Trhliny a dutiny v betonu a způsoby jejich odstranění

Vysoká pevnost, dobrá tvarovatelnost a hospodárnost činí z betonu dominantní stavební materiál pro zhotovení stavebních konstrukcí. Jednou ze zvláštností tohoto univerzálního materiálu je praskání. V důsledku uvolňujícího se hydratačního tepla a vlivu teploty venkovního vzduchu při betonáži vznikají trhliny.

Tyto faktory lze ve fázi plánování jen těžko zohlednit. Trhliny mohou vznikat v betonu jakéhokoli věku. Přímým důsledkem nesprávné betonáže jsou dutiny.

Trhliny v betonu

Betonový stavební díl nelze z hlediska efektivnosti nákladů vyrobit zcela bez trhlin. Stejně tak nelze ve fázi plánování zcela zohlednit vynucené namáhání stavební konstrukce. Zohledňované předpoklady se mohou měnit – proto v praxi nejde o to, aby se jejich vzniku zcela zabránilo, ale aby se omezily na neškodnou dimenzi, šířku.

Základem dimenzování železobetonu je zohlednění kombinace všech možných vlivů. V matematickém hodnocení se však nepřipouští žádná exaktní předpověď a omezení šířky trhlin. Beton může praskat již v prvních dnech po betonáži, pokud vzniklým hydratačním teplem a ochlazením povrchu nastává pnutí. Slabinami v homogenní betonové struktuře jsou například pracovní spáry, které k praskání betonu přispívají.

Mikrotrhliny, povrchové trhliny nebo dělící trhliny ovlivňují vlastnosti betonu různým způsobem (obr. 1). Mikrotrhliny, které na povrchu betonu nelze vidět, ovlivňují pevnostní vlastnosti betonu jen nepatrně. I přes jejich malou šířku ≤ 0,01 mm a délku v rozmezí od 50 do 100 mm však mohou vést k dvou až trojnásobným hodnotám permeability v zóně trhlin, a tak přispívat k prosakování vody do betonu.

Obr. 1 Druh trhlin v betonu dle průřezu stavebním dílcem

Hloubka trhliny

Povrchové trhliny přecházejí z povrchu konstrukce pouze do minimálních hloubek. Široké však mohou být také několik milimetrů. Jejich výskyt v betonové krycí vrstvě má ​​na nosnost a vodotěsnost (nepropustnost) betonu zanedbatelný vliv. Při určitém expozičním zatížení je však třeba ochranu výztuže betonu proti korozi kriticky zhodnotit. Dělící trhliny postihují velké části průřezů stavebního dílce nebo stavební dílec zcela protínají. Tak se přeruší přenos sil v betonu.

Trhliny snižují účinnou tloušťku stavebního dílce a tím i nosnost nebo vodotěsnost betonu. Pro obnovení předpokládaných vlastností betonu musí být trhliny, které přesahují přístupnou míru, uzavřeny. Za přípustné se obecně považují trhliny o šířce do 0,3 mm a u stavebních objektů s vyšší expozicí namáhání trhliny o šířce 0,2 mm a menší.

Dutiny v betonu

Dutiny jsou porušená místa ve struktuře stavebního materiálu, vznikající během betonáže. Jejich příčinou může být nevhodné uložení betonu, příliš velká výška, ze které čerstvý beton dopadá do bednění, nedostatečné zhutnění a podobně. Souvislost mezi betonářskými záběry a vznikem štěrkových hnízd lze vidět na obr. 2. Na výstavbu tunelu bylo použito nevhodné kamenivo z blízkého okolí stavby. Tvar zrn tohoto kameniva zapříčinil jeho špatné zhutnění.

Nehomogenní beton se může rovněž koncentrovaně vyskytovat na styčných plochách betonu s výztuží. V důsledku těsně uložené výztuže, vibrací výztuže při zhutňování betonu, sedání čerstvého betonu nebo podobných vlivů se může ztrácet spojení mezi ocelí a betonem. V takto porušené konstrukci nastává transport vody. Dutiny, které vzniknou při výstavbě, se obecně vyskytují jen v omezeném prostoru. S rostoucím rozpínáním se zvyšuje prostup vody konstrukcí, takže na ní lze pozorovat velké provlhlé plochy (obr. 3).

Zjišťování trhlin a dutin

Utěsnění trhlin a dutin propouštějících vodu vyžaduje použití speciálních utěsňovacích injektážních systémů. Sanační práce musí být plánovány a prováděny odborným způsobem a s ohledem na specifické podmínky dané situace. Při plánování injektáže konkrétního objektu je třeba stanovit cíl, druh výplně, injektážní tlak, uspořádání pakrů, množství výplně a vliv na okolní prostředí.

Pro posouzení propustnosti betonových konstrukcí způsobené trhlinami je důležité znát kromě příčiny vzniku trhlin i jejich určité charakteristiky, a to šířku trhlin, hloubku trhlin (zahrnuje druh trhliny), průběh trhlin, změnu šířky trhlin (krátkodobá, denní, dlouhodobá), stav trhlin (především stav vlhkosti), předchozí opatření (pokud se nějaké realizovaly) a přístupnost.

Charakteristiku trhliny lze zjistit částečně vizuálně. Podhled stropní konstrukce na obr. 4, který je shora vystaven pouze povětrnostním vlivům, vykazuje síť dělicích trhlin. Vizuálně lze rozpoznat koncentraci trhlin. Šířka trhlin je evidentně minimální. Vzhledem k tvorbě stalaktitů lze občasné protékání vody přes trhliny a změnu jejich šířky vyloučit. V případě trvalého zatížení trhlin vodou nebo při jejich pohybech by se stalaktity nemohly vytvořit. Příčinou tvorby trhlin byla zátěž opěrnou konstrukcí nad deskou. Oprava popraskaného stropu této ochranné konstrukce není nezbytná, protože není ohrožena stabilita (minimální šířka trhlin, beze stop koroze, neškodná expozice). Jinak by se však musela situace zhodnotit, pokud by šlo o střechu parkovacího domu, u něhož se s vodou dostávají do betonu i chloridy.

Dalším příkladem je trhlina na ostění tunelu, kterou protéká voda (obr. 5). V tomto případě nastaly pravděpodobně deformace vícevrstvého stavebního objektu. Výztuž nedokázala přenést tahová napětí z neplánované kombinace vlivů zatížení a tlaku. Pro utěsnění stavebního objektu s cílem dodržet vlastnosti betonu bylo nutné realizovat injektážní opatření.

Vizuální posouzení je třeba v některých případech doplnit jádrovými vrty. Vzorky získané jádrovými vrty mají jednoznačnou vypovídací schopnost. Bylo tomu tak i v případě trhlin viditelných na povrchu konstrukce, které neměly pravoúhlý průběh směrem do hloubky. Odběr vzorků jádrovým ukázal, že trhliny měly v hloubce neočekávaný průběh (obr. 6). Na základě toho lze konstatovat, že má-li být injektáž účinná, musí se uspořádání pakrů vždy přizpůsobit reálnému průběhu trhlin.

Důkazem toho, že se musí zohlednit všechny okrajové podmínky, jsou trhliny, které vznikly na svislé a vodorovné konstrukci průmyslového objektu (obr. 7). Při výstavbě se postupovalo na základě plánovacího konceptu převzatého z analogického projektu. Základové poměry na novém místě výstavby se však dostatečně nezohlednily. Důsledkem byla silná tvorba trhlin na stěně a podlaze. Zde lze jasně rozpoznat stopy po průniku vody. Pravidelně se opakující trhliny na stěnách ukazují na souvislost s fázemi betonáže. Lze pozorovat korozi výztuže, která je rozpoznatelná na základě rezavých skvrn na povrchu konstrukce.

V případě dělící trhliny způsobené vodou jsou nezbytná injektážní opatření k vytvoření vodonepropustné konstrukce (obr. 8).

Lokalizace dutin začíná vizuálním posouzením betonového povrchu. Podrobnější posouzení se provádí pouze v případě podezření, např. pokud se na betonovém povrchu rýsují například provlhlá místa. Poruchu struktury lze zjistit po odběru jádrových vrtů a jejich posouzení v laboratoři. Získané výsledky jsou však platné pouze pro místa, ze kterých byly vzorky odebrány. Jsou-li tyto výsledky nedostačující pro komplexní zhodnocení stavu konstrukce, lze provést dodatečný odběr vzorků. Dodatečný odběr vzorků k posouzení poruch struktury betonu a rovněž ke stanovení pevnosti v tlaku by však měl být z důvodu jeho destruktivního účinku omezen na reprezentativní vzorky. Jako alternativu, případně k doplnění, lze realizovat endoskopické vyšetření přes vrtané otvory o menším průměru nebo použít některou z nedestruktivních metod.

Ze známých zkušebních metod bez destrukčního účinku lze uvést například radiolokační a ultrazvukovou metodu. Ve stavebnictví se úspěšně používá impulsová radiolokace, a to ke zjištění struktury železobetonu. Impulzní radiolokací lze v mnoha případech lokalizovat porušená místa, například štěrková hnízda. Chyby zhutnění na výrazně provlhlých stavebních dílcích s těsně uloženou výztuží lze určit ultrazvukovou metodou. Protože radiolokační i ultrazvuková metoda jsou nepřímými metodami měření, je nezbytné je ke kalibraci výsledků doplnit cíleným dodatečným odběrem vzorků vrtného jádra.

Při zjišťování dutin by se měly zjistit charakteristiky jako poloha a rozměry dutin, průchodnost pro výplňový materiál, stav (především stav vlhkosti) a opatření, která se již realizovala (pokud se nějaké realizovala).

Způsob a rozsah zjišťování dutin se řídí druhem dutin. Beton bohatý na dutiny lze injektovat pouze v případě, že dutiny vykazují velkou míru průchodnosti, propojenosti. Průchodnost je důležitá z pohledu možnosti šíření injektážního materiálu ve stavebním dílci. Pokud jsou dutiny spojeny pouze nejmenšími kapilárami, které neumožňují injektážním prostředkem dostatečný rádius šíření, nebude injektáž úspěšná. V těchto případech se doporučuje realizovat injektáž do základové půdy za rubem stavebního dílce.

Injektáž trhlin přes pakry

Injektáž je metoda, pomocí které se injektážní materiál vnáší pod tlakem do stavebního dílce. Existuje nízkotlaká injektáž s injektážním tlakem do 10 barů a vysokotlaká injektáž s injektážním tlakem až několik stovek barů. Při injektáži proti vodě je třeba obvykle použít vysoký injektážní tlak. Aby se zabránilo poškození struktury betonu, nesmí se překročit tahová pevnost betonu. V zásadě platí, že nejlepšího výsledku injektování lze dosáhnout delším časem injektáže při nízkém tlaku.

Jako vysokotlaká injektážní zařízení se používají pístové a membránové pumpy. Pracují buď na jednosložkovém principu (1-K-pumpa, obr. 9), nebo na dvousložkovém principu (2-K-pumpa, obr. 10). Při použití jednosložkové injektážní pumpy se složky injektážního materiálu smíchají před injektáží.

Při použití dvousložkové pumpy se jednotlivé složky injektážního materiálu nasávají a dopravují přes pumpu odděleně. Smíchají se krátce před jejich výstupem z injektážní pistole (obr. 11).

 

Přístup k trhlině nebo ke stavebnímu dílci a připojení injektážní pumpy se zajišťuje lepenými nebo vrtanými pakry. Lepené pakry se lepí nad trhliny a celá oblast mezi pakry se dočasně povrchově utěsňuje. Lepené pakry mohou být kovové nebo plastové. Lepený spoj mezi pakrem a stavebním dílcem významně ovlivňuje úspěch injektáže. Závisí na odtrhové pevnosti betonu, vlastní pevnosti betonu a vlastnostech lepidla. Lepené pakry odolávají injektážnímu tlaku v rozsahu asi 50 až 60 barů. 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 kotví mechanicky ve vyvrtaných otvorech. Vyvrtané otvory fungují jako injektážní kanály, které křižují injektovanou trhlinu. Pokud jsou kanály na trhlinu vyvrtány pod úhlem 45° a jejich vzdálenosti od trhliny odpovídá přibližně poloviční hloubce trhliny, lze se domnívat, že trhlina bude s dostatečnou jistotou zasažena v její poloviční hloubce. Vzájemná vzdálenost vyvrtaných kanálů má rovněž odpovídat polovině hloubky trhliny (obr. 13). Na základě zkušeností lze tyto principy aplikovat v případě stavebních dílců o tloušťce do 60 cm. S narůstající šířkou trhliny jsou však možné také větší hloubky průniků.

Většinou se používají vrtané pakry, které se ve vyvrtaném kanálu kotví pevně a těsně rozpínáním těsnící gumy. Tento druh pakrů poskytuje i při vysokém injektážním tlaku dostatečnou funkční bezpečnost. Jiným druhem vrtaných pakrů jsou zatloukací pakry. Tyto pakry se zarážejí do vyvrtaných otvorů. Průměr vyvrtaného otvoru musí být menší než vnější průměr zatloukacího pakru. Tak se paker při zaražení díky jeho deformaci a třecímu odporu zakotví ve vyvrtaném otvoru. Při špatném ukotvení, například nerovnoměrně vytvarovaném otvoru, mohou pakry vlivem vysokého injektážního tlaku náhle selhat.

Povrchové dočasné utěsnění trhlin je nezbytné, pokud existuje nebezpečí, že by mohl injektážní materiál ze stavebního dílce vytékat. Při injektáži pomocí lepicích pakrů je dočasné povrchové utěsnění trhlin nutné vždy.

Injektování se v zásadě provádí skrz pakry zdola nahoru nebo při horizontálním průběhu jednosměrně tak dlouho, dokud z vedlejšího pakru nevytéká injektážní materiál a dokud se nespotřebuje plánované množství nebo se nedosáhne maximálního přípustného injektážního tlaku. Důkazem šíření plnícího materiálu stavebním dílcem je výtok materiálu z vedlejšího pakru.

Proces injektáže sestává z hlavní injektáže a dodatečné injektáže (doinjektáže), realizované v průběhu zpracování injektážního materiálu. Dodatečná injektáž je nezbytná pro doplnění materiálu, který vnikl do kapilárního systému betonu nebo nekontrolovatelně odtekl. Pokud se při těsnící injektáži proti tlakové vodě může vyplavovat nevytvrzený injektážní materiál, je nutno použít jiný materiál s rychlým vytvrzením. Rychlé vytvrzení lze kombinovat se snížením tlaku vody. Lze jej dosáhnout například předinjektáží trhliny rychlopěnící pryskyřicí před samotným utěsněním elastomerovými pryskyřicemi.

Reakce rozmíchaných injektážních pryskyřic začíná po iniciační době dané reakčním tvrdidlem. Během tohoto iniciačního času zůstává tekutost téměř konstantní. Po uplynutí této doby (v případě běžných injektážních pryskyřic je to v závislosti na teplotě několik minut) začíná reakce tvrdnutí se značným nárůstem viskozity. Zároveň se zhoršuje injektovatelnost. Pro injektáž jednosložkovou injektážní pumpou je proto nezbytná minimální doba zpracovatelnosti asi 20 minut, která je omezena dosažením viskozity 1 000 mPa.s. Minerální suspenze vykazuje podstatně delší dobu zpracovatelnosti. V průběhu času zpracovatelnosti v trvání asi 1 až 4 hodiny je však třeba čelit (chemickým nebo fyzikálním způsobem) přirozenému sklonu pojiva k sedání.

Injektáž dutin přes pakry

Injektáž dutin se v zásadě realizuje pomocí vrtaných pakrů. Jejich plošné uspořádání probíhá v rastru rozmístěném nad poškozeným místem (obr. 14). Potřebná hloubka vyvrtaných otvorů se musí stanovit podle způsobu poškození a rovněž přizpůsobit danému místu. Injektážní tlak v průběhu realizace musí být omezen ve větší míře než při injektáži trhlin. Působením injektážního materiálu může totiž ve stavebním dílci vzniknout plošně působící tlak.

Pokud se použijí reakční pryskyřice, musí se prověřit vliv injektážního materiálu na pevnost stavebního dílce. Na injektáž dutin nejsou moc vhodné injektážní pěny zastavující vodu, protože zabraňují účinnému utěsnění dutin nepěnící, trvale těsnou pryskyřicí. Pro průnik materiálu do dutiny vyplněné předem pěnou je nutný vysoký injektážní tlak, který může stavební dílec poškodit.

Injektážní materiály, injektážní pumpy a příslušenství se používají stejně jako při injektáži trhlin, přičemž lze upustit od povrchového dočasného utěsnění. Povrchové dočasné utěsnění lze realizovat v případě velkého výtoku materiálu z povrchových průsaků. Přednostně se k tomu používají minerální materiály (například rychletvrdnoucí rozpínavý cement).

Závěr

I přes dokonale realizované stavební práce se ubetonové stavební konstrukci nelze vyvarovat neplánované tvorbě trhlin, na rozdíl od dutin. Základem úspěšné injektáže, jejímž cílem je trvalá oprava a utěsnění poškozené struktury stavebního dílce, je správný výběr injektážního materiálu.

 

Obr. 1 Druh trhlin v betonu dle průřezu stavebním dílcem

Hloubka trhliny

mikrotrhliny

povrchové trhliny

dělící trhliny (neprocházejí celým průřezem)

dělící trhliny s konstantní šířkou

dělící trhliny s různou šířkou

protlačená dělící trhlina

 

Obr. 2 Porušená místa a hrubozrnné shluky v místech betonářských záběrů na stěnách tunelu

 

Obr. 3 Převlhlý beton (vybaven pakry)

 

Obr. 4 Obraz trhlin na stropním podhledu s výraznými charakteristikami

 

Obr. 5 Trhliny na ostění tunelu s různými stavy vlhkosti

 

Obr. 6 Průběh trhlin z povrchu směrem dovnitř stěny

 

Obr. 7 Omezení využívání prostoru v průmyslovém objektu způsobené trhlinami

 

Obr. 8 (popiska nenalezena)

 

Obr. 9 Jednosložková injektážní pumpa MC-I 500

 

Obr. 10 Dvousložková injektážní pumpa MC-I 700

 

Obr. 11 (popiska nenalezena)

 

Obr. 12 Uspořádání lepicích pakrů na dělící trhlině

 

Obr. 13 Uspořádání vrtaných pakrů na dělící trhlině

 

Obr. 14 Principiální uspořádání vrtaných pakrů v rastru