Injektážní systémy, materiály a technologie

Náročnější konstrukce, výstavba infrastruktury v podzemních podlažích budov, přestavba a využívání podzemních prostor nebo kolísavá hladina podzemní vody si vyžadují speciální technologie injektáže.  Při sanacích se setkáváme s poruchami betonových, železobetonových a zděných konstrukcí. Mezi časté poruchy patří trhliny a kaverny různého typu uvnitř konstrukcí, případně i v základové spáře, horninách či zeminách pod nimi. Účinnou metodou sanace těchto poruch je provedení injektáže médiem s výrazně lepšími fyzikálními vlastnostmi, než má původní konstrukce. Při sanacích je nutno úspěšně zatěsnit volný prostor, resp. spojit nové materiály se stávajícími a vytvořit kompozit s novými fyzikálními vlastnostmi, schopným odolávat vlivům používání, prostředí i času. Zdokonalené injektážní strategie a pokročilé nové hmoty usnadní vlastní sanaci při zohlednění nárůstu kvality.

Plánování injektáže

Důležitým bodem injektážní strategie je etapa plánování injektáže. Ta zahrnuje posouzení daného stavu konstrukce: únosnost, použitelnost, životnost (trvanlivost), a to na základě stavebního průzkumu konstrukce, statického výpočtu a provedených zkoušek v laboratořích na normových zkušebních tělesech, dále posouzení plánované injektáže z hlediska technologického a materiálového tak, aby byl dle výchozích kritérií a požadavků navržen nejoptimálnější postup sanace injektážními systémy. Výsledek stavebního průzkumu by měl stanovit příčiny poruch, vyjádření k možnému riziku vzniku nových trhlin a následně navrhnout způsob a technologii vyplnění injektážními hmotami. Stejně důležitá je informace o druhu poruchy stavebního díla. Je-li konstrukce vystavena namáhání vodou nebo vlhkostí, je nutno stanovit, zda se jedná o poruchy způsobené propouštěnou vodou pod tlakem či propouštěnou vodou bez tlaku, a zároveň jsou-li následkem působení vody způsobeny dutiny nebo trhliny.

Úspěch injektáže ovlivňují tyto parametry (obr. 1): •    injektážní technologie •    injektážní tlak (beztlakově, nízkotlaká nebo vysokotlaká injektáž) •    volba vhodných pakrů, pump •    vzdálenosti pakrů, hloubka injektážních kanálů •    účinnost způsobu provádění a injektážní hmoty •    vnější vlivy Obr. 1 Faktory ovlivňující kvalitu injektáže

Rozdělení injektáží

Podle charakteru poruchy stavebního díla a potřebě sanačních a rekonstrukčních prací lze definovat obecné rozdělení a hlavní cíle injektážních systémů (obr. 2):
•    injektáž betonů (vyplnění trhlin a dutin) – mechanicky a silově únosné vyplnění, elastické vyplnění, vyplnění schopné nabobtnání,
•    injektáž zdiva (trhlin a dutin) – statické uzavření a utěsnění (hydroizolační),
•    injektáž podloží (vyplnění kaveren a dutin) – staticky únosné, výplňové.

Obr. 2 Rozdělení injektážních systémů

Injektážní směs musí vykazovat základní vlastnosti:

•    dobrou zpracovatelnost,
•    objemovou stálost,
•    viskozitu odpovídající druhu použití,
•    dostatečnou stabilitu,
•    nepatrné objemové smrštění v závislosti na reakci,
•    dostatečnou přídržnost na betonové boky trhliny,
•    dostatečnou vlastní pevnost. 

Doplňkovými charakteristikami jsou: 

•    dobrá penetrační schopnost,
•    dobrá čerpatelnost,
•    velká odolnost proti erozi,
•    vyhovující pevnost v tlaku,
•    snášenlivost s okolními stavebními materiály. Vyrobená injektážní směs se pak kontroluje řadou zkoušek (pevnost v prostém tlaku, ve smyku, viskozita, odlučování vody, odolnost proti erozi a smrštění atd). 

Základní rozdělení injektážních směsí

Vzhledem k tomu, že existují různá hlediska dělení technologie injektáže a druhů injektážních hmot, pokusíme se provést základní dělení injektážních systémů.

V závislosti na cíli injektáže hrají význam následující všeobecné materiálové vlastnosti:
•    elasticita/pevnost (např. duromery/elastomery),
•    snášenlivost s vodou/těsnost (např. duromery/elastomery),
•    viskozita/struktura částic (např. duromery/suspenze),
•    podmínky pro vytvrdnutí a použití. 

Rozdělení injektážních směsí podle technologie vyplnění

Dle charakteru a rozsahu sanace betonové konstrukce jsou kladeny požadavky na injektážní technologie vyplnění trhlin a dutin ve smyslu ČSN EN 1504-5:
•    silově únosné vyplnění – duromerové pryskyřice nebo minerální suspenze ,
•    roztažitelné, elastické vyplnění – elastomerové pryskyřice,
•    vyplnění schopné nabobtnání – hydrostrukturní pryskyřice. 

Vyžaduje-li sanace betonové konstrukce silově únosné vyplnění, je vhodné použít duromerové pryskyřice (tuhé pryskyřice na epoxidové bázi, zpravidla dvousložkové). Výhodou jejich použití je vysoká tahová pevnost, tlaková pevnost, těsnost vůči kapalinám a plynům, k vytvrzení dochází i při dynamickém namáhání, také se vyznačují vysokou životností a trvanlivostí. Nevýhodou jsou zhoršené vlastností pryskyřic při kontaktu s vodou, protože vzniklé póry snižují adhezi a pevnost (obr. 3a). 

Taktéž lze v některých případech použít minerální suspenze (suspenze na bázi jemných cementů). Tyto minerální suspenze nabízejí pevnosti typické pro beton, aktivní protikorozní ochranu, dlouhou životnost, ale na  druhé straně zde vyvstává nebezpečí vyplavení v přítomnosti tlakové vody nebo k oddělení od boků trhliny při změně šířky trhliny (ztráta přídržnosti) (obr. 3b). 

Vyžaduje-li sanace objektu roztažitelné, elastické vyplnění trhlin v betonu, je možné použít elastomerové směsi (elastické pryskyřice na polyuretanové bázi s uzavřenou nebo otevřenou strukturou pórů) vyznačují se schopností vytvrdnutí i při dynamickém namáhání, dobrou adhezí, vodotěsností, vysokou trvanlivostí i životnost, a jsou i elasticky deformovatelné (obr. 3c). 

Hydrostrukturní pryskyřice

Jedná se o měkce elastické pryskyřice na akrylátové bázi, zpravidla vícesložkové. Mezi přednosti tohoto injektážního materiálu patří především schopnost vytvrdnutí i při dynamickém namáhání, vysoká adheze a rychlá reakce. Hydrostrukturní pryskyřice jsou flexibilní, schopné nabobtnání a vodonepropustné. Nevýhodou tohoto materiálu je, že může na vzduchu vytvrdnout a smrštit se. 

Rozdělení podle reologického chování

Injektážní směsi se podle reologického chování rozdělují na:
•    nestabilní suspenze,
•    stabilní suspenze,
•    koloidní roztoky,
•    čisté roztoky,
•    plynné emulze (rozpínavé směsi s velkým zvětšením objemu). 

Rozdělení injektážních hmot dle materiálu

(Ze všech injektážních systémů betonových konstrukcí uvádíme jen nejpoužívanější.)

Cementová injektážní směs – patří mezi nestabilní suspenze. Přestane-li se míchat, zrna cementu sedimentují. Vzhledem k tomu, že vodní součinitel směsi je mnohonásobně větší než množství vody potřebné pro hydrataci cementu (w = 0,2 až 0,3 oproti 0,4 až 0,5), je směs nestabilní. Voda zde slouží jako transportér cementových zrn. Aby bylo možno použít cementovou směs k utěsnění nebo ke zpevnění horniny, musejí být splněny tyto podmínky:
•    cementová zrna musejí být takového průměru, aby mohla vniknout do puklin,
•    podzemní voda nesmí být agresivní, aby cement mohl ztuhnout v pevný cementový kámen. 

Je-li voda agresivní, je třeba volit takový druh cementu, který agresivitě vzdoruje, nebo vhodnější typ směsi.

Organické pryskyřice jsou směsi, které se vytvrzují v určitém čase za vzniku daných pevností.
Injektážní směs vyrobená z pryskyřic nesmí mít příliš vysokou viskozitu a ve styku s vodou nebo s injektovaným prostředím nesmí nic bránit její polymeraci (vytvrzení). Organické pryskyřice lze rozdělit do dvou velkých skupin:
•    pryskyřice ředitelné vodou,
•    pryskyřice neředitelné vodou.
Pryskyřice ředitelné vodou, rozpuštěné ve vodě při dávkování 5 až 50 %, vytvoří roztok, jehož viskozita se při tomto dávkování blíží viskozitě vody. Tyto roztoky se vytvrzují v čase. Směsi vyrobené z akrylamidu se vytvrzují v gel s malou pevností (100 až 700 kPa), mohou však snášet velké deformace, neboť gel je velmi elastický. Požadujeme-li větší pevnost, použijeme fenoplasty nebo animoplasty, jejichž výsledná pevnost v prostém tlaku je od 100 kPa do 10 MPa (1).
Pryskyřice neředitelné vodou dosahují pevnosti v tlaku až 100 MPa, v tahu 30 MPa. Okruh jejich použití velice zužuje vyšší cena. Pracuje se s nimi při opravách poškozených betonů (většinou trhliny, špatné pracovní spáry apod.), při lokálním zpevňování pórovitých a křehkých hornin, při opravě kotev apod.  

Epoxidové pryskyřice patří mezi moderní materiály a jsou prakticky neředitelné. Zásadně nevhodné je ředit je pro injektáž nereaktivními rozpouštědly – zhoršují se tím mechanické i chemické vlastnosti. Při injektování do mokrého prostředí proto volíme raději epoxidové pryskyřice s menší viskozitou. Protože je používáme nejčastěji na opravu betonu, kde je většinou možno injektovat vysokým tlakem (i několik desítek MPa), vysoká viskozita není velkou závadou. Mechanická pevnost v prostém tlaku těchto směsí je 100 MPa (2).

Polyuretany jsou hydrofobní (pěny) nebo hydrofilní (gely) s pěnovou nebo gelovou pryskyřičnou strukturou. Reagují s vodou, jsou rozpínavé a mají střední viskozitu.

Obr. 4 Příklady sanace objektu pomocí injektážích technologie vrtaných pakrů  a) zpevňování mostní konstrukce,  b) zainjektovaná porucha spodního líce mostovky, c) umístění injektážích pakrů v sloupu mostní konstrukce

Technologie provádění injektážních systémů

Injektážní systémy lze rozdělit dle způsobu plnění na:
•    tlakové,
•    beztlakové. 

Tlakové injektáže se provádějí do horizontálních vrtů o průměru 10 až 12 mm ve vzdálenosti 20 až 30 cm od sebe. Do vrtů se osadí injektážní ventily. Tlakovým injektážním čerpadlem se polyuretanové nebo epoxidové pryskyřice vhánějí pod tlakem kolem 25 000 kPa do betonů i zdiva. Kapalný materiál zaplní část spektra pórovité struktury v důsledku následného zvětšení objemu napěněním (pěna má uzavřenou pórovitost a odolává vzlínající vlhkosti a tlakové vodě). 

Beztlakové injektáže lze provádět do vrtů se sklonem 30 až 45° o průměru 25 až 38 mm. Nejvhodnější umístění je ve dvou řadách nad sebou ve vzdálenosti 10 až 12,5 cm od sebe. Vzdálenost vrtů musí odpovídat hloubce průniku injektážní látky do materiálu. Hloubka vrtů je o 50 až 100 mm kratší než tloušťka zdiva. Injektážní vrty se plní pomocí elektrického čerpadla nebo samospádem. 

Při injektáži trhlin betonových konstrukcí je ve většině případů nutné využívat tlakových injektáží (injektážní tlak je jmenovitá hodnota dopravního tlaku, kterým je přiváděn výplňový materiál k injektážnímu pakru či k injektážní pumpě).

Technologická zařízení pro injektážní systémy:
•    injektážní pumpy,
•    injektážní pakry (vrtané, lepené).
Při umístění injektážních pakrů je třeba dodržet několik kritérií, jako např. vzdálenosti v umístění, aby injektážní technologie byla účinná v co nejširší míře. Kanály pro injektáž trhlin se vrtají ve vzdálenosti 14 mm. Umístění na dutině se provádí přímo v oblasti vadného místa nebo v rastru, ve stejné vzdálenosti jako u trhlin. U vyztužených dílů či předpjatých konstrukcí nelze používat vrtané pakry (4).

Umístění pakrů na trhlině:
•    vzdálenost lepených pakrů = tloušťka stavebního dílu,
•    vzdálenost vrtaných pakrů = 0,5 tloušťky stavebního dílu. 

Závěr

prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc., Ing. Pavla Matulová, Ing. Jaroslav Chabr
Foto: autoři 

Tento příspěvek vznikl za podpory projektu MPO FT-TA3/139 s názvem Komplexní systém sanace defektů v zeminách za rubem stavebních konstrukcích novými injek­táž­ními hmotami z druhotných surovin výzkumného záměru MSM 0021630511 s názvem „Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí“.   

Rostislav Drochytka je vedoucím Ústavu technologie stavebních hmot a dílců, FAST VUT v Brně.
Pavla Matulová pracuje v Ústavu technologie stavebních hmot a dílců, na FAST VUT v Brně.
Jaroslav Chabr je ředitelem divize Podzemní stavby ve společnosti Pragis, a. s. 

Literatura
(1)    Emmons, P. H. – Drochytka, R. – Jeřábek, Z.:  Sanace a údržba betonu v ilustracích. Brno. CERM, 1999, ISBN 0-87629-286-4.
(2)    Drochytka, R.: Plastické látky ve stavebnictví. Brno: CERM, 1998 ISBN 80-214-1148-1.
(3)    ČSN EN 1504-5 Výrobky a systémy pro ochranu a opravy betonových konstrukcí. Definice, požadavky, kontrola kvality a hodnocení shody – Část 5: Injektáž betonu.
(4)    Firemní literatura firmy MC-Bauchemie.
(5)    Směrnice WTA – Merkblatt: Abdichten von Bauwerken durch Injektion.
(6)    Drochytka, R. – Dohnálek, J. – Bydžovský, J. – Pumpr, V.: Technické podmínky pro sanace betono­vých konstrukcí II., SSBK BEKROS Brno 2003, ISBN 80-239-0516-3.