asb-portal.cz - Odborný portál pro profesionály v oblasti stavebnictví

Diagnostika betonových konstrukcí

07.02.2008
Nevyhnutelným předpokladem důvěryhodného hodnocení existující stavby je prověření aktuálního stavu konstrukce a vlastností stavebních materiálů. K tomuto účelu se používají destruktivní a nedestruktivní zkušební metody. Často je účelná kombinace obou metod – té se využívá např. v diagnostice podmínek vzniku koroze výztuže v betonu.

Problematice hodnocení existujících stavebních konstrukcí se věnuje ČSN 73 0038 (1). Skutkový stav a analýzu příčin poruch hodnotí i ISO 13822 (3). Uvádí zásady, všeobecné požadavky a postupy hodnocení budov a inženýrských staveb z různých materiálů.

Cílem hodnocení konstrukce je nejčastěji:
  • prověření uskutečnitelnosti přestavby nebo možnosti prodloužení životnosti stavby,
  • kontrola spolehlivosti (např. vůči seizmickým účinkům a zvýšenému zatížení), požadovaná státními orgány, pojišťovací společností, vlastníkem atd.,
  • zjištění porušení konstrukce v důsledku působení časově závislého zatížení (např. koroze, únava) nebo mimořádného zatížení.
Vzhledem k různorodosti cílů hodnocení, konstrukčních systémů, technologií a materiálů neexistuje podrobný návod na hodnocení konstrukcí. Inženýrský úsudek, praktické zkušenosti a konzultace s vlastníkem o obsahu a rozsahu výstupů jsou předpokladem správné metodiky. Hodnocení začíná prohlídkou stavby a prostudováním dokumentace. V případě, že se vyskytnou nejasnosti o účincích zatížení, vlastnostech konstrukce nebo materiálů, přistoupí se k podrobnému hodnocení. Je potřebné zohlednit i účinky fyzikálního, chemického nebo biologického charakteru, které mohou ovlivnit vlastnosti materiálů. Při statické analýze (ověření odolnosti) se použije aktuální stav konstrukce a vlastností nosných materiálů. K tomu se v požadovaném rozsahu musí vykonat jejich diagnostika.

Diagnostika vlastností konstrukce a materiálů

Diagnostika je soubor činností, které musíme vykonat, chceme-li zpřesnit a rozšířit informace získané z dokumentace a prohlídky stavby. Slouží k ověření vlastností materiálů, identifikaci, klasifikaci a kvantifikaci chyb a poruch. Důležité je nejen komplexně zmapovat poruchy, ale i předpovídat jejich vývoj v čase (4). Diagnostické metody, které se používají k průzkumu železobetonových konstrukcí, lze rozdělit do pěti hlavních skupin:
  • vizuální metody,
  • metody určování fyzikálních vlastností betonu a oceli,
  • metody určování stupně korozního narušení betonu a oceli,
  • metody určování polohy výztuže,
  • zatěžovací zkoušky konstrukce, resp. metody registrující okamžitou odezvu konstrukce na vyvozené statické nebo dynamické zatížení.
Posuzovaná konstrukce se nejdříve po­drobí důkladné vizuální prohlídce, která umožní kontrolu geometrického tvaru konstrukčních prvků, zjistí se a následně lokalizují poruchy vzniklé na povrchu konstrukce. Jako příznaky průběhu poruchy se identifikují obvykle odchylky od původního stavu (porušené nebo odpadlé vrstvy, stopy koroze výztuže, vlhká místa, vznik i rozvoj trhlin apod.). Odhalení poruchy ulehčí odborné znalosti a znalost nosného systému.

Vizuální prohlídka je neodmyslitelným prvním krokem každého průzkumu, díky němuž se dají včas a bez větších nákladů odhalit poruchy i v tom nejranějším stadiu. K vybavení potřebnému při vizuální prohlídce patří osvětlovací pomůcky, fotoaparát, dalekohled a přesné měřicí pomůcky. Při podrobnější prohlídce je potřeba použít lupu, příložné šířkoměry trhlin, sklonoměry apod. Mezi vizuální metody patří i geodetické metody, které vycházejí z nejrůznějších fyzikálních principů (fotogrametrie, laserové přístroje apod.).

Během vizuální prohlídky se kromě zraku využívají i další smysly – sluch, hmat a čich. Při tzv. akustickém trasování zjistíme pomocí odezvy betonu na poklep přítomnost např. dutin nebo porušených vrstev. Hmatovým pozorováním lze zjistit kvalitu povrchu a jeho nerovnosti, poruchy (křídování), příp. vlhkost. Čichem můžeme zachytit účinek chemické koroze (např. síranové), resp. hnilobné procesy biologické koroze betonu.
K diagnostice vlastností materiálů se používá destruktivních a nedestruktivních metod.

Nedestruktivní metody

Tyto metody pomáhají určit hledané vlastnosti bez rozsáhlejšího poškození stavebního materiálu nebo konstrukčního prvku. Jejich předností je, že umož­ňují několikeré měření na stejném místě, registraci změn v čase a statistické vyhodnocení. Zásadní nedostatek této metody spočívá ve skutečnosti, že se měří pomocná charakteristika, která je s požadovanou charakteristikou v určité závislosti. Moderní nedestruktivní metody založené na počítačové technologii výrazně zjednodušují vykonávání zkoušek. Jejich interpretace si vyžaduje rozšířené inženýrské znalosti a základní fyzikální a chemické poznatky, aby nedošlo k nesprávným hodnocením.

Destruktivní metody

Destruktivní metody se uplatňují, nevede-li použití nedestruktivních metod k požadovanému cíli nebo je-li žádoucí přesnější stanovení vyšetřovaných charakteristik. Často je účelná kombinace destruktivních i nedestruktivních metod, protože pomocí destruktivní metody je možné zpřesnit všeobecné kalibrační vztahy nedestruktivních metod.

Odebírání vzorků a zkušební metody nesmějí výrazněji snížit spolehlivost konstrukce a musejí být v souladu s relevantními dokumenty ISO. Oprava vzorků porušených prvků se vykoná ihned po odběru.
Podrobnější přehled o zkušebních metodách vyšetřování betonu, výztuže a betonových konstrukcí uvádí tab. 1. Při diagnostice vlastností stavebních materiálů není podstatný fyzikální princip používaných metod; jejich celkovou efektivitu ovliv­ňují tato kritéria:
  • přesnost,
  • rychlost,
  • cena.
Přesnost metody je pro výsledek diagnózy často rozhodující, zejména při nepřímých metodách,  které k interpretaci měření nepotřebují kalibrační vztah. Používání takových metod bez zpřesněných kalibračních vztahů může vyvolat nedorozumění. Proto je nutné znát statistické toleranční meze kalibračního vztahu, jeho směrodatnou odchylku, příp. další parametry.

Rychlost stanovení má zásadní význam z praktického hlediska. Užitkovou hodnotu průzkumu spoluvytváří právě rychlost provedení a stanovení závěrů. Často se upřednostňují i méně přesné metody, které však operativně umožní získat potřebné výsledky (tvrdoměrné zkoušky, kolorimetrické určování pH betonu apod.).
Cena měření má rostoucí význam zejména při výběrových konáních, kde se v poslední době stává jediným kritériem.

Tab. 1 Přehled zkušebních metod k vyšetřování betonových konstrukcí (5)



Diagnostikování polohy, průměru a krytí výztuže v betonu

Jednou z nejčastějších poruch v železobetonové konstrukci je koroze výztuže.
K diagnostikování polohy výztuže v betonu se používá metoda založená na principu měření změn velikosti magnetického toku způsobených přítomností feromagnetického materiálu v elektromagnetickém poli. Tato metoda umožňuje určit:
  • polohu a směr výztuže,
  • množství a osové vzdálenosti výztuže,
  • tloušťku betonové krycí vrstvy (při známém průměru výztuže),
  • průměr výztuže (při známé tloušťce krycí vrstvy).
Metodu lze hodnotit jako nenáročnou s rychlým získáním výsledků. S použitím kvalitních přístrojů a tloušťce krytí 40 mm je přesnost měření ±1 mm (7). Dosah přístroje je do hloubky přibližně 150 mm. Z hlediska vyhodnocení jsou kritická místa křížení nosných prvků a místa, kde vzdálenost výztuže je menší než tloušťka krytí. Pokud není známý průměr nebo jsou pochybnosti o uložení výztuže, doporučuje se i její lokální obnažení.

Diagnostikování stavu výztuže

Měření elektrodového potenciálu na povrchu betonu je nedestruktivní metoda vedoucí k objevení korodující výztuže (obr. 2). Je založená na zjišťování elektrodového potenciálu vytvářeného na stykové ploše kovu s elektrolytem. Změny elektrodového potenciálu na rozdíl od referenční elektrody, nejčastěji kalomelové, můžeme měřit pomocí přesného vysokoimpedančního voltmetru. Kontakt s výztuží se zabezpečí obnažením části výztuže, přičemž se využije skutečnosti, že je v železobetonovém prvku vodivě spojená.


Obr. 2  Měření elektrodového potenciálu na povrchu betonu
1 – referenční elektroda, 2 – milivoltmetr, 3 – proudový tok, 4 – čáry stejných potenciálů, 5 – svorka, 6 – výztužná vložka, 7 – lokální koroze, 8 – beton


Ukazovatelem korozní aktivity v betonu je elektrodový potenciál výztuže. Jeho hodnota naznačuje, zda je výztuž v termodynamicky aktivním nebo pasivním stavu. Při použití kalomelové elektrody se udávají tyto hodnoty, reprezentující aktivní, resp. pasivní podmínky výztuže (8):
  • ≥ (–200) mV: 90 % pravděpodobnost, že neprobíhá koroze,
  • (–200) až (–350) mV: koroze uložené výztuže není jistá,
  • ≤ (–350) mV: 90 % pravděpodobnost, že probíhá koroze.
Hodnotu elektrodového potenciálu ovlivňuje např. stupeň hydratace, vlhkost, karbonatace betonu a obsah solí. Tyto faktory mohou významně zkreslit naměřené hodnoty, a proto se doporučuje ověřit výsledky naměřené v kontrolní sondě se skutečností.

Při velkoplošných měřeních je vhodné betonovou plochu rozdělit na síť a měření uskutečnit v uzlech zvolené sítě. Ke zjišťování korodujících ploch s velikostí přibližně 5 mm je maximální vzdálenost měřených bodů 200 mm. Tato metoda se vykonává zejména v místech, kde hrozí koroze (vlhká místa, přístup posypových solí nebo jiných agresivních látek apod.). Protikorozní ochranu výztuže v betonu zabezpečuje vysoká alkalita betonu (pH = 12,5 až 13,5) tím, že se na jejím povrchu vytvoří stabilní pasivující povlak. Z toho vyplývá, že při vyšetřování podmínek ke korozi výztuže je potřeba zaměřit se na příčiny snížení alkality betonu v okolí výztuže. Nejčastěji dochází ke snížení alkality betonu pod hranici pasivity (pH < 10) v důsledku působení CO2 ze vzduchu.

Operativně lze hodnoty pH zjistit acidobazickými indikátory (např. roztokem fenolftaleinu v etylalkoholu), které mění zbarvení v závislosti na pH prostředí (obr. 1). Když se porovná hloubka karbonatace s tloušťkou betonové krycí vrstvy, dají se větším počtem měření diagnostikovat podmínky pro korozi výztuže s poměrně velkou výpovědní hodnotou.

Závěry

Při diagnostikování existujících konstrukcí se kladou na zkušební metody tyto požadavky: mají být přesné, rychlé, levné a minimálně poškozující nosnou konstrukci. Tímto nárokům nejlépe vyhovují moderní, počítači řízené přístroje nedestruktivních metod. Jejich aplikace umožňuje systematické a plošné vyšetřování vlastností stavebních materiálů. K jejich kalibraci postačuje obvykle jen několik míst s použitím destruktivní metody. Na druhé straně však jejich nasazení vyžaduje zkušeného odborníka, aby se zabránilo dezinterpretaci výsledků.


prof. Ing. Juraj Bilčík, PhD.
Foto a obrázky: autor


Autor je od roku 1971 pracovníkem Katedry betonových konstrukcí a mostů Stavební fakulty STU v Bratislavě. Od roku 1991 je vedoucím katedry. Na fakultě přednáší navrhování betonových konstrukcí a jejich sanaci. Ve vědeckovýzkumné činnosti se zaměřuje na problematiku trvanlivosti a sanace betonových konstrukcí. Vedle pedagogické a vědeckovýzkumné činnosti se aktivně zapojuje do expertizních prací pro stavební praxi. Z jeho iniciativy založila katedra v roku 1996 tradici Betonářských dní.

Literatura:
(1)    ČSN 73 0038/86 Navrhování a posuzování stavebních konstrukcí při přestavbách.
(2)    ISO 2394 General principles on reliability for structures.
(3)    ISO 13822 Bases for design of structures – Assessment of existing structures.
(4)    Kucharík, J.: Katalóg porúch mostných objektov na diaľniciach a cestách. Technický predpis SSC 2003, 24 s.
(5)    Jungwirth, D. – BEYER, E. – GRÜBL, P.: Dauerhafte Betonbauwerke. Düsseldorf: Beton – Verlag 1986, 255 s.
(6)    Bilčík, J.: Oprava trhlín v betónových konštrukciách. In: Stavebnícka ročenka 2004, Bratislava: Jaga group, 2003, str. 160–164.
(7)    Auberg, R.: Zerstörungsfreie Bauwerksdiagnostik. In: Beton und Stahlbetonbau, No. 8/2006, s. 596–605.
(8)    ASTM C 876-91: Standard Test Method for Half Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete, American Society for Testing and Materials. PA, USA: 1991.

Komentáře

Prepíšte text z obrázku do poľa. Ak nedokážete text rozoznať, kliknite na obrázok.

Další z Jaga Media