Diagnostika betónových konštrukcií

8. júna 2007

Partneri sekcie:

Nevyhnutným predpokladom hodnoverného hodnotenia existujúcej stavby je preverenie aktuálneho stavu konštrukcie a vlastností stavebných materiálov. Na tento účel sa používajú deštruktívne a nedeštruktívne skúšobné metódy. Často je účelná kombinácia oboch metód. Tá sa využíva aj na diagnostiku podmienok na vznik korózie výstuže v betóne.

Problematike hodnotenia jestvujúcich stavebných konštrukcií sa venuje STN 73 0038 (1). Skutkový stav a analýzu príčin porúch hodnotí aj ISO 13822 (3). Uvádza zásady, všeobecné požiadavky a postupy hodnotenia budov a inžinierskych stavieb z rôznych materiálov.

Cieľom hodnotenia konštrukcie je najčastejšie:

preverenie uskutočniteľnosti prestavby alebo možnosti predĺženia životnosti stavby,
kontrola spoľahlivosti (napr. na seizmické účinky, zvýšené zaťaženie) požadovaná štátnymi orgánmi, poisťovacou spoločnosťou, vlastníkom atď.,
zistenie porušenia konštrukcie v dôsledku pôsobenia časovo závislého zaťaženia (napr. korózia, únava) alebo mimoriadneho zaťaženia.

Vzhľadom na rôznorodosť cieľov hodnotenia, konštrukčných systémov, technológií a materiálov neexistuje podrobný návod na hodnotenie konštrukcií. Inžiniersky úsudok, praktické skúsenosti a konzultácie s vlastníkom o obsahu a rozsahu výstupov sú predpokladom správnej metodiky.
Hodnotenie sa začína prehliadkou stavby a štúdiom dokumentácie. V prípade, že sú nejasnosti o účinkoch zaťaženia, vlastnostiach konštrukcie alebo materiálov nasleduje podrobné hodnotenie. Treba zohľadniť aj účinky fyzikálneho, chemického alebo biologického charakteru, ktoré môžu ovplyvniť vlastnosti materiálov. Pri statickej analýze (overení odolnosti) sa použije aktuálny stav konštrukcie a vlastností nosných materiálov. Za týmto účelom sa v požadovanom rozsahu musí vykonať jej diagnostiku.

Diagnostika vlastností konštrukcie a materiálov

Diagnostika je súbor činností, ktoré treba vykonať za účelom spresnenia a rozšírenia informácií získaných z dokumentácie a prehliadky stavby. Slúži na identifikáciu, klasifikáciu a kvantifikáciu chýb a porúch. Dôležité je nielen komplexne zmapovať poruchy, ale aj predpovedať ich vývoj v čase (4). Diagnostické metódy, ktoré sa používajú na prieskum železobetónových konštrukcií, možno rozdeliť do piatich hlavných skupín:

vizuálne metódy,
metódy určovania fyzikálnych vlastností betónu a ocele,
metódy určovania stupňa korózneho narušenia betónu a ocele,
metódy určovania polohy výstuže,
skúšky zaťaženia konštrukcie, resp. metódy registrujúce okamžitú odozvu konštrukcie na vyvodené statické alebo dynamické zaťaženie.

Posudzovaná konštrukcia sa najprv podrobí dôkladnej vizuálnej prehliadke, ktorá umožní kontrolu geometrického tvaru konštrukčných prvkov, zistia sa a následne lokalizujú poruchy vzniknuté na povrchu konštrukcie. Ako príznaky priebehu poruchy sa identifikujú zvyčajne odchýlky od pôvodného stavu (porušené alebo odpadnuté vrstvy, stopy korózie výstuže, vlhké miesta, vznik i rozvoj trhlín a pod.). Odhalenie poruchy uľahčia odborné znalosti a poznanie nosného systému.

Vizuálna prehliadka je neodmysliteľnou úvodnou časťou každého prieskumu, pomocou ktorej možno bez väčších nákladov a včas odhaliť poruchy i v tom najranejšom štádiu. Vybavenie pri vizuálnej prehliadke tvoria osvetľovacie pomôcky, fotoaparát, ďalekohľad a presné meracie pomôcky. Pri podrobnejšej prehliadke treba použiť zväčšovacie sklo, príložné šírkomery trhlín, sklonomery a pod. Medzi vizuálne metódy patria aj geodetické metódy, ktoré vychádzajú z najrôznejších fyzikálnych princípov (fotogrametria, laserové prístroje a pod.).

Počas vizuálnej prehliadky sa okrem zraku využívajú aj ďalšie zmysly, a to sluch, hmat a čuch. Napríklad pri tzv. akustickom trasovaní sa zisťuje odozva betónu na poklep (dutiny, porušené vrstvy). Hmatovým pozorovaním možno zistiť kvalitu povrchu a jeho nerovnosti, poruchy (kriedovanie), prípadne vlhkosť. Čuchom zasa možno zachytiť účinok chemickej korózie (napr. síranová), resp. hnilobné procesy biologickej korózie betónu.

Na diagnostiku vlastností materiálov možno použiť deštruktívne a nedeštruktívne metódy.

Nedeštruktívne metódy

Tieto metódy pomáhajú určiť hľadané vlastnosti bez rozsiahlejšieho poškodenia stavebného materiálu alebo konštrukčného prvku. Ich prednosťou je, že umožňujú viaceré merania na rovnakom mieste, registráciu zmien v čase a štatistické vyhodnotenie. Zásadný nedostatok tejto metódy spočíva v skutočnosti, že sa meria pomocná charakteristika, ktorá je s požadovanou charakteristikou v určitej závislosti. Moderné nedeštruktívne metódy založené na počítačovej technológii výrazne zjednodušujú vykonávanie skúšok. Ich interpretácia si vyžaduje rozšírené inžinierske znalosti a základné fyzikálne a chemické poznatky, aby nedošlo k nesprávnym hodnoteniam.

Deštruktívne metódy

Deštruktívne metódy sa uplatňujú, ak použitie nedeštruktívnych metód nevedie k požadovanému cieľu alebo sa žiada presnejšie stanovenie vyšetrovaných charakteristík. Často je účelná kombinácia deštruktívnych i nedeštruktívnych metód, pretože pomocou deštruktívnej metódy možno spresniť všeobecné kalibračné vzťahy nedeštruktívnych metód.

Odoberanie vzoriek a skúšobné metódy nesmú výraznejšie znížiť spoľahlivosť konštrukcie a musia byť v súlade s relevantnými dokumentmi ISO. Oprava pri odbere vzoriek porušených prvkov sa urobí ihneď po odbere.

Podrobnejší prehľad o skúšobných metódach na vyšetrovanie betónu, výstuže a betónových konštrukcií uvádza tab. 1. Pri diagnostike vlastností stavebných materiálov nie je podstatný fyzikálny princíp používaných metód, ale ich celkovú efektívnosť ovplyvňujú tieto kritéria:

presnosť,
rýchlosť,
cena.

Presnosť metódy je pre výsledok diagnózy často rozhodujúca, najmä pri nepriamych metódach, ktoré na interpretáciu merania potrebujú kalibračný vzťah. Používanie takýchto metód bez spresnených kalibračných vzťahov môže vyvolať nedorozumenia. Preto je nutné poznať štatistické tolerančné medze kalibračného vzťahu, jeho smerodajnú odchýlku a prípadne ďalšie parametre.

Rýchlosť stanovenia má zásadný význam z praktického hľadiska. Úžitkovú hodnotu prieskumu spoluvytvára práve rýchlosť vykonania a stanovenia záverov. Často sa uprednostňujú i menej presné metódy, ktoré však operatívne umožnia získať potrebné výsledky (tvrdomerné skúšky, kolorimetrické určovanie pH betónu a pod.).

Cena merania má rastúci význam najmä pri výberových konaniach, kde sa v ostatnom čase stáva jediným kritériom.

Tab. 1 Prehľad skúšobných metód na vyšetrovanie betónových konštrukcií (5)

Diagnostikovanie polohy, priemeru a krytia výstuže v betóne

Jednou z najčastejších porúch v železobetónovej konštrukcii je korózia výstuže.

Na diagnostikovanie polohy výstuže v betóne sa používa metóda založená na princípe merania zmien veľkosti magnetického toku, spôsobených prítomnosťou feromagnetického materiálu v elektromagnetickom poli. Táto metóda umožňuje určiť:

polohu a smer výstuže,
množstvo a osové vzdialenosti výstuže,
hrúbku betónovej krycej vrstvy (pri známom priemere výstuže),
priemer výstuže (pri známej hrúbke krycej vrstvy).

Metódu možno hodnotiť ako nenáročnú s rýchlym získaním výsledkov. Pri kvalitných prístrojoch a hrúbke krytia 40 mm je presnosť merania ±1 mm (7). Dosah prístroja je do hĺbky približne 150 mm. Z hľadiska vyhodnotenia sú kritické miesta kríženia nosných prvkov a miesta, kde vzdialenosť výstuže je menšia ako hrúbka krytia. Ak nie je známy priemer alebo sú pochybnosti o uložení výstuže, odporúča sa jej lokálne obnaženie.

Diagnostikovanie stavu výstuže

Meranie elektródového potenciálu na povrchu betónu je nedeštruktívna metóda na objavenie korodujúcej výstuže. Je založená na zisťovaní elektródového potenciálu vytváraného na stykovej ploche kovu s elektrolytom. Zmeny elektródového potenciálu oproti referenčnej elektróde, najčastejšie kalomelovej, možno merať pomocou presného vysokoimpedančného voltmetra . Kontakt s výstužou sa zabezpečí obnažením časti výstuže, pričom sa využije skutočnosť, že je v železobetónovom prvku vodivo spojená.

Ukazovateľom koróznej aktivity v betóne je elektródový potenciál výstuže. Jeho hodnota naznačuje, či je výstuž v termodynamicky aktívnom alebo pasívnom stave. Pri použití kalomelovej elektródy sa udávajú tieto hodnoty, reprezentujúce aktívne, resp. pasívne podmienky výstuže (8):

≥ (–200) mV: 90 % pravdepodobnosť, že neprebieha korózia,
(–200) až (–350) mV: korózia uloženej výstuže nie je istá,
≤ (–350) mV: 90 % pravdepodobnosť, že prebieha korózia.

Hodnotu elektródového potenciálu ovplyvňuje napr. stupeň hydratácie, vlhkosť, karbonatácia betónu a obsah solí. Tieto faktory môžu významne skresliť namerané hodnoty, a preto sa odporúča v kontrolnej sonde overiť namerané výsledky so skutočnosťou.

Pri veľkoplošných meraniach je vhodné betónovú plochu rozdeliť na sieť a meranie uskutočniť v uzloch zvolenej siete. Na zisťovanie korodujúcich plôch s veľkosťou približne 5 mm je maximálna vzdialenosť meraných bodov 200 mm. Táto metóda sa vykonáva najmä v miestach, kde hrozí korózia (vlhké miesta, prístup posypových solí alebo iných agresívnych látok a pod.). Protikoróznu ochranu výstuže v betóne zabezpečuje vysoká alkalita betónu (pH = 12,5 až 13,5) tým, že sa na jej povrchu vytvorí stabilný pasivujúci povlak. Z toho vyplýva, že pri vyšetrovaní podmienok na koróziu výstuže sa treba zamerať na príčiny zníženia alkality betónu v okolí výstuže. Najčastejšie dochádza k zníženiu alkality betónu pod hranicu pasivity (pH < 10) v dôsledku pôsobenia CO₂ zo vzduchu.

Operatívne možno hodnoty pH zistiť acidobázickými indikátormi (napr. roztokom fenolftaleínu v etylalkohole), ktoré menia sfarbenie v závislosti od pH prostredia. Pomerne jednoduchou metódou sa tak väčším počtom meraní dajú získať výsledky s veľkou výpovednou hodnotou.

Závery

Pri diagnostikovaní existujúcich konštrukcií sa kladú na skúšobné metódy tieto požiadavky: majú byť presné, rýchle, lacné a minimálne poškodzujúce nosnú konštrukciu. Týmto nárokom najlepšie vyhovujú moderné, počítačmi riadené prístroje nedeštruktívnych metód. Ich aplikácia umožňuje systematické a plošné vyšetrovanie vlastností stavebných materiálov. Na ich kalibráciu postačuje zvyčajne iba niekoľko miest s použitím deštruktívnej metódy. Na druhej strane však ich nasadenie vyžaduje skúseného odborníka, aby sa zabránilo dezinterpretácii výsledkov.

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

Autor je od roku 1971 pracovníkom Katedry betónových konštrukcií a mostov Stavebnej fakulty STU v Bratislave. Od roku 1991 je vedúcim katedry. Na fakulte prednáša navrhovanie betónových konštrukcií a ich sanáciu. Vo vedeckovýskumnej činnosti sa zameriava na problematiku trvanlivosti a sanácie betónových konštrukcií. Popri pedagogickej a vedeckovýskumnej činnosti sa aktívne zapája do expertíznych prác pre stavebnú prax. Z jeho iniciatívy založila katedra v roku 1996 tradíciu Betonárskych dní.

Literatúra:
(1) STN 73 0038/86 Navrhovanie a posudzovanie stavebných konštrukcií pri prestavbách.
(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, 255s.
(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.