Vlastnosti a funkčnost vodonepropustných úprav

ilustrační foto

1. Mosty

Základní funkcí každého mostu je jeho schopnost v daném prostředí a na určenou dobu překlenout přírodní nebo umělou překážku. Není rozhodující, jaká mostní konstrukce a z jakých materiálů je provedena, pokud při přiměřené údržbě skutečně slouží. Existují proto mosty betonové, ocelové, kamenné, dřevěné i kombinované, kde se uplatní i více materiálů. Základní užitná (předpokládaná) životnost mostů je v České republice uváděna 100 roků. Pro české prostředí, charakteristické četnými průběhy teplot přes bod mrazu během roku při velmi vysoké agresivitě prostředí, je vůči většině států náročnější problematika materiálové životnosti. Volba materiálů, jejich vzájemná kombinace, řešení detailů a další musí být proto u novostaveb i v rámci oprav uvážlivě navrženo a následně i provedeno.

2. Mosty a voda

Voda, pokud by existovala jen sama o sobě a v jednom skupenství, by ani nemusela být nežádoucí prvek mostu. Jenže voda je mimořádně účinným rozpouštědlem a v intervalu reálných teplot mění skupenství. Změna skupenství je doprovázena objemovými změnami, což vadí zejména při její přeměně v led. Doprovodné vlastnosti vody z ní činí (nejen u mostů) velmi obávaný prvek, který v kombinaci se střídáním teplot a s rozpuštěnými agresivními látkami může až drasticky snížit životnost některých stavebních materiálů.

V tomto ohledu jsou nejzranitelnějšími materiály beton a ocel. Rozdíl mezi nimi je ten, že prvotní koroze betonu není vidět, proto ji zpravidla nevnímáme, zatímco ocel ihned mění své zabarvení na povrchu.

Co se děje u betonů? Pronikající voda se smísí s volnou vodou ve struktuře do níž vnese nové v sobě rozpuštěné látky. Jelikož beton dlouhodobě hydratuje a k napadení dochází až v určitém stádiu pokročilosti těchto procesů, změní se dodatečným vnesením rozpuštěných látek jen následný průběh hydratace. Reaktivní rozpuštěné látky jsou nazývány agresivními, neboť se velmi ochotně chemicky a fyzikálně vážou do struktury. Tato změna je s ohledem na pokročilost hydratace a již vytvořené struktury pozvolná, čímž se jen postupně mění vlastnosti. Pohříchu vliv agresivních látek mnohdy nespočívá ani tak v tvorbě méně pevných produktů hydratace, jako spíše ve vzniku méně stabilních produktů. Ty zpravidla jsou buď extrémně rozpínavé v důsledku absorpce volné vody nebo jsou samy o sobě metastabilní. Jedná se o vliv zpravidla již nezvratný. V okamžiku, kdy četnost vadných hydratačních produktů přesáhne limitní hodnoty, a ty souvisí se stářím betonu a typem nově se vytvářejících hydratačních produktů, nastává viditelná změna vlastností. Ta se projeví třeba sprašováním, vydrolováním plniv a později i poklesem pevností betonu v tlaku. Proto důsledky koroze se u betonů projevují až po několika měsících či letech od okamžiku korozního napadení.

Jaké je obrana proti korozním vlivům? Pokud voda, byť sama o sobě nevadí, je nejvýznamnějším nosičem agresivních látek, je nebezpečím pro životnost materiálů. Proto se jejímu volnému průniku do struktur materiálů bráníme. Je ideální zcela vyloučit možnost jejího vniku? Bezpochyby ano, ale jen tam, kde voda zároveň není nezbytnou součástí struktury materiálů. Tudíž takto lze řešit korozi např. u ocelí, nikoli však bez výhrad u betonů.

3. Migrace vody betonem

Beton je heterogenní, porézní materiál, který existenčně potřebuje mít volnou vodu ve své struktuře, minimálně pro pokračování hydratačních procesů. Aby to bylo možné, musí mít hygroskopické vlastnosti a schopnost svým povrchem přijatou vodu dále rozvádět do nitra svého objemu i opačně přebytečnou vodu odvádět z nitra na povrch. Volná voda ve struktuře betonu je tudíž v pohybu. Z uvedeného plyne, že občas je voda betonem pohlcována z prostředí, občas je betonem uvolňována do prostředí.

Pohyby vlhkosti ve struktuře betonu jsou obousměrné a jsou definovány výlučně fyzikálními podmínkami rozdílů okamžitých hodnot okolního prostředí a konkrétní betonové struktury. Podmínky prostředí se mohou místo od místa lišit. Proto je nutno uvažovat každý jednotlivý kontaktní bod mezi prostředími. Rozhodující roli hraje nejen obecné umístění stavby, ale i každá dílčí část konstrukce. Podle tohoto výkladu i u stejného mostního pole může ve svém důsledku ve stejném okamžiku na jedné části beton vlhkost z okolního prostředí přijímat a na druhé ji do okolí uvolňovat. Tyto stavy může způsobit vítr, oslunění, blízká přítomnost vodního toku, ale i spád, zakřivení mostů, provedení detailů, atp.

Takový jev dokazuje nerovnoměrné rozložení vlhkosti v objemu betonové struktury, čemuž se beton brání. Podle fyzikálních zákonů se rozdíly mezi místy různých vlhkostí vyrovnávají. Současně dochází i k paralelnímu pohybu vlhkosti i v rámci betonů ve struktuře. Prakticky to znamená, že mostní konstrukce, pokud jsou zhotoveny z betonů, jsou charakteristické všesměrným oboustranným pohybem vlhkosti strukturou.

To činí mosty mimořádně exponovanými konstrukcemi, protože tak rychlé změny parametrů okolního prostředí ve srovnatelné míře neplatí u naprosté většiny konstrukcí pozemního a vodního stavitelství, ale ani u technologicky správně navržených cementobetonových vozovek.

4. Materiály na mostech

Z předchozího je patrné, že v případě betonových mostů vždy stojíme před problémem, co s vodou. Nezbývá, než zvolit některé z technicky nedokonalých řešení. U každého jednotlivého objektu je navrhována ochrana před vodou v alternativě menšího zla. Lze připustit redukovaný průnik vody byť s rizikem vnesení rozpuštěných agresivních látek, nebo jej zcela vyloučit s vědomím zrychleného stárnutí betonové struktury.

Nebezpečí daná přítomností agresivních látek již byla ve stručnosti popsána a jsou i obecně známa. Objektivně je nutno konstatovat, že území ČR patří z hlediska agresivních vlivů (společný účinek klima a přítomných agresivních látek) k vůbec nejnepříznivějším v Evropě.

Nebezpečí plynoucí z uzavření vlhkosti ve struktuře jsou technické veřejnosti známá mnohem méně. V principu jde o to, že vlhkost se šíří strukturou betonu bez ohledu na případná souvrství podle fyzikálních zákonů. Je-li položena nepropustná hydroizolace, přenos vlhkosti se na ní zastaví. Vlhkosti nemůže dál pokračovat a hromadí se zde. Je dále jen věcí kvality materiálu a času, kdy doprovodné objemové změny dané nerovnoměrným nasycením vodou se projeví. Pod hydroizolací se hromadí především kondenzační voda bez vnesených agresivních látek (resp. v podstatně redukovaném obsahu), nad hydroizolací je dešťová a povrchová voda s vnesenými agresivními látkami. Hydroizolace je, nebo se v důsledku uvedených pohybů vlhkosti stane, v konstrukci separační vrstvou.

V případě asfaltobetonových krytů vozovek na mostech tato skutečnost většinou vadí méně. V případě cementobetonových krytů vozovek je jakákoli separační vrstva vážný problém omezující možnosti statického dimenzování.

5. Technologická řešení používaná v zahraničí

Oficiální výstupy po vyhodnocení dotazníku PIARC/AIPCR C7/SC 8, jejímž předmětem jsou cementobetonové kryty na mostech, za státy: Belgie, Kanada, ČR, Finsko, Německo, Japonsko, Itálie, Írán, Holandsko, Norsko, Portugalsko, Rumunsko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Thajsko, Velká Británie a USA, uvádí:

• Je uváděno 7 základních skupin různých řešení krytových vrstev na betonových mostech. Z toho dvě jsou s AB kryty a pět s CB kryty.
   
• AB i CB kryty mají základní varianty staticky nevyužívané konstrukční vrstvy s hydroizolací a bez hydroizolace. Hydroizolace jako konstrukční vrstva dominuje u AB krytů, byť s výhradou, že varianta celoplošné izolace mostů je méně častá (jedinou výjimkou, je v rámci uvedených států jen ČR). U AB krytů je typické řešení, kdy hydroizolace je jen pod AB krytem, nikoli však pod mostními římsami (pod případnými chodníky pro pěší).
   
• Zbývající skupiny u CB krytů jsou bez hydroizolace. Řeší způsoby statického využití krytů s mostovkou od spřažení po nižší stupně statického spolupůsobení.
   
• Závěry uvádí a vnáší i souběžné požadavky na trvanlivost betonu, případně dalších stavebních materiálů. Je doporučeno použít cokoli, co zvýší za přiměřených nákladů trvanlivost a odolnost proti sjíždění povrchu, u AB krytů i plošnou deformaci vrstvy. Doporučuje se zejména odolnost proti posypovým solím (tam, kde je reálné pak mrazu a posypovým solím) a obecně proti povrchové korozi všech materiálů.

Tam, kde se nepoužívá hydroizolace má být ochrana před vodou alternována řešením, kde se jiným způsobem docílí požadovaných ochranných účinků. Ty zahrnují v kombinaci s vhodnými typy vodonepropustných úprav různé požadavky, kdy samostatně nebo ve vzájemné kombinaci je třeba dosáhnout:

• odolnost betonu proti společnému účinku mrazu a posypových solí,
• antikorozní ochranu výztuže případných spřažujících prvků (minimální technologická tloušťka betonové vrstvy musí být nad 80 mm),
• ochrana před pronikajícími chloridovými ionty (především u předpjatých mostů),
• trvalou soudržnost staticky spolupůsobících vrstev,
• povrchy bez trhlin (není jednotný názor, co je a co ještě není trhlina).

6. Alternativní řešení a ČR

Domnívám se, že dosud neexistuje jednoznačná definice alternativního řešení. Pro účely tohoto článku proto předpokládejme, že alternativní řešení začínají tam, kde se alespoň částečně podaří snížit průnik vody a končí tam, kde opatření nepropustí žádnou vodu v jakémkoli skupenství a přitom se nejedná o hydroizolaci.

Takto vymezená působnost pro alternativní řešení je mimořádně široká. V dalším budou pro účely příspěvku zjednodušeně proto jen vybrané, níže uvedené sdružené kategorie materiálů stavební chemie.

a) Hydrofobizátory (napouštěla, impregnace)

Kategorie hmot, která vniká do povrchové vrstvy porézních materiálů, kde bez následné polymerace nebo krystalizace zůstává. Fyzikálním principem (změnou úhlu smáčení vody na povrchu betonu)  snižují možnost průniku volné vody (oboustranně) malými prostupy šíře do cca 0,3 mm. Hydrofobizátory po vsáknutí (to může trvat i týdny) nezanechávají na povrchu viditelnou stopu, tím méně souvislý film. Tato kategorie hmot zahrnuje i výrobky, které jsou dnes nejúčinnější ochranou proti společnému působení mrazu a posypových solí.

Výhodou hydrofobizátorů jsou velmi malé náklady, nevýhodou pak časově omezené zhoršení smykových vlastností a téměř nulová přídržnost případných dále nanášených materiálů. To vadí zejména při barevném značení vozovek. Hydrofobizátory se aplikují zpravidla dvakrát až třikrát během životnosti konstrukce. V ČR se běžně používají na konstrukcích silničního (impregnace), mostního a pozemního stavitelství.

b) Polymerní a krystalické nástřiky a nátěry (vodonepropustné úpravy a membrány)

Zřejmě hmoty z vůbec nejširším sortimentem nabídky na trhu. Materiál vniká do povrchové vrstvy různými prostupy, které následně v důsledku vlastní polymerace nebo krystalizace zaplňuje. Současně se na povrchu materiálů vytváří souvislý tenký film, zpravidla tlouštěk do 0,3 mm (0,5 mm). Vytváří se druhotná struktura, která u betonů může a nemusí být chemicky vázána i na nové vznikající hydratační produkty. I když obecně tyto výrobky nedosahují srovnatelné účinnosti proti společnému účinku mrazu a posypových solí jako hydrofobizátory a jsou vůči nim i dražší, mají jiné výhody.

Zpevňují povrchovou vrstvu, mohou jí nově dát podle zvoleného materiálu hydrofobní, původní i hydrofilní reakci na vodu, mohou vnést vyšší odolnost proti speciálním chemickým prostředím (mimo společný účinek mrazu a solí), mohou zlepšit estetické vlastnosti, atp. V ČR se běžně používají na konstrukcích silničního, mostního, pozemního a vodního stavitelství.

c) Stěrky (vodonepropustné úpravy)

Kategorie hmot, která u úspěšných materiálů slučuje z technického hlediska výhody hydrofobizátorů s polymerními a krystalickými nátěry (nástřiky). Jedinou, zato často nepřekonatelnou nevýhodou je vyšší cena, která je jedním z hlavních limitujících prvků jejich širšího uplatnění. V ČR se používají na konstrukcích zejména v pozemním stavitelství, a to ještě zejména pro jiné účely, jinak relativně méně často.

7. Některé příklady alternativních řešení na mostech v ČR

V ČR se provádí betonové mosty dominantně s tzv. celoplošnou hydroizolací a s následným překrytím AB vrstvami. Výjimky jsou proto možné jen ojediněle, a to především u lávek pro pěší nebo pro cyklisty a u malých mostků budovaných jako různá provizoria v rámci působnosti obcí, nebo soukromé sféry.

Lávky pro pěší jsou pro alternativní řešení mimořádně vhodné, protože se zpravidla jedná o velmi tenké konstrukce, kde se projektant snaží v maximální míře šetřit hmotnost konstrukce. Ochranná vrstva případné hydroizolace zde znamená mrtvé přitížení, o které se snižuje únosnost lávky. Ideálním řešením zde je zajistit vodonepropustnost betonové mostovky, aniž by byla nutná jakákoli další vrstva.

Takto pojaté vodonepropustné úpravy registrujeme a vyvíjíme od roku 1992. V Brně - Komíně a v Radonicích  byl proveden nástřik primární penetrace 12-15% epoxiakrylátové disperze jako vodonepropustná úprava s následným překrytím povlakem asfaltové emulze s posypem v roce 1992. I když zde nebyl významný provoz vozidel, krycí vrstva byla poškozena a v současnosti již je jiná. Nicméně v obou případech lávky od nástřiku penetrační epoxiakrylátovou disperze netečou a netekly ani při následné obnově obrusné vrstvy. Například v Brně – Komíně to byla zásadní změna, protože uvedená úprava navazovala po několika předchozích aplikacích několika vrstev, včetně vrstvy plastbetonu a do uvedeného nástřiku všechna předchozí řešení prosakovala.

V roce 1993 byla řešena úprava na mostovce lávky pro pěší ve Švýcarské zátoce na Vranovské přehradě. Jedná se o unikátní zavěšenou lávku, kde mostovka byla zhotovena, obdobně jako u předchozích lávek, dodatečným sepnutím betonových segmentů.

Výsledným kompromisem řešení ochrany před vodou byl návrh primární penetrace 12-15% epoxiakrylátové disperze ve funkci vodonepropustné úpravy s následným překrytím pigmentovanou epoxiakrylátovou barvou. Výběr v souladu se zadáním lávky předpokládal, že na lávce bude vyloučen provoz motorových vozidel a nátěr bude podle potřeby průběžně obnovován. Ve skutečnosti došlo jen k omezení provozu motorových vozidel a nátěr nebyl nikdy obnovován.

Ke sloupnutí krycí barvy docházelo již v období od cca 20 měsíců, do cca 5 let krycí barva z mostovky zmizela úplně. Lávka dodnes neprosakuje. Nicméně v tomto případě lávka má vzepjetí a relativně hladký betonový povrch, čímž při náledí je na koncích obtížně schůdná.

Z těchto a dalších zkušeností pak vzešlo kolem roku 1995 zadání technických parametrů na řešení vodonepropustné stěrky s dostatečnou drsností povrchu. Nejlepším výsledkem jsou epoxidehtové paropropustné hmoty. První odzkoušení bylo provedeno na mostních římsách v rámci oprav v Častolovicích – Libli v roce 1996. K dnešnímu dni římsa nebyla opravována a je nepoškozena. Jako vodonepropustná ochrana místo hydroizolace mostovky byla provedena na lávce pro pěší v Močovicích, dále je tímto materiálem provedena oprava na části lávky pro pěší  Flóra v Olomouci, na obecním mostě sloužícím jen zemědělské výrobě v obci Karle, na jednopolovém mostku na cyklistické trase u Litomyšle, aj.

Na běžných silničních mostech se alternativní řešení promítají jen do ochrany dílčích částí, přičemž jen ojediněle jsou současně i náhradou hydroizolací.

Ve funkci vodonepropustné úpravy se provádí ochrana mostních žlabů, kde převažují polyuretany a regionálně jsou používány paropropustné epoxidehty. Takto je např. ošetřeno několik mostů v rámci R 35 na trase Olomouc – Lipník. Mladší a levnější paropropustné epoxidehty jsou používány od roku 1999. K dnešnímu dni prokazují plnou funkčnost, tj. nepropouští vodu, a to i přesto, že na betonech žlabů jsou viditelné drobné trhlinky.

U srovnání materiálů je technologie aplikace epoxidehtů podstatně jednodušší a případné vady jsou jednoduše v budoucnu opravitelné bez náročného vybavení.

Ve funkci rychlé opravy lze uvést příklad z mostu SO 401 u Jablunkova. Jedná se o ocelový most s betonovou deskou. Použitá hydroizolace Eliminátor byla narušena a byla nutná rychlá oprava. Poškožená část byla odstraněna a plocha zaplněna nátěrem a vyrovnávací stěrkou paropropustného epoxidehtu, do kterého se v ještě neúplně zatvrdnutém stavu pokládala krytová ABS. Oprava byla úspěšná, nicméně po asi dvou letech bylo rozhodnuto, že se provede nová hydroizolace na celém mostě.  Problém přišel s bouráním opravované části paropropustným epoxidehtem. Zatím co původní Eliminátor šlo odstranit jednoduše, epoxidehet musel být serván i s částí betonové desky tl. 1 až 15 mm.

8. Závěr

V rámci tohoto článku jsme se pokusili předložit informace, z nichž je patrné, že ochrana mostů před vodou má široké zázemí různých možností. I my se domníváme, že hydroizolace mají a budou mít u mostů dominantní roli, nicméně nesdílíme názor, že by jiná řešení měla být zcela pomíjena. Pokud ano, vymykala by se ČR stávajícím technickým směrům řešeným nejméně v rozsahu států Belgie, Kanada, Finsko, Německo, Japonsko, Itálie, Írán, Holandsko, Norsko, Portugalsko, Rumunsko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Thajsko, Velká Británie a USA.

Jak alespoň chtěl zdůvodnit tento článek, není vhodné slepě přejímat zahraniční zkušenosti. Především proto, že v rámci uvedených států ČR jednoznačně náleží k extrémům zde korozně působící výslednice kombinace společného působení agresivních látek a klima. Některá možná řešení prvků paropropustných vodonepropustných úprav a paropropustných stěrek jsou dokumentována na příkladech mostovek lávek pro pěší a na detailech a konstrukčních částech mostů.

Alternativní směry prokazují schopnost dosažení vodonepropustnosti mostovek, což s uvážením, že se jedná o plochy s extrémními deformacemi od zatížení i od teplot, je vynikající výsledek. Navíc se jedná o závěr, který je v plném souladu se zkušenostmi na mostech výše uvedených států.

Z technického hlediska alternativní metody k hydroizolacím jsou směrem, který v zahraničí významně podpořil budování cementobetonových kryů vozovek na mostech. CB kryty se za těchto nových předpokladů mohou částečně až plně podílet na statickém dimenzování mostů.

V oblasti cementobetonových krytů vozovek na mostech se zatím ČR rozhodně neřadí mezi technicky vyspělé státy. Jakým protikladem k tomuto drobnému detailu jsou pak třeba mnohé jiné technologie a špičkové návrhy a v zahraničí obdivovaná ojedinělá konstrukční řešení některých mostů.