rozpory s všeobecně danými technickými zásadami.

Ing. Lukáš Dřínovský, Ph.D.,
drinovsky@stavexis.cz,
vedoucí znalecké sekce,
Znalecký ústav Stavexis s. r. o.

Relation of Degradation of Silicate Paints on the Bridge Abutment Structure and Artificially Simulated Degradation
In the period from 1996 to 2009 a total of five STP were carried out on the real bridge structure and in 1997 the construction in question was completely redeveloped which enabled to monitor the course of material degradation applied on the surface from the beginning of the influence of the surrounding. The average values from the different time sections were  then used to transfer the degradation curves. When redeveloping the outdoor surface of the bridge in question the protective silicate paint was used (labelling S30/70) developed within the research at VUT (Research Institute of Technology) Brno, FAST. Comparison of degradation of this paint on the real construction of the bridge abutments and artificially simulated degradation are the scope of this article.

Autor

• Ing. Šnirch Zdeněk Ph.D.