Zpevňování historického cihelného a kamenného zdiva injektáží
Na vybraných materiálech je sledován vliv injektáže na změnu porozity, distribuce pórů, nasákavosti v porovnání s neinjektovaným zdivem a zpevňovací účinek injektáže na historické zdivo cihelné, opukové, pískovcové, trachytové, vápencové a smíšené s pojivem vápenným pro různé druhy injektážních látek v porovnání s neinjektovaným zdivem. Pozornost je zejména věnována zdivu porušenému trhlinami a dutinami. Těžiště výzkumu je v ověření zejména zpevňovacího účinku vybraných injektážních prostředků na bázi hydraulického vápna (nanovápna), na bázi pryskyřic a křemičitanů.
1. Úvod
Injektáž historického zdiva s degradovaným pojivem, popř. zdícími prvky, zdiva s nedostatečnou únosností, narušeného trhlinami, s velkou mezerovitostí a dutinami a zdiva vícevrstvého, je jednou z často v praxi aplikovaných metod sanace, obnovení jeho celistvosti a zvýšení únosnosti. Dosud není vypracována metodika pro navrhování injektáže zděných konstrukcí, na jejímž základě by bylo možné navrhnout a posoudit účinnost injektáže v závislosti na použitém injektážním prostředku, způsobu provedení injektáže a vlastnostech injektovaného zdiva, není vypracován postup pro výběr metody, vhodné injektážní směsi a výpočetní postup pro zhodnocení účinku injektáže.
Návrh injektážní směsi, postupu a způsobu injektáže vyžaduje provedení podrobného stavebně technického průzkumu zahrnujícího zhodnocení stavu zdiva (fyzikálně mechanické vlastnosti zdiva a jeho složek, poruch a stupně zvětrání a narušení zdiva trhlinami, mezerovitost, dutiny) pórový systém pojiva, popř. zdících prvků (distribuce pórů, celková pórovitost, druh pórů), ověření vlhkosti a chemismu zdiva (pH, obsah a druh solí).
K hlavním vlastnostem injektážní směsi patří rychlost tuhnutí a tvrdnutí (stabilita ve fázi injektáže, tixotropie, konzistence), viskozita, pevnost, fyzikálně mechanické vlastnosti a trvanlivost.
Injektáž zdiva pro zlepšení fyzikálních a mechanických charakteristik lze provádět prostředky na bázi mineralogických látek např. na bázi hydraulického vápna s přísadami, které upravují proces tuhnutí a tvrdnutí, viskozitu apod. (cihelný prach, pucolány, jíly apod.), prostředky na bázi vápna a malým množstvím cementu (např. trasové vápno, římský cement 5–15 %). V některých případech při velkém rozsahu trhlin rozdílné šířky, je nutné provést vícestupňovou injektáž prostředky na bázi pryskyřic, popř. prostředky na bázi pryskyřic s vhodnými plnivy (např. křemenný písek se zrnitostí do 1 mm). Při použití injektážních prostředků na bázi křemičitanů, epoxidů nebo akrylátům dochází částečně k úpravě vlastností pórového systému. Injektážní směsi na bázi vápna vyplňují „volné“ prostory a do pórové struktury zdicích prvků a pojiva pronikají minimálně.
V rámci výzkumného projektu (NAKI DG16P02M055) byly vyvinuty konsolidační prostředky na bázi nanočástic vápna, které nepřesahují velikost 1 μ označené CA-Mg, Ca4 a Ca4O s vysokou schopností průniku do struktury materiálu, jejichž částice nepřesahují velikost 1 µm [1]. Nanočástice vápna, které jsou jemně rozptýleny v nanosuspenzi, mají ve srovnání s běžnými makročásticemi vápna mnohonásobně vyšší výkon, vysokou chemickou výkonnost, vynikající plastické, konsolidační a difuzní vlastnosti, nízkou teplotu slinutí, čistící schopnosti a další [2]. Současně jsou nanočástice vápna materiálem vysoce kompatibilním s historickými materiály na vápenné bázi [3, 4].
Nedostatečný a nerovnoměrný průnik injektážní směsi do struktury (pórového systému a mezer) zdiva snižuje účinnost injektáže a může být následně příčinou zvýšené heterogennosti zdiva z hlediska pevnosti a tuhosti, která ovlivňuje mechanizmus porušování zdiva a následně mezní únosnost v tlaku zdiva (viz Obr. 1).
Obr. 1 a) Průběh vodorovných deformací experimentálně zatěžovaných těles z cihelného zdiva tl. 450 mm, b) Průběh vodorovných deformací experimentálně zatěžovaných těles z kamenného zdiva
2. Zpevňující injektáž cihelného a kamenného zdiva s částečně zvětralou maltou
Experimentální výzkum účinnosti injektážních prostředků z hlediska pevnosti v tlaku cihelného a kamenného zdiva s částečně zvětralou maltou prokázal poměrně malou účinnost zejména některých experimentálně ověřovaných injektážních prostředků [1].
Dosažené hodnoty pevnosti cihelného zdiva v dostředném tlaku (převažující velikost pórů cihel 0,6–2 μm, vápenné malty 7,5–30 μm) se částečně pohybovaly v pásmu rozptylu pevností v dostředném tlaku neinjektovaného zdiva a dosahovaly hodnot 87 až 119 %. (viz Obr. 2a). Vyšších hodnot pevnosti cihelného zdiva v tlaku bylo dosaženo injektáží zdiva prostředkem na bázi nízkoviskozních pryskyřic a prostředkem na křemičitanové bázi (o 16–18 % v porovnání s neinjektovaným zdivem).
Dosažené hodnoty pevnosti kamenného zdiva (opuka, trachyt, vápenec) v dostředném tlaku se podobně jako v případě cihelného zdiva převážně pohybovaly v pásmu rozptylu pevností v dostředném tlaku neinjektovaného zdiva (viz Obr. 2b). Vyšších hodnot pevnosti kamenného zdiva v tlaku bylo dosaženo injektáží zdiva prostředkem na bázi nízkoviskozních pryskyřic a prostředkem na křemičitanové bázi (o 16–18 % v porovnání s neinjektovaným zdivem).
Obr. 2 Vyhodnocení účinnosti injektáže cihelného (a) a kamenného (b) zdiva dle na druhu injektážní látky
Výzkum vlivu injektáže na celkovou pórovitost prokázal změnu celkové pórovitosti zdicích prvků a malty vlivem injektáže (viz Obr. 3a). U všech použitých injektovaných materiálů došlo ke snížení celkové pórovitosti v rozmezí 1–9,5 % celkového objemu materiálu a v rozmezí od 20 % do 50 % celkového objemu pórů. Porovnání pevností v tlaku použitých injektážních směsí s pevností injektovaného zdiva v dostředném tlaku je znázorněno na Obr. 3b. Ze znázornění je patrný významný účinek pevnosti v tlaku injektážního prostředku na pevnost v tlaku zdiva.
Obr. 3 a) Porovnání vlivu injektáže na celkovou porozitu stavebních materiálů, b) Porovnání mezních zatížení zděných pilířů v závislosti na pevnosti aplikovaných injektážních látek
3. Zpevňující injektáž cihelného zdiva narušeného trhlinami a zdiva s dutinami
Na základě analýzy a porovnání výsledků experimentálního výzkumu injektovaných cihelných zděných pilířů s umělou dutinou, popř. s umělou trhlinou zatížených dostředným tlakem lze konstatovat, že účinnost injektáže z hlediska experimentálně stanovených hodnot mezní únosnosti v dostředném tlaku je rozdílná. V případě pilířů s umělou dutinou došlo k prokazatelnému zvýšení únosnosti v dostředném tlaku injektovaného pilíře v důsledku vyplnění uměle vytvořené dutiny injektážní látkou na rozdíl od injektovaných pilířů s umělou trhlinou ve vnitřní části zdiva, kde účinnost injektáže prováděné injektážním vrtem z hlediska zvýšení únosnosti zdiva v dostředném tlaku nebyla dostatečně prokázána. Poměrně nízká účinnost injektáže cihelných pilířů s umělou trhlinou je, jak prokázalo rozebrání pilířů po provedené zkoušce, způsobena nedostatečným vyplněním trhlin nacházejících se v okolí injektážního vrtu ( ne přímo v místě trhliny) v důsledku předčasné sedimentace injektážní směsi, v pórovém systému a nedošlo tak k dostatečnému průniku injektážní směsi do uměle vytvořených trhlin:
- mezní únosnost v dostředném tlaku injektovaných cihelných pilířů s umělou trhlinou (viz Obr. 4) se pohybuje v rozmezí 85 až 145 % průměrné hodnoty mezní únosnosti v dostředném tlaku referenčních tj. neinjektovaných pilířů (zděné pilíře s nevyplněnou umělou trhlinou),
- mezní únosnost v dostředném tlaku injektovaných cihelných pilířů s umělou dutinou (viz Obr. 5) se pohybuje v rozmezí 85 až 172 % průměrné hodnoty mezní únosnosti v dostředném tlaku referenčních pilířů (zděné pilíře s nevyplněnou umělou dutinou).
Předpokladem pro dosažení vyšší únosnosti zdiva injektáží je dokonalé vyplnění trhliny, popř. dutiny injektážní směsí a odpovídajících mechanických vlastností injektážních směsí (adheze, pevnost v tlaku). Z tohoto hlediska je nutné věnovat mimořádnou pozornost podrobnému průzkumu zdiva a návrhu injektáže.
Obr. 4 Porovnání experimentálně stanovené mezní únosnosti v dostředném tlaku injektovaných zděných pilířů s umělou trhlinou ( 1) pásmo rozptylu mezního zatížení neinjektovaných pilířů s pravděpodobností 68 %)
Obr. 5 Porovnání experimentálně stanovené mezní únosnosti v dostředném tlaku injektovaných zděných pilířů s umělou dutinou ( 1) pásmo rozptylu mezního zatížení neinjektovaných pilířů s pravděpodobností 68 %)
4. Shrnutí
Experimentální výzkum vlivu injektáže na pevnost v tlaku cihelného kamenného zdiva prokázal vysokou variabilitu účinnosti injektáže:
V případě neporušeného cihelného a kamenného zdiva s částečně zvětralým pojivem bylo významnějších výsledků dosaženo injektážními prostředky na bázi nízkoviskozních pryskyřic a křemičitanů.
V případě cihelného zdiva s umělou trhlinou bylo dosaženo zvýšení únosnosti zdiva injektáží na bázi nanočástic hydraulického vápna, na bázi nízkoviskozních pryskyřic a křemičitanů.
V případě cihelného zdiva s umělou dutinou bylo dosaženo významného zvýšení únosnosti zdiva injektáží provedené injektážními prostředky na bázi nízkoviskozních pryskyřic a křemičitanů ve všech případech ověřovaných injektážních látek.
5. Literatura
- WITZANY, J., ZIGLER, R., KROFTOVÁ, K., ČEJKA, T., KUBÁT, J., HOLICKÝ, M., KARAS, J. The Effect of Pore Distribution in Historic Masonry on the Grouting Method and Grouting Mix Selection, The Civil Engineering Journal. 2018, 3(10).
- ŠKODA, D., KUŘITKA, I., KROFTOVÁ, K., KUBÁT, J. Technology of preparation of barium and magnesium hydroxide nanodispersion and possibilities of their use in monument care. In: Contemporary materials and technologies in civil engineering 2018. Praha: Czech Technical University in Prague. Acta Polytechnica CTU Proceedings. vol. 21, 2019.
- KROFTOVÁ, K., KUŘITKA, I., ŠKODA, D., ŠMIDTOVÁ, M., MASAŘ, M. Synthesis of nanolime suspension and their potential use in cultural heritage preservation. In: EASEC 15 – The Fifteenth East Asia – Pacific Conference on Structural Engineering and Construction, Shanghai: Tongji University Press, 2017.
- KROFTOVÁ, K., KUBÁT, J., ŠKODA, D. Možnosti konsolidace historických materiálů pomocí vybraných nanodisperzí – výsledky experimentálního výzkumu míry zpevnění na referenčních materiálech. In: Sborník konference Moderní materiály a technologie ve stavebnictví 2018. Praha: ČVUT, Fakulta stavební, Katedra konstrukcí pozemních staveb, 2018.
Poděkování
Experimentální a teoretický výzkum byl proveden za podpory projektu NAKI DG16P02M055 „Vývoj a výzkum materiálů, postupů a technologií pro restaurování, konzervaci a zpevňování historických zděných konstrukcí a povrchů a systémů preventivní ochrany historických a památkově chráněných objektů ohrožených antropogenními a přírodními riziky“ poskytnutého Ministerstvem kultury ČR.
Within the research project NAKI DG16P02M055, an extensive experimental and theoretical research of the influence of grouting on the physical and mechanical properties of brick and stone masonry is carried out. The focus of the research is to verify, in particular, the strengthening effect of selected grouting mixtures based on hydraulic lime (nano-lime), resins and silicates. The influence of grouting on the change of porosity, pore distribution, absorptivity and strengthening effect of grouting of historical brick, marl, sandstone, trachyte, limestone and mixed masonry with lime binder using various types of grouting mixtures in comparison with ungrouted masonry is evaluated. Particular attention is paid to the masonry damaged by cracks and cavities.