I N J E K T Á Ž T R H L I N A DUTIN V B E T O N U ČÁST 1: VLASTNOSTI B E T O N U A I N J E K T Á Ž N Í T E C H N I K Y INJECTION OF C R A C K S AND VOIDS I N CONCRETE PART 1 : PROPERTIES OF CONCRETE AND INJECTION TECHNOLOGY H OLGER GRAEVE I přes dokonalé provádění stavebních prací se u betonové stavební konstrukce nelze vyvarovat neplánované tvorbě trhlin na rozdíl od dutin, které vznikají při betonáži a jsou přímým důsledkem chybného provádění. Příspěvek je věnován popisu trhlin i dutin, jejich zjišťování v konstrukci a jejich utěsňování injektáží přes pakry. Despite perfect construction technology, building structures tend to develop unplanned cracks, in contrast to voids arising during concreting that ensue from faulty construction technology. This paper describes both the cracks and the voids, their detection in the structure and packing by injection using packers. Vysoká pevnost, dobrá tvárnost a hospodárnost činí z betonu dominantní stavební materiál pro stavební konstrukce s mimořádnou funkčností. Je třeba si však všimnout jedné zvláštnosti tohoto univerzálního stavebního materiálu beton může praskat. Jelikož lze faktory specifické pro pokládku betonu, jako je uvolňující se hydratační teplo a vnější teplotní vlivy, ve fázi plánování jen obtížně zohlednit, je vznik trhlin nevyhnutelný. Trhliny se mohou vyskytnout v betonu jakéhokoliv stáří. Naproti tomu dutiny vznikají při betonáži a jsou přímým důsledkem chybného provádění. Ve stavební praxi patří lokální injektáž trhlin a dutin k běžným činnostem spojeným s betonem. Úspěšné použití injektážních systémů vyžaduje, abychom se hlouběji zabývali vlastnostmi stavebních hmot a injektážními technologiemi. T RHLINY V BETONU Betonový stavební dílec nelze z hlediska efektivnosti nákladů vyrobit zcela bez trhlin. Vynucené namáhání stavební konstrukce účinkem zatížení nelze ve fázi plánování zcela stanovit. Zohledňované předpoklady se mohou měnit. Proto v praxi nejde o zabránění trhlinám, nýbrž o jejich omezení na neškodnou dimenzi, šířku. Základem navrhování železobetonu je kombinace všech možných vlivů. Matematické hodnocení však nedovoluje žádnou exaktní předpověď a omezení šířky trhlin. Trhliny se v betonu mohou tvořit již v prvních dnech po betonáži, jestliže vzniklým hydratačním teplem a ochlazením povrchu dochází k vlastnímu pnutí. Slabinami v homogenní betonové struktuře jsou například pracovní spáry, které k vzniku trhlin v betonu přispívají. Mikrotrhliny, povrchové trhliny nebo dělicí trhliny ovlivňují vlastnosti betonu rozdílně (tab. 1). Mikrotrhliny, které na povrchu betonu není vidět, ovlivňují pevnostní vlastnosti betonu pouze nepatrně. Mohou však i přes svoji malou šířku 0,01 mm a délku od 50 do 100 mm vést ke dvakrát až třikrát vyšším hodnotám permeability v zóně trhliny, a tím přispívat k prosakování vody betonem. Povrchové trhliny prochází z povrchu konstrukce pouze do minimálních hloubek. Mohou být široké i několik milimetrů. Jejich výskyt v betonové krycí vrstvě má zanedbatelný dopad na nosnost a vodotěsnost (nepropustnost) betonu. Ovšem za určité historie zatěžování je Tab. 1 Druhy trhlin Tab. 1 Types of cracks Druhy trhlin v betonu vzhledem k průřezu stavebního dílce Hloubka trhliny < průřez stavebního dílce Hloubka trhliny > průřez stavebního dílce mikrotrhliny dělící trhlina s konstantní šířkou Obr. 1 Vadná místa a hrubozrnné shluky na betonářských záběrech u stěny tunelu Fig. 1 Faulty spots and coarse-grained clusters in concreting advances on the tunnel wall Obr. 2 Transport vody podél betonářské výztuže u podkladního betonu Obr. 2 Water transport along reinforcement in the ground concrete Obr. 3 Provlhlý beton (opatřený pakry) Fig. 3 Damp concrete (with packers) Obr. 4 Obraz trhlin na stropním podhledu s výraznými charakteristikami Fig. 4 Cracks pattern on the ceiling with striking characteristics Obr. 5 Trhliny na ostění tunelu s různými stavy vlhkosti Fig. 5 Cracks on lining of the tunnel with various states of moisture povrchové trhliny dělící trhliny (neprocházející celým průřezem) dělící trhlina s různou šířkou přetlačená dělící trhlina Obr. 6 Průběh trhliny z povrchu směrem dovnitř do stěny Fig. 6 Course of a crack from the surface in direction to the inside of the wall Obr. 7 Omezení užívání v průmyslovém zařízení způsobené trhlinami Fig. 7 Limitations in the use of an industrial facility caused by cracks Obr. 8 Dělicí trhlina způsobená vodou Fig. 8 Dividing crack caused by water 34 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 3/2009
1 2 3 4 5 6 7 8 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 3/2009 35
třeba kriticky zhodnotit ochranu výztuže betonu proti korozi. Dělicí trhliny postihují velké části průřezu stavebního dílce nebo stavební dílec zcela protínají. Tím se přenos síly v betonu přeruší. Prosakování vody je možné přímo nebo nepřímo. Trhliny snižují účinnou tloušťku stavebního dílce, a tím i nosnost a/nebo vodotěsnost betonu. K obnově předpokládaných vlastností betonu musí být trhliny, které přesahují přípustnou míru, uzavřeny. Za přípustné se obecně považují trhliny o šířce do 0,3 mm a pro stavební objekty s vyšší expozicí namáhání trhliny o šířce 0,2 mm a menší. D UTINY V BETONU Dutiny jsou vadnými místy ve struktuře stavebního materiálu vznikající během betonáže. Je třeba je vyvozovat z nevhodného složení betonu, příliš velkých výšek dopadání čerstvého betonu do bednění, nedostatečného zhutnění nebo podobných vlivů. Obr. 1 ukazuje souvislost mezi betonářskými záběry a vznikem štěrkových hnízd. Na této stavbě tunelu bylo příčinou poruch použití nevhodného kameniva z blízkého okolí stavby. Betonová směs s nevhodným tvarem zrn kameniva se špatně zhutňovala. Nehomogenní beton se může vyskytovat i na styčných plochách s výztuží. Kvůli těsně uložené výztuži, vibraci výztuže při zhutňování betonu, sedání čerstvého betonu nebo podobným vlivům může dojít ke ztrátě spojení mezi ocelí a betonem. Na obr. 2 je jasně vidět transport vody podél betonářské výztuže v podkladní betonové desce dopravní stavby. Dutiny vzniklé při výstavbě se obecně vyskytují jen v omezeném prostoru. S rostoucím rozpínáním dovolují vodě, aby se její prostup konstrukcí zvyšoval, takže lze pozorovat velké provlhlé plochy (obr. 3). Z JIŠŤOVÁNÍ TRHLIN A DUTIN Utěsňující injektáž trhlin a dutin propouštějících vodu vyžaduje od injektážních systémů využití jejich maximálních možností. Plánování a provádění sanačních prací musí být realizováno odborným způsobem a s ohledem na specifické podmínky dané situace. Při plánování injektáže na konkrétním objektu je třeba stanovit: cíl druh výplně injektážní tlak uspořádání pakrů množství výplně vliv na okolní prostředí K posouzení propustnosti betonových konstrukcí způsobené trhlinami je důležité znát kromě příčiny vzniku trhlin i určité charakteristiky trhliny. Sem patří: šířka trhliny hloubka trhliny (zahrnuje druh trhliny) průběh trhliny změna šířky trhliny (krátkodobá, denní, dlouhodobá) stav trhliny (zejména stav vlhkosti) předchozí opatření přístupnost Charakteristiky trhliny lze částečně zjistit vizuálně. Podhled stropní konstrukce na obr. 4, který je shora vystaven pouze povětrnostním vlivům, vykazuje síť dělicích trhlin. Lze rozpoznat koncentraci trhlin. Šířka trhlin je evidentně minimální. Protékání trhlin vedoucích čas od času vodu lze vyloučit stejně jako změnu šířky trhlin, a to vzhledem k tvorbě stalaktitů, které by se v případě trvalého zatížení trhlin vodou nebo při pohybech trhlin neměly šanci vytvořit. Příčinou tvorby trhlin byla zátěž z opěrné konstrukce nad deskou. Oprava popraskaného stropu této ochranné konstrukce není nutná, protože není ohrožena stabilita (minimální šířka trhlin, bez stop koroze, nezávadný scénář expozice). Jinak by bylo třeba hodnotit situaci, kdyby se jednalo o střechu parkovacího domu, kde se s vodou dostávají do betonu i chloridy. Další příklad ukazuje trhlinu na ostění tunelu, kterou protéká voda (obr. 5). Pravděpodobně došlo k deformacím vícevrstvého stavebního objektu. Tahová napětí z neplánované kombinace vlivů zatížení nedokázala výztuž převzít a rozdělit. Injektážní opatření k vytvoření smluvně přislíbených vlastností betonové stavby byla nutná, aby se stavební objekt dodatečně utěsnil. Trhliny viditelné na povrchu nemají pravoúhlý průběh směrem do hloubky. Jak ukázal odběr vzorku jádrovým odvrtem, mají trhliny v hloubce neočekávaný průběh (obr. 6). Uspořádání pakrů muselo být přizpůsobeno průběhu trhlin. Obr. 7 dokumentuje průmyslový objekt, pro který byl převzat prováděcí projekt z analogického objektu. Zvláštnosti základové půdy však nebyly na novém místě výstavby dostatečně zohledněny. Důsledkem byla silná tvorba trhlin ve stěně a na podlaze. Lze zřetelně rozpoznat stopy průniku vody. Pravidelně se opakující trhliny na stěnách ukazují na souvislost s fázemi betonáže. Lze pozorovat korozi výztuže díky rezavým skvrnám na povrchu konstrukce. Zde jsou nutná injektážní opatření k vytvoření vodonepropustné konstrukce (obr. 8). Lokalizace dutin začíná vizuálním posouzením betonového povrchu. Pouze v případě podezření, např. na betonovém povrchu se rýsují provlhlá místa, budou provedena šetření jdoucí do větší hloubky. Porucha struktury materiálu může být zjištěna po odběru jádrových vývrtů a jejich posouzení v laboratoři. Vypovídací schopnost výsledků však zůstává omezena na místo odběru. Dodatečné odběry vzorků vrtného jádra k posouzení poruch ve struktuře betonu a rovněž ke stanovení pevnosti v tlaku by však měly zůstat kvůli svému destruktivnímu účinku omezeny na reprezentativní vzorky. Jako alternativu či doplnění lze provést endoskopické vyšetření přes otvory vrtané menším průměrem. Ze známých zkušebních metod bez destruktivního účinku stojí za zmínku radiolokační a ultrazvuková metoda. Ve stavebnictví se úspěšně používá impulsová radiolokace pro zjišťování struktur železobetonu. Takto lze v mnohých případech lokalizovat vadná místa, například štěrková hnízda. Rovněž lze určit závady ve zhutnění na značně provlhlých stavebních dílcích s hustě uloženou výztuží pomocí ultrazvukové metody. Protože radiolokační metoda stejně jako ultrazvuková metoda jsou nepřímými metodami měření, je nutná kalibrace výsledků cíleným dodatečným odběrem vzorků vrtného jádra. Při zjišťování dutin by měly být vyjasněny tyto charakteristiky: poloha a rozměry průchodnost pro výplňový materiál stav (zejména stav vlhkosti) předchozí provedená opatření Způsob a rozsah šetření se řídí aplikačními cíli výplně. Beton bohatý na dutiny lze injektovat pouze tehdy, když dutiny vykazují velkou míru průchodnosti, propojenosti. Průchodnost se vztahuje na injektáž, zejména na chování při šíření injektážního prostředku ve stavebním dílci. Dutiny musí vykazovat dostatečnou průchodnost jako cesty pro transport injektážního prostředku. Jsou-li spojeny pouze nejjemnějšími kapilárami, které neumož- 36 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 3/2009
ňují injektážním prostředkům dostatečný rádius šíření, nebude injektáž úspěšná. V těchto případech je třeba prověřit jako alternativu účinnou injektáž do základové půdy za rubem stavebního dílce. I NJEKTÁŽ TRHLIN PŘES PAKRY Injektážemi označujeme naprosto srozumitelně metody, pomocí kterých je injektážní materiál pod tlakem vpraven do stavebního dílce. Rozlišujeme nízkotlakou injektáž s injektážním tlakem do 1 MPa a vysokotlakou injektáž s injektážním tlakem až několik desítek megapascalů. Pro injektáž proti vodě je zpravidla nutný vysoký injektážní tlak. Přitom nesmí být překročena tahová pevnost betonu, aby se zabránilo poškození betonové struktury. V zásadě platí, že nejlepších výsledků plnění lze dosáhnout delšími časy injektování při nízkém tlaku. Jako vysokotlaké injektážní zařízení se používají pístové a membránové pumpy, které pracují buď na jednosložkovém (1-K-pumpa, obr. 9) nebo dvousložkovém principu (2-K-pumpa, obr. 10). Před injektáží jednosložkovou pumpou se složky injektážního prostředku smíchají a poté se zpracovávají pumpou během doby zpracování dané reaktivitou prostředků. U dvousložkové pumpy se jednotlivé složky injektážního materiálu nasávají a dopravují přes pumpu odděleně, teprve krátce před jejich výstupem z injektážní pistole dojde k jejich smíchání (obr. 11). Přístup k trhlině či stavebnímu dílci a připojení injektážní pumpy zajišťují lepené nebo vrtané pakry. Lepené pakry se lepí nad trhlinu a celá oblast mezi pakry se dočasně povrchově zatěsní. Lepené pakry mohou být kovové nebo plastové. Rozhodující význam pro úspěch má lepený spoj mezi pakrem a stavebním dílcem. Závisí na odtrhové pevnosti betonu, vlastní pevnosti betonu a vlastnostech lepidla. Lepené pakry odolávají injektážnímu tlaku cca 5 až 6 MPa. V závislosti na šíření injektážního materiálu v trhlině se lepené pakry umisťují ve vzdálenosti rovnající se hloubce trhliny přímo na povrch probíhající trhliny (obr. 12). Vrtané pakry se ukotvují ve vyvrtaných otvorech mechanicky. Potřebné vyvrtané otvory fungují jako injektážní kanály, které kříží injektovanou trhlinu. Běží-li vyvrtané kanály k trhlině pod úhlem 45 a odpovídá-li jejich vzdálenost od trhliny přibližně 9 10 Obr. 9 Jednosložková injektážní pumpa MC-I 500 Fig. 9 One-part grouting pump MC-I 500 Obr. 10 Dvousložková injektážní pumpa MC-I 700 Fig. 10 Two-part grouting pump MC-I 700 Obr. 11 Principy jednosložkových a dvousložkových pump Fig. 11 Principles of one- and two-part pumps 11 poloviční hloubce trhliny, lze se domnívat, že trhlina bude s dostatečnou jistotou zasažena v polovině své hloubky. Vzájemná vzdálenost vyvrtaných kanálů má rovněž odpovídat polovině hloubky trhliny. Střídavým uspořádáním lze zachytit i stupňovitě uspořádané trhliny (obr. 13). Dle zkušeností je třeba tyto principy omezit na stavební dílce s tloušťkou do 600 mm. S narůstající šířkou trhliny jsou však možné i větší hloubky průniku. Většinou se používají vrtané pakry, které se ukotvují rozpínáním těsnící gumy pevně a těsně ve vyvrtaném kanálu. Tento druh pakrů poskytuje i při vysokém injektážním tlaku dostatečnou funkční bezpečnost. Jiným druhem vrtaných pakrů jsou narážecí (natloukací) pakry. Tyto pakry se zarážejí do vyvrtaných otvorů. Průměr vyvrtaného otvoru musí být menší než vnější průměr narážecího pakru. Pakry se při zaražení díky své deformaci a třecímu odporu zakotví ve vyvrtaném otvoru. Při špatném zakotvení, například v nerov- B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 3/2009 37
SCIENCE AND RESEARCH 12 13 14 Literatura: [1] ČSN EN 1504-5: Výrobky a systémy pro ochranu a opravy betonových konstrukcí, Definice, požadavky, kontrola kvality a hodnocení shody Část 5. Injektáž betonu Obr. 12 Uspořádání lepených pakrů u dělicí trhliny Fig. 12 Arrangement of adhesion packers close to the dividing crack Obr. 13 Uspořádání vrtaných pakrů u dělicí trhliny Fig. 13 Arrangement of drilling packers close to the dividing crack Obr. 14 Principiální uspořádání vrtaných pakrů v rastru Fig. 14 Principal arrangement of drilling packers in the grid noměrně vytvarovaném otvoru, může dojít vlivem vysokého injektážního tlaku k náhlému selhání pakrů. Povrchové dočasné zatěsnění trhlin je nutné, jestliže existuje nebezpečí, že by injektážní materiál mohl ze stavebního dílce vytékat. Pro princip injektáže pomocí lepených pakrů je dočasné povrchové zatěsnění trhlin nutné vždy. Injektáž se v zásadě provádí přes plnící maznice pakrů zdola nahoru nebo při horizontálním průběhu jednosměrně tak dlouho, dokud z vedlejšího pakru nevytéká injektážní materiál, dokud není spotřebováno plánované množství nebo není dosaženo maximálního přípustného injektážního tlaku. Výtok materiálu z vedlejšího pakru ukazuje na šíření se plnícího materiálu stavebním dílcem. Proces injektáže sestává z hlavní injektáže a dodatečné injektáže (doinjektáž) během doby zpracování injektážního materiálu. Dodatečná injektáž je nutná k tomu, aby se doplnil materiál, který vnikl do kapilárního systému betonu nebo nekontrolovaně odtekl. Jestliže se při utěsňující injektáži proti tlakové vodě může ještě nevytvrzený injektážní materiál vyplavovat, je nutné jeho rychlé vytvrzení případně v kombinaci s opatřeními na snížení tlaku vody. Takovým opatřením je např. předinjektáž trhliny pomocí rychle pěnících pryskyřic před samotným utěsněním elastomerovými pryskyřicemi. Reakce rozmíchaných injektážních pryskyřic začíná po iniciační době dané složením tvrdidla. Během této doby zůstává tekutost téměř konstantní. Po uplynutí iniciační doby, která trvá u běžných injektážních pryskyřic v závislosti na teplotě několik minut, začíná reakce tvrdnutí se značným nárůstem viskozity. Současně se zhoršuje tekutost. Pro injektáž jednosložkovou injektážní pumpou je proto nutná minimální doba zpracovatelnosti cca 20 min, která je omezena dosažením viskozity 1 000 mpa s. Minerální suspenze vykazují podstatně delší doby zpracování. Během doby zpracovatelnosti v trvání cca 1 až 4 h je však třeba chemicky nebo fyzikálně čelit přirozenému sklonu pojiva k sedání. I NJEKTÁŽ DUTIN PŘES PAKRY Injektáž dutin se v zásadě provádí pomocí vrtaných pakrů. Jejich plošné uspořádání probíhá v rastru rozmístěném nad poškozeným místem (obr. 14). Potřebné hloubky vyvrtaných otvorů je třeba stanovit dle způsobu poškození a rovněž přizpůsobit danému místu. Injektážní tlak během provádění musí být omezen více než při provádění injektáže trhlin, protože pomocí injektážního materiálu může dojít ke vzniku plošně působícího tlaku ve stavebním dílci. Pokud se použijí reakční pryskyřice, musí být prověřen vliv injektážního materiálu na tuhost stavebního dílce. Injektážní pěny zastavující vodu nejsou příliš vhodné pro injektáž dutin, protože silně brání účinnému zatěsnění dutin nepěnící, trvale těsnou pryskyřicí. Dále je pro průnik materiálu do dutiny předem vyplněné pěnou nutný vysoký injektážní tlak, který může stavební dílec poškodit. Tomu je třeba zabránit. Injektážní materiály, injektážní pumpy a příslušenství se používají stejné jako u injektáže trhlin, přičemž lze obecně upustit od povrchového dočasného zatěsnění. V případě velkého výtoku materiálu z povrchových průsaků lze provést dočasné povrchové zatěsnění. K tomu se přednostně používají minerální hmoty (např. rychle tvrdnoucí rozpínavý cement). S HRNUTÍ I přes dokonalé provádění stavebních prací u betonové stavební konstrukce se nelze vyvarovat neplánované tvorbě trhlin na rozdíl od dutin. Nato je nepostižitelnost ve stavebnictví příliš rozmanitá. Trhliny a vadná místa nebudou mít za následek žádné škody, jestliže budou dodatečně sanovány a utěsněny injektážními systémy. K dispozici jsou různé druhy injektážních systémů. Základem je výběr injektážního materiálu, který musí trvale opravit a utěsnit poškozenou strukturu stavebního dílce. Informace o výběru a použití injektážních materiálů jsou předmětem druhé části článku. Druhá část příspěvku bude uveřejněna v Beton TKS 4/2009 (pozn. redakce). Dipl. Ing. Holger Graeve MC-Bauchemie Müller GmbH & Co. KG Am Kruppwald 1-8 46238 Bottrop, Německo tel: +492 041 101 10 protection-technologies@mc-bauchemie.de 38 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 3/2009