V moderním stavebnictví klademe důraz nejen na statické vlastnosti nově projektovaných staveb, ale i na jejich trvanlivost a odolnost zajišťující co možná nejdelší dobu bez nutné rekonstrukce či opravy dílčích částí. I když je beton nejrozšířenější stavební materiál a používá se více než 100 let, na hodnocení jeho trvanlivostních vlastností stále neexistuje jednoznačný názor. Na mnoha vědeckých pracovištích probíhají rozsáhlé výzkumy za účelem stanovit kritéria hodnocení trvanlivosti betonu.
Jako rozhodující se stále jeví vlastnosti povrchové vrstvy betonu (tzv. „covercrete“) v tloušťce 25 ~ 50 mm a její propustnost pro vodu a vzduch. Domnívají se, že právě těmito zkouškami lze nejlépe popsat pórovitou strukturu betonu a tím i trvanlivost betonu. Lze konstatovat, že trvanlivost je funkcí propustnosti.
Vlastnosti Povrchových Vrstev Betonu
Důležitým parametrem určující trvanlivost konstrukce je kvalita povrchové vrstvy, neboť ta je přímo vystavena působení okolního prostředí a svými parametry pak chrání celý betonový prvek. Z hlediska trvanlivostních vlastností má smysl hlouběji sledovat parametry povrchové vrstvy, zejména transportní děje, kdy tyto poznatky poslouží k další optimalizaci nově vznikající konstrukce a zajistí tak její lepší estetické i funkční vlastnosti.
Metody Měření Propustnosti
Pro měření propustnosti povrchových vrstev betonu existuje celá řada metod založených na podobných principech. V tomto příspěvku budou představeny výsledky měření metodami TPT, GWT, ISAT a vysokotlakého permeametru. Všemi těmito postupy lze srovnávat kvalitu betonu, ovšem je třeba přihlédnout k vlastnímu charakteru měření, neboť každou uvedenou metodou je měřena nepatrně jiná vlastnost a snadno tak může dojít k desinterpretaci výsledků. Uvedené zkoušky propustnosti byly doplněny dalšími běžnými zkouškami mechanických vlastností. Na daném množství vzorků tak vznikl poměrně rozsáhlý soubor dat.
Při hodnocení povrchových vrstev betonu hraje významnou roli jeho povrchová vlhkost a její měření je důležité provést před každou zkouškou propustnosti. Pro měření povrchové vlhkosti byl použit kapacitní vlhkoměr Kakaso, jímž bylo provedeno měření vždy před měřením vzduchové, resp. vodní propustnosti. Z kalibrační křivky byla následně odečtena povrchová hmotnostní vlhkost v %.
Čtěte také: Test plastových oken: výsledky a doporučení
Metoda TPT (Torrent Permeability Tester)
Následně byl na prvním zkušebním místem stanoven součinitel vzduchové propustnosti kT metodou TPT (Torrent Permeability Tester) švýcarské firmy Proceq. Zařízení se skládá z dvoukomorové vakuové buňky a regulátoru tlaku, který koriguje proudění vzduchu do vnitřní komory, a z vakuového čerpadla. Třída kvality krycí vrstvy betonu z hlediska trvanlivosti se určí z tabulky deklarované výrobcem.
Metoda ISAT (Initial Surface Absorption Test)
Po této zkoušce bylo stejné zkušební místo podrobeno zkoušce ISAT (Initial Surface Absorption). Toto italské zařízení stanovující propustnost betonu tlakovou vodu je specifikováno britskou normou BS 1881/208. Metoda spočívá v měření množství tlakové vody (0,2 bar) vtékající do betonu přes akrylátovou komůrkou. Po naplnění komůrky vodou je přívod vody z nálevky uzavřen a probíhá měření pohybu vody po 10, 30 a 60 min. Počet dílků na měřítku po prvních pět sekundách měření určuje interval měření a tím i v podstatě třídu kvality povrchu betonu.
Metoda GWT (Germanns Water Permeability Test)
Na druhém zkušebním místě byl po změření povrchové vlhkosti a součinitele vzduchové propustnosti kT metodou TPT změřen součinitel propustnosti tlakovou vodou k1 metodou GWT (Germanns Water Permeability Test). Toto dánské zařízení firmy Germann Instrumentsse skládá z tlakové komůrky připevněné pomocí svorek, těsnění a silikonu na zkušební místo.
Po naplnění komůrky vodou měříme čas a množství tlakové vody (0,2 bar) vsáknuté do povrchu betonu pomocí mikrometrického šroubu, který nahrazuje objem vody vsáknuté do betonu. Německá norma DIN 1045 považuje za trvanlivé ty betony, které mají součinitel propustnosti k1 < 1,0.10-16 m².
Vysokotlaký Permeametr
K experimentálnímu stanovení hydraulické vodivosti byla použita metoda založená na přímém využití definičního vztahu. Měření bylo prováděno na zařízení vyrobeném firmou CNE Technology. Design tohoto zařízení vychází z práce [2]. Hlavní součástí je ocelová Hasslerova komora. V ní je umístěn válcový vzorek (vývrt) o průměru 1,5‘‘ a délce 50 mm. Vzorek musí být před vlastním měřením nasycen kapalinou, v tomto případě vodou. Během měření pak protéká vzorkem ve směru podélné osy voda jako „vedená“ kapalina. Aby byl zajištěn její jednosměrný tok vzorkem a aby bylo zabráněno obtékání vzorku, je vzorek utěsněn rukávem z nitridového kaučuku; potřebný těsnící tlak vně rukávu je zajištěn pomocí tlakové lahve s dusíkem (plná láhev 20 MPa) a prostřednictvím zásobníku tlaku a destilované vody je tlak přiveden do těsnícího prostoru Hasslerovy komory. Konstantní nastavený průtok kapaliny transportované vzorkem je zajišťován chromatografickým čerpadlem, schopným poskytnout kapalině tlak až 40 MPa. Měřeníje prováděno tak, že se nastaví požadovaný průtok kapaliny a měří se tlak (resp. tlakový spád) potřebný k jeho dosažení. Směrnicí této závislosti je právě hydraulická vodivost. Více měřených bodů závislosti samozřejmě poskytuje lepší výsledek. Vycházíme z předpokladu, že ve vzorku platí Darcyho zákon a závislost průtoku na tlaku prochází počátkem. Obdobná metoda pro stanovení hydraulické vodivosti stavebních materiálů není v Evropě standardizována, známa je pouze americká ženijní norma [3]. Více o použité metodě měření viz [4].
Čtěte také: Použití betonové podlahy
Experimentální Program
Veškerá data pocházejí z analýzy vzorků o stáří 90 dnů. Mladé betony jsou typické svojí větší vlhkostí, která jistě ovlivní každé měření, proto byla kapacitním vlhkoměrem změřena a zohledněna při určování součinitele propustnosti kT. Pro účely experimentálních měření byly na vyrobeny čtyři betonové bloky (s označením 6, 12, 18 a 22) bez povrchové úpravy o rozměrech 690 x 400 x 150 mm, které byly postupně podrobeny šesti zkušebním metodám.
Pro experimentální program byly navrženy čtyři betonové směsi (Tab. 1), které se svým složením blíží běžně používaným recepturám pohledových betonů. Při jejich návrhu byl kladen důraz zejména na konzistenci čerstvé směsi, která byla laděna tak, aby výsledné směsi vykazovaly sednutí okolo 140 mm. Zpracovatelnost u pohledových betonů je jeden ze základních předpokladů pro jejich úspěšnou výrobu, neboť defekty vzniklé nedokonalým hutněním snižují estetickou hodnotu prvku, ale navíc, v souvislosti s tématem tohoto příspěvku, každá dutinka či kaverna tvoří přístupovou cestu pro pronikání agresivních látek. Výroba a následné měření probíhalo ve spolupráci Ústavu stavebního zkušebnictví Fakulty stavební VUT v Brně, Experimentálního centra a Katedry materiálového inženýrství a chemie Fakulty stavební ČVUT v Praze.
Vzhledem k tomu, že hydraulická vodivost uvedených směsí byla nízká, byl experiment na hranici použitelnosti metody vysokotlakého permeametru. Tlakový spád potřebný pro navození ustáleného toku kapaliny vzorkem se i při minimálním nastavitelném průtoku (0,02 ml/min) blížil maximálnímu těsnícímu tlaku. Ten dosahoval hodnoty 15 MPa, při použití vyššího těsnícího tlaku docházelo k praskání vzorků kvůli překročení jejich pevnosti v příčném tahu. Proto nebyla bohužel změřena závislost průtoku na tlakovém spádu, ale měření bylo prováděno tzv. jednobodově.
Hodnocení Existujících Konstrukcí
Hodnocení stavu betonových konstrukcí je oblast, která je velice důležitá a aktuální. Navíc lze očekávat, že význam tohoto oboru ještě více poroste s ohledem na historii betonového stavitelství. V tomto komplexním příspěvku jsou přesně a detailně popsány metody standardně používané při stavebním průzkumu pro posouzení stavu železobetonových konstrukcí. Hlavním cílem je však představení všeobecně známé nedestruktivní ultrazvukové metody, jakožto neinvazivního postupu pro získání kvalifikovaného odhadu u specifického typu konstrukcí. Tato skutečnost je velice názorně deklarována na reálném případu významné technické památky. Vysoká kvalita tohoto příspěvku odráží dlouhodobé praktické zkušenosti autorů.
Při hodnocení existujících železobetonových konstrukcí památek je vždy nutné ověřit vlastnosti betonu a rozmístění výztuže. Příspěvek se zabývá zkoušením betonu pomocí nedestruktivních metod - zejména tvrdoměrné a ultrazvukové. Jako nejvýhodnější pro zkoušení starých konstrukcí se ukazuje metoda ultrazvuková.
Čtěte také: Systémová řešení pro opravu betonu
Specifický Přístup k Hodnocení
Hodnocení existujících konstrukcí objektů zasluhujících památkovou ochranu nebo uměleckých děl ze železobetonu vyžaduje specifický přístup. Jedná se v převážné většině o stavební objekty z počátků betonového stavitelství či meziválečného období, ale v poslední době vystupuje do popředí snaha chránit i objekty výrazně mladší, z období 60. až 70. let 20. století. Značná část zejména průmyslových objektů však byla postavena ryze účelově, úsporně, s omezenou životností. V průběhu doby se rovněž změnily požadavky na kvalitu a trvanlivost materiálů nosných konstrukcí. Při hodnocení starších železobetonových konstrukcí je tedy nezbytné ověřit jejich spolehlivost nejen na základě prohlídky, ale i na základě zkoušek. Pro zjištění pevnosti v tlaku a dalších vlastností betonu je sice metoda jádrových vývrtů referenční, avšak hodnocení historicky či umělecky cenných konstrukcí vyžaduje šetrnější zkoušení.
Postup Ověřování Spolehlivosti
Při ověřování spolehlivosti existujících konstrukcí a pro navrhování jejich obnov se postupuje podle zásad ČSN EN 1990 a dalších platných norem. Jelikož některé zásady a údaje zejména pro staré konstrukce v těchto normách chybí, využívá se pro jejich hodnocení norem ČSN ISO 13822 Zásady navrhování konstrukcí - Hodnocení existujících konstrukcí [2] a ČSN 73 0038 Hodnocení a ověřování existujících konstrukcí - Doplňující ustanovení [3].
Podobně se konstrukce zhodnotí i z hlediska provozuschopnosti. Pokud jedna nebo více podmínek nejsou splněny, pak není možné hodnocení na základě dřívější uspokojivé způsobilosti použít. V tom případě je nutné prokázat vlastnosti materiálů a konstrukcí dle současně platných norem pro navrhování betonových konstrukcí, tzv. Eurokódů. Na základě našich zkušeností však lze alespoň minimální ověření vlastností železobetonové konstrukce doporučit v každém případě, i když jsou všechny podmínky splněny.
Jen málo laiků si totiž uvědomuje, že např. betony vyráběné určitou technologií před 1. světovou válkou odhadem v 95 % případů nevyhovují dnešním byť minimálním požadavkům na beton pro nosné konstrukce [1]. Situace u betonů meziválečných je jen o málo lepší. Vždyť ještě ve 30. letech 20. století byly nosné železobetonové konstrukce jako desky a průvlaky běžně vyráběny z betonu tříd d, e (ČSN 1090-1931), které odpovídají dnešnímu značení C8/10, C10/13,5. U betonu nižších pevnostních tříd navíc časem dochází k degradaci a pevnost postupně ještě klesá, takže u starých konstrukcí nejsou žádnou výjimkou pevnostní třídy C6/7,5, C4/5 a dokonce C3/3,5, pro něž v současné době není ekvivalent v normě ČSN EN 206.
Často uváděný laický názor „konstrukce tu stála 100 let, a tudíž zde bude stát klidně dalších 100 let“ je založen na absolutní neznalosti dané problematiky.
Metody Zkoušení Betonu v Konstrukci
Metody určené pro zkoušení betonu v konstrukci jsou v podstatě obsaženy ve čtyřech částech normy ČSN EN 12504. Z uvedených metod je beze sporu nejpřesnější metoda jádrových vývrtů, která ovšem představuje určitý destruktivní zásah do konstrukce. Minimální průměr jádrových vývrtů z betonu je 50 mm, z důvodu velikosti kameniva však převažují odběry vývrtů o průměru 100 mm [4]. Zvláště u památkově chráněných objektů není takový zásah žádoucí, navíc pro objektivní zhodnocení stavu konstrukce by bylo zapotřebí odebrat značné množství vzorků. Proto je ideální nejprve beton konstrukce na velkém počtu zkušebních míst vyzkoušet nedestruktivně, a teprve po jejich vyhodnocení odebrat potřebné (minimální) množství vývrtů pro upřesnění nedestruktivních zkoušek. Daný postup odpovídá normě ČSN 73 2011 [5], jenž byla v roce 2012 harmonizována s evropskými předpisy a pro zkoušení památkově chráněných a starších konstrukcí se hodí lépe než evropská norma ČSN EN 13791 [6] (určena spíše pro relativně nové betonové konstrukce).
Tvrdoměrné Metody
Tvrdoměrné metody patřily a stále ještě patří k nejpoužívanějším nedestruktivním metodám ve stavebnictví. Oblíbenost metody spočívá v poměrně jednoduchém postupu, podle něhož je možné na základě zjištěného ukazatele tvrdosti stanovit hodnotu krychelné pevnosti v tlaku betonu. Zkušební místa ovšem musíme zbavit zkarbonatované vrstvy betonu, která je obvykle výrazně tvrdší, a vybrousit je tak, aby byla jasně patrná struktura betonu [7]. Broušení zkušební plochy je samo o sobě výrazným zásahem do vzhledu konstrukce.
Ultrazvuková Metoda
U masivní konstrukce může být beton podélně vrstevnatý, což znamená, že vlastnosti betonu v jádře průřezu jsou jiné (často horší), než je tomu u povrchové vrstvy. Zvláštním případem je obetonování původního profilu novou vrstvou betonu, např. při statickém zajištění konstrukce v minulosti (záznamy o tom často neexistují). Vztahy mezi rychlostí šíření impulsu a pevností v tlaku se tedy mohou lišit podle konkrétního složení betonu. Pro neznámý beton je odhad pevnosti pouze na základě rychlosti šíření impulsu problematický. Čím je přitom pevnost betonu vyšší, tím je vzájemný vztah pevnosti a rychlosti šíření UZ impulsu méně přesný. Přesto lze pevnost v tlaku z rychlosti šíření ultrazvuku stanovit, zejména v rozsahu pevností v tlaku od 5 MPa do 30 MPa - viz Obrázek 1 [8].
Ultrazvuková metoda má proti tvrdoměrům několik výhod. Zejména není nutné brousit povrch na strukturu betonu a dále zjišťujeme vlastnosti betonu v celé tloušťce. Podmínkou je ovšem dobrá přístupnost dvou protilehlých povrchů zkoušeného prvku.
Příklad Využití Ultrazvukové Metody
Využití ultrazvukové metody pro stanovení pevnosti v tlaku betonu historické konstrukce si ukážeme na příkladu starého továrního objektu, postaveného v roce 1915. Účelem průzkumu bylo zjistit skutečný stav nosné konstrukce z hlediska budoucího využití, přičemž ve hře bylo i prohlášení objektu památkou. Zatímco vnější zdi jsou zděné z cihel, vnitřní nosná konstrukce je železobetonová, tvořená podélnou řadou sloupů spojených podélným průvlakem s náběhy. Z něho vybíhají příčná žebra rovněž s náběhy, mezi nimiž jdou železobetonové desky - viz Obrázek 2. Nosná konstrukce na první pohled zaujme štíhlostí tvarů - jedná se o typickou konstrukci z tohoto období, která byla navržena s maximální úsporností a bez přílišných rezerv v únosnosti. Ve 3. NP je jejich profil ještě výrazně zeštíhlen.
Zatímco ve stropní konstrukci byly výrazné trhliny, stav sloupů se na první pohled nezdál nikterak špatný. Ze zkušeností s podobnými konstrukcemi však víme, že beton před 100 lety obvykle nebyl příliš kvalitní - jak z hlediska použitého tmelu, tak zejména z hlediska použitého kameniva. Většinou se jednalo o neprané těžené kamenivo s nepravidelnou frakcí a nepříznivým tvarovým indexem zrn. Výsledky nedestruktivních měření byly vyhodnoceny na základě směrného kalibračního vztahu, uvedeného na Obrázku 1 (převzato z [8]).
Výsledky NDT zkoušek bylo samozřejmě nutné upřesnit dle zásad ČSN 73 2011, z toho důvodu byly odebrány 3 jádrové vývrty z míst, kde vycházely minimální, průměrné a maximální hodnoty rychlosti šíření impulzů ultrazvukového vlnění. Hodnoty pevnosti v tlaku betonu stanovené na třech vývrtech byly použity k upřesnění všech hodnot pevností získaných z ultrazvukového měření. Pevnost v tlaku betonu sloupů vyšla velmi nízká, což úplně neodpovídá vizuálnímu dojmu, kterým beton působí.
Výsledky zkoušek jádrových vývrtů z betonu sloupů staré průmyslové haly jednoznačně potvrdily to, co naznačilo již nedestruktivní ultrazvukové měření - totiž pokud rychlost šíření ultrazvukového vlnění klesne pod 3000 m/s, pak s jistotou nejde o konstrukční beton [8]. Beton nosné konstrukce nesplnil ani minimální požadavky na beton pro nosné železobetonové konstrukce, což je pevnostní třída C 12/15 (při nižší pevnostní třídě není zajištěna ani minimální soudržnost betonu s výztuží) [3].
Ve skutečnosti odpovídá pouze pevnostní třídě C 4/5, která není v současné normě pro beton ČSN EN 206 vůbec uvedena. Protože se v konstrukci vyskytují i závažné statické poruchy těchto konstrukcí (liniové průběžné trhliny v deskách i žebrech ve vzdálenosti cca 1 m od středové linie sloupů), pak lze konstatovat, že konstrukce není bezpečná a pro případné další využití ji bude nutné zesílit.
Závěr
Staré železobetonové konstrukce se v poslední době dostávají do popředí zájmu skupin nadšenců i orgánů památkové péče. Při hodnocení těchto objektů je často hrubým způsobem podceněno objektivní zjištění jejich stavu. Norma ČSN ISO 13822 ve svém novém vydání platném od 1. 1. 2015 obsahuje i kapitolu týkající se hodnocení nosných konstrukcí památek, kde umožňuje při splnění určitých podmínek mírnější hodnocení těchto starších objektů.
Z uvedeného příkladu posouzení betonu staré výrobní haly původně navržené na památku však vyplývá, že skutečný stav konstrukce může být často výrazně horší, než na první pohled vypadá. Doporučuje se proto vždy provést průzkum konstrukce alespoň v nezbytně nutném rozsahu. Velký význam zde mají zejména nedestruktivní metody, které dokáží bez invazivního zásahu do konstrukce odhalit její slabá místa, kde lze následně provést doplňkové zkoušky na vývrtech.
Výsledkem výše uvedených skutečností je obvykle zjištění velmi vysoké variability pevnosti betonu v konstrukci jako celku, ale i v rámci jednoho konstrukčního prvku. Proto je nutné na předmětné konstrukci vždy zjišťovat alespoň pevnost betonu v tlaku.
Vývoj Požadavků na Pevnost Betonu
S ohledem na vývoj výztužných ocelí a poznatky o trvanlivosti betonu vzrůstaly požadavky na minimální tlakovou pevnost betonu. Podle přednormových předpisů se kvalita betonu předepisovala minimální krychelnou pevností (zkoušela se po šesti týdnech), přičemž minimální pevnost betonu podle dodatku z roku 1918 byla 130 kg/cm2 s minimálním množstvím cementu 240 kg/m3 při poměru cementu s kamenivem 1 : 5. Pozdější předpisy již zvýšily minimální krychelnou pevnost betonu na 150 kg/cm2 a navazující normové předpisy již hranici kontrolní krychelné pevnosti víceméně dodržují - např. ČSN 73 2001:1955 [4] požadovala pro železobeton minimální zn. 135 (odpovídá kontrolní pevnosti 13,5 MPa) a první norma pro mezní stavy [5] zavedla jako nejnižší přípustnou třídu železobetonu tř. I, jejíž kontrolní pevnost je opět 13,5 MPa. Další normový předpis [6] již zvedl minimální pevnost betonu na třídu B 12,5 s omezením výpočtového namáhání betonářské výztuže na 180 MPa. Stávající platná norma [7] zavedla pro železobetonové konstrukce požadavek minimální pevnostní třídy C12,5/15 (s kontrolní pevností 19 MPa). Z uvedeného je zřejmé, že na přelomu tisíciletí došlo k výraznějšímu zpřísnění požadavků na minimální pevnost betonu v tlaku, takže ani dříve hojně užívané betony zn. 135, resp. tř. I (a dokonce ani beton zn. 170 většiny prefabrikovaných betonových prvků ze 60.
Specifika Starších Betonových Konstrukcí
konstrukce postavené před rokem 1931 obsahují cement s dosti hrubým mletím slínku,beton se míchal přímo na stavbě,bylo používáno ruční dávkování jednotlivých složek (většinou poměrové) a někdy i ruční míchání,používáno bylo kamenivo z místních zdrojů, většinou neprané a mnohdy kopané přímo či v blízkosti stavby (dosti často bylo silně zahliněné) a zároveň nebyly hlídány křivky zrnitosti (nejsou neobvyklá nadměrně velká zrna kameniva v betonu),dávkování vody se prakticky neprovádělo (množství vody se přidávalo do míchačky citem),ukládání a ošetřování betonu v bednění nebylo standardizováno a bylo silně odvislé od odborných zkušeností prováděcí firmy (resp.
Karbonatace Betonu
Do návrhu posouzení, resp. Při návrhu zesílení je nutné přihlédnout i ke karbonataci betonu. V odborné literatuře se uvádí dělení karbonatace na čtyři etapy (podrobněji viz [14]). Pro návrh lze uvážit mírné zvýšení mechanických vlastností betonu v 1. etapě vlivem částečného zaplňování pórovité struktury tvorbou nerozpustného uhličitanu vápenatého (CaCO3). Ve druhé etapě vznikají další modifikace CaCO3 spolu s amorfním gelem kyseliny křemičité a vlastnosti betonu se více méně nemění. V dalších etapách již dochází k překrystalizování nově vzniklých uhličitanových novotvarů s objemově větší strukturou a mechanické vlastnosti betonu stále prudčeji klesají a karbonatací zasažené vrstvy betonu jsou postupně roztrhány překročením tahové pevnosti betonu.
tags: #srovnání #vlastností #starého #a #nového #betonu