Diagnostický průzkum šachty se zaměřením na ASR

Text přibližuje problematiku provádění diagnostického průzkumu betonového ostění šachty podzemního díla, se specifickým zaměřením na degradační mechanismus ASR (Alkali-silika reaction, alkalicko křemičitá reakce).

Důvody zadání diagnostického průzkumu předmětné šachty lze rozdělit do dvou oblastí: průzkum měl sloužit jako podklad pro projektování budoucí rekonstrukce objektu a zároveň měl částečně nahradit nedochovanou projektovou dokumentaci z doby výstavby objektu. Vzhledem ke zjištěným skutečnostem byl diagnostický průzkum rozšířen o průzkum specificky zaměřený na ASR.

ASR – popis degradačního mechanismu
ASR je degradační mechanismus betonu, při kterém dochází k fyzikálně-chemickým reakcím v betonu mezi reaktivními složkami SiO2 obsaženými v kamenivu a alkáliemi pocházejícími z cementového tmelu. Produktem této reakce je alkalicko-křemičitý gel, který má větší objem než složky vstupující do reakce (gel dále váže vodu a bobtná). To vede k růstu objemových expanzních sil, které způsobují poškození materiálu již na mikroúrovni. Typické poruchy zaznamenané na konstrukcích zasažených ASR jsou sítě trhlin, odprýsknutá místa, výrony gelu z povrchu nebo posuny jednotlivých konstrukčních prvků.
Vlastní chemický mechanismus je velmi složitý (pro popis děje na mikroskopické úrovni existuje několik různých teorií), pro inženýrské chápaní postačí zjednodušená rovnice

SiO₂ + 2 NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

Aby reakce mohla probíhat, musí být splněny následující podmínky: vysoké pH v betonu, vlhkost, přítomnost reaktivního SiO₂ a přítomnost alkálií z cementu. V případě, že je beton ve styku s chemickými rozmrazovacími látkami (příp. s mořskou vodou, průmyslovými odpady apod.), může být dotován alkáliemi z vnějšího prostředí. Další doplňující podmínky, např. vyšší teplota, mohou dále urychlovat reakci.
V případě probíhající reakce většinou dochází nejprve k poklesu tahové pevnosti (mikrotrhliny ve struktuře betonu), následně dochází k tvorbě makrotrhlin a postupnému poklesu tlakové pevnosti. Finálním stádiem může být až rozpad betonu. Dle literatury byly také dokumentovány konstrukce, kde docházelo k rozvoji ASR bez viditelného porušování konstrukce.
Vlastní proces je prakticky nezastavitelný. K zastavení vede pouze systematické vysušení konstrukce (což je prakticky realizovatelné pouze u interiérových konstrukcí), nebo vyčerpání všech reaktivních složek vstupujících do reakce. Možnosti sanace napadených konstrukcí jsou velmi omezené a ve většině případů bylo přistoupeno k jejich nahrazení.

Diagnostikovaný objekt
Dle dostupných podkladů byla šachta vystavěna na počátku 80. let (z dokumentace z doby výstavby se zachovaly pouze fragmenty). Světlý průměr šachty je 5,0 m, hloubka šachty je 63,4 m. Ostění šachty bylo projektováno z prostého betonu. Tloušťka ostění v dostupné dokumentaci není uváděna jednoznačně. V různých částech archivní dokumentace jsou uváděny hodnoty 0,45 m nebo 0,5 m. In-situ byla zjištěna velká variabilita tloušťky ostění, typická tloušťka ostění byla 350–400 mm, ale byla zastižena i místa s tloušťkou menší než 100 mm. Ostění šachty bylo vystavěno postupně po betonážních úsecích (lamelách) výšky cca 2 m. Konstrukce ostění kruhové šachty byla navržena z betonu III. třídy, kterému podle aktuálně platné normy ČSN EN 206 odpovídá třída betonu C16/20.

Obr. 1: Mikroskopický pohled na narušení zrn kameniva rozpínavým gelem (převzato z http://www.rjlg.com/)

Základní diagnostický průzkum
Tento článek se nezabývá celkovým představením provedeného diagnostického průzkumu, namísto toho je úzce zaměřen na jedinou zjištěnou poruchu – přítomnost ASR. Při provádění diagnostického průzkumu zpočátku nic nenasvědčovalo přítomnosti ASR. Zjištěná pevnost betonu v tlaku (byly použity dvě metody – nepřímá metoda Schmid­tova tvrdoměru a přímá metoda jádrových vývrtů) byla silně variabilní, ale v zásadě odpovídala návrhovým parametrům (obr. 2) – vzhledem k přístupu současných norem by normové zatřídění betonu ukázalo na třídu C8/10.

Obr. 2  Zjištěné pevnosti betonového ostění šachty

Ani vizuální prohlídka neodhalila žádné systematické síťové trhliny, které obecně doprovázejí rozpad způsobený ASR. Na povrchu sice byly nalezeny odpadající povrchové vrstvy (obr. 3), ty ale nevedly k podezření na ASR. Po dokončení celého diagnostického průzkumu bylo konstatováno, že tyto poruchy nemají pravděpodobně souvislost s ASR, byly připsány celkově špatné kvalitě výstavby a provizorním lokálním opravám.

Obr. 3: Zjištěné poruchy betonu v šachtě

Typické síťové trhliny doprovázejí rozpad betonu způsobený ASR, převzato z https://en.wikipedia.org

Při vizuálním hodnocení odebraných vzorků betonu byla také konstatována velká variabilita. Většina vzorků obsahovala velké množství 2mm pórů (na některých vzorcích zjištěny makropóry 4 – 6 mm), asi třetina vzorků obsahovala vyšší až převládající obsah jemného a drobného kameniva. Zaznamenána byla také vysoká vlhkost betonu (objemová vlhkost 15 až 26 %), což bylo způsobeno prosakováním spodní vody přes ostění do šachty (nevyhovující vysoké hodnoty hloubky průsaku tlakovou vodou na polovině zkoušených vzorků).

Obr. 4: Odebrané jádro, kde byla diagnostikována ASR (vizuální prohlídka tento problém ani na jádru neodhalila).

Z geologické rešerše a dostupných podkladů vyplynulo podezření na možnou síranovou korozi betonu působením síranových iontů z podzemních vod, které silněji pronikají přes ostění. Proto byl proveden soubor chemických zkoušek zaměřených na síranovou korozi betonu, které byly doplněny o zkoušky betonu v tahu. Síranová koroze na zkušebních vzorcích nebyla prokázána (resp. vyskytovala se pouze v prvních 15–20 mm od povrchu, a to ve stopovém množství). Zjištěná pevnost v tahu byla na jednom ze třech zkoušených jádrových vývrtů pouze 0,7 MPa. Zároveň byla pomocí odtrhové zkoušky zjištěna pevnost v tahu povrchových vrstev betonu v rozmezí 1,3 až 2,4 MPa s průměrnou hodnotou 1,7 MPa. Hodnoty kolem 1,3 MPa (vyskytující se na dvou betonážních úsecích) byly pod úrovní očekávanou pro použitý beton. Proto byl hledán jiný degradační mechanismus s expanzními produkty, který by byl příčinou narušení tahové pevnosti betonu. Uranylacetátová zkouška potvrdila vysoký výskyt expanzních silikátových gelů (ASR) na jednom vzorku (obr. 5).

Obr. 5: Vlevo lomová plocha s dobře viditelnými lemy rozpínavých gelů kolem kameniva, vpravo snímek z kolorimetrické zkoušky s pomocí uranyl acetátu pod UV lampou

Metody laboratorního zkoušení
Pro zkoušení přítomnosti ASR v betonu byla použita uranylacetátová zkouška. Roztokem uranylacetátu (UO₂(C₂H₃O₂)₂) v kyselině octové se potírala lomová plocha betonu po zkoušce v prostém tahu. Přítomnost gelu byla detekována pod ultrafialovým světlem dle zelenožlutých ploch. Jedinou nevýhodou této zkoušky je použití mírně radioaktivní sloučeniny uranu, ale specializované laboratoře jsou ji schopny běžně provést.
V literatuře je možno nalézt alternativní možnosti zkoušení – kolorimetrické metody (Hexonitrokobaltitanová metoda, Rhodaminová metoda) nebo mikroskopicky zjištěný petrografický popis výbrusů. Pro predikci budoucího chování mohou být z konstrukce odebrané vzorky osazeny zařízením pro přesné měření délkových změn a umístěny do specifických podmínek (např. zvýšená vlhkost, zvýšená teplota, umístění do roztoku NaOH, kombinace předešlého, atd.). Cílem těchto zkoušek je měření maximální možné dilatace vzorků při vyčerpání všech reaktivních složek (při co nejvyšším urychlení probíhajících reakcí). Přesto jsou tyto zkoušky velmi časově náročné – v trvání cca 12 měsíců a více.
Rozpracovány jsou také metodiky pro zabránění vzniku ASR při výrobě betonu – tj. primárně zkoušky kameniva a dilatometrické zkoušky trámečků (např. TP 137). Tyto metody se však nedají aplikovat na zkoušení vzorků betonu odebraných z konstrukce.

Obr. 6: Vzorek betonu nezasažený ASR, reakce na kolorimetrickou zkoušku pod UV lampou (vpravo)

Doplňující diagnostický průzkum
Pro ověření rozsahu ASR byl proveden rozsáhlý doplňující průzkum tak, aby byl ověřen beton ve všech přístupných lamelách šachty. Celkově byl proveden průzkum 24 betonážních lamel (celkem je v konstrukci 26 lamel, 2 lamely jsou zcela nepřístupné). Jednalo se vždy o odebrání 2 vzorků z každé lamely a provedení tahové zkoušky betonu a kolorimetrické uranylacetátové zkoušky. Výsledné posouzení přítomnosti ASR ve vzorcích vycházelo z vizuálně zjištěné přítomnosti ASR gelu a z posouzení tahové pevnosti konkrétního vzorku. Jednotlivá místa byla zatříděna do 5 kategorií. Výsledky jsou shrnuty v tab. 1. Výsledky ze dvou zkušebních míst z jedné betonážní lamely si dobře odpovídají.

Závěr
Ve zkoumané šachtě byla jednoznačně dokladována přítomnost expanzních gelů, které vedly až k významnému narušení tahové pevnosti betonu. V rozmístění zasažených lamel v konstrukci nebyl zaznamenán žádný systém (zcela náhodné rozmístění). Protože si dvojice vzorků v jedné lamele navzájem dobře odpovídají v míře zasažení ASR, byl pravděpodobně beton pro jednotlivé lamely vyráběn z kameniva z různých lokalit (možná v různých betonárnách). Polovina lamel byla zcela bez napadení nebo s bezvýznamnou přítomností ASR. U malé části lamel byla tato porucha hodnocena jako významná. V podzemní vodě, která prosakovala do sledované šachty, byla dále zjištěna vysoká přítomnost chloridů ze zimní údržby, které se mohou dostávat do betonu ostění a urychlovat ASR.

Tab. 1: Rozsah zjištěné přítomnosti ASR v betonážních lamelách

Přítomnost ASR nedoprovázely typické síťové trhliny na povrchu betonu, ani žádné jiné vizuální indikátory. Tento degradační mechanismus byl odhalen díky zkoušce betonových vývrtů v prostém tahu. Při provádění prací v terénu lze tuto zkoušku orientačně nahradit odtrhovou zkouškou s hlubším návrtem (od 50 mm).
Zkoušky pevnosti betonu v tahu mohou obecně dobře sloužit jako indikátor ASR, síranové koroze a dalších chemických mechanismů působících degradaci betonu na mikroúrovni.

TEXT: Ing. Josef Machač
FOTO A OBRÁZKY: INSET s.r.o.

Josef Machač pracuje ve společnosti INSET s.r.o.

Literatura
1. Diagnostický průzkum šachty J2; Ing. Tomáš Vavřiník, INSET s.r.o.; 11/2015 Reakce kameniva s alkáliemi v betonu; Ing. Sylva Modrý, CSc.; SEKURKON; 06/1999.
2. Projekt výzkumu a vývoje Ministerstva dopravy a spojů ČR. Vyloučení alkalické reakce kameniva v betonu na stavbách pozemních komunikací (číslo projektu 803/120/114), Etapa a), Rešeršní průzkum alkalické reakce s vyhodnocením; Ing. Sylva Modrý, DrSc.; Kloknerův ústav.
3. Technické podmínky TP137. Ministerstvo dopravy, 04/2016.