Vliv objemových změn podkladních vrstev na chování keramických obkladů a dlažeb
Příspěvek se zaměřuje na vysvětlení příčin vad keramických obkladů, které byly aplikovány na zdánlivě stabilní podkladní konstrukce či vrstvy. Upozorňuje na objemové změny i pružné a plastické deformace železobetonových stropních konstrukcí, které mohou vyvolávat taková napětí v povrchových vrstvách tvořených keramickými obklady či dlažbou, která vedou ke vzniku trhlin nebo delaminaci.
1. Úvod
Keramické dlažby a obklady jsou vnímány z hlediska silového jako zcela inertní systém. Je to dáno tím, že silové účinky, vyvozované na styčnou spáru mezi keramickým obkladem a lepicí hotou, resp. lepicí hmotou a podkladním materiálem, jsou nepatrné a souvisejí pouze s vlastní hmotností obkladu.
Tato představa by byla realistická pouze v případě, kdyby byl keramický obklad (dlažba) aplikován pouze na z hlediska objemových změn zcela nepohyblivý podklad. Ve skutečnosti jsou však podkladní konstrukce objemově značně nestálé, a to zejména v úvodních fázích, tedy ještě během dokončení objektu, resp. během prvních let jeho fungování. V podkladních materiálech probíhají objemové změny, dochází k deformacím, které souvisejí s průhyby stropních konstrukcí. V určitých případech mohou být obklady zatěžovány i nesilovými zatěžovacími stavy, jako jsou změny teploty (kolísavé oslunění povrchu) i změny vlhkosti. Všechny tyto okolnosti je třeba brát při návrhu obkladů do úvahy, i když platné normy nejsou v tomto ohledu příliš konkrétní.
Nejkomplexnější informace pro navrhování a provádění keramických obkladů (včetně dlažeb) jsou obsaženy v ČSN 73 3451 "Obecná pravidla pro navrhování a provádění keramických obkladů". V kapitole 6 "Navrhování" se uvádí základní projektové údaje, které charakterizují prostředí místa určení a pracovní podmínky (kapitola 6.2.1) a dále pak v kapitole 6.2.2. - Podklady základní požadavky na podkladní konstrukční prvky. V tabulce 1 se uvádí požadované vlastnosti podkladů, avšak bez jakýchkoliv kvantitativních požadavků.
V kapitole 6.3. jsou uvedena doporučení a požadavky pro výběr a specifikaci materiálů. V kapitole 6.4. jsou uvedeny potřebné náležitosti pro specifikaci obkladů, a to z hlediska nejrůznějších aspektů.
Kapitola 7 pak obecně popisuje požadavky na provádění obkladů.
V kapitole 8 "Jakost keramických obkladů: Charakteristiky a požadavky" jsou definovány základní kvalitová kritéria, a to:
- rovnoměrnost, která zahrnuje vlastnosti, jako je rovinnost, přesahy, vodorovnost a svislost,
- trvanlivost, která zahrnuje odolnost obkladu proti zatížení, pnutí a podmínkám sdruženým s místem určení,
- bezpečnost, která zahrnuje vlastnosti obkladu, jako je protiskluznost a požární odolnost.
Na rozdíl např. od rovinnosti nejsou z hlediska celkové stability keramického obkladu formulovány žádné konkrétní kvantitativní požadavky. Obecně tedy není definován ani požadavek na úroveň soudržnosti keramického obkladu s podkladem.
Pro povrchové úpravy, tvořené vnitřními a vnějšími vápennými či vápenocementovými omítkami, se požaduje, aby jejich přídržnost k podkladu v interiéru byla 0,1 MPa a v exteriéru 0,2 MPa. Obecně se akceptuje úroveň přídržnosti keramického obkladu k podkladu na úrovni 0,3 až 0,5 MPa. - viz ČSN 73 3445 (článek 74) a ČSN EN 12004 (tabulka 1).
Vzhledem k tomu, že na keramické dlažby běžně nepůsobí žádné významnější silové účinky, které by mohly vést k jejich separaci, je požadovaná soudržnost s podkladem v tomto intervalu zcela přiměřená. Pokud bychom tedy chtěli hodnotit soudržnost keramické dlažby s podkladem, neexistuje jednoznačně definované kvantitativní kritérium, se kterým by bylo možné zjištěné hodnoty porovnávat. Soudržnost keramické dlažby s podkladem by tedy měla především zajistit, aby keramický obklad mohl odolávat standardním zatěžovacím silovým i nesilovým stavům.
2. Silové a nesilové namáhání keramických obkladů (dlažeb)
Zatížení standardními silovými účinky je u keramických obkladů dáno užitným zatížením na úrovni 4,5 kN, které vyvozuje nepatrné tlakové napětí 0,0045 MPa (0,045 kp/cm2) a prakticky žádné tahové napětí. V případě, že bychom uvažovali s dosaženou soudržností keramického obkladu s lepicí hmotou, resp. s podkladem na úrovni 0,3 MPa, bylo by třeba vyvodit na jednu dlaždici s půdorysnými rozměry 250 x 300 mm kolmou tahovou sílu na úrovni 22,5 kN (2,25 t), aby došlo k jejímu oddělení, tedy sílu zcela mimo úroveň jakéhokoliv provozního scénáře. I v případě, že by soudržnost klesla na hodnotu 0,1 MPa, tedy hodnotu relativně již velmi nízkou, přesto by k odtržení obkladačky bylo třeba vyvodit kolmou sílu, působící na obklad na úrovni 7,5 kN (750 kg).
Pokud je tedy podklad stabilní, nemůže při běžné soudržnosti keramického obkladu (dlažby) s podkladem dojít v důsledku jakýchkoliv běžných silových účinků k jeho oddělení od podkladu (delaminaci).
V úvahu tedy připadají tzv. nesilové účinky, tedy účinky související s objemovými změnami souvisejícími s:
- změnami teploty,
- změnami vlhkosti,
- objemovými změnami souvisejícími s fyzikálně mechanickými procesy probíhajícími v podkladním materiálu,
- objemovými změnami souvisejícími se statickou deformací podkladních materiálů.
V případě běžné interiérové aplikace lze z úvah vyloučit i významnější změny teploty, tedy tzv. teplotní dilatace, i změny vlhkosti (vlhkostní dilatace).
V úvahu tedy přicházejí pouze mechanismy související s fyzikálně chemickými procesy v podkladních vrstvách a s jejich statickou deformací.
2.1. Objemové změny keramického obkladu
Keramický obklad je z hlediska následných objemových změn prakticky inertní a žádné procesy, které by vyvolávaly jeho samovolné objemové změny, neprobíhají. Jen velmi omezeně reaguje na změny relativní vlhkosti vzduchu či lokální kontakt s vodou. Keramický obklad tedy nemůže být zdrojem nesilovaných účinků, které by mohly vyvolat jeho delaminaci.
2.2. Objemové změny lepicí hmoty
Lepicí hmota je cementem pojený systém s křemenným plnivem a polymerními přísadami, které zvyšují její lepivost (adhezi k podkladu), a to jak při vlastní aplikaci, tak při definitivním provozním stavu, tedy po jejím vyzrání. Lepicí hmota má z celého systému keramický obklad - lepicí hmota - betonový podklad, nejnižší modul pružnosti.
Její parametry včetně objemových změn musí odpovídat ČSN EN 1204 (2007), resp. jednotlivým třídám uvedeným v této normě. Standardní lepicí hmota tedy nemůže být zdrojem takových objemových změn, které by vyvolaly delaminaci podkladu. Pokud provádíme zkoušku soudržnosti keramického obkladu s podkladem, případně pokud dojde v důsledku jiných nesilových účinků k oddělení keramického obkladu, probíhá lomová plocha prakticky vždy na kontaktu keramického obkladu a lepicí hmoty. Je to dáno tím, že hutnost keramického obkladu je výrazně vyšší než používaných podkladů, tedy podkladních mazanin či vyrovnávacích samonivelačních stěrek .Současně soudržnost lepící hmoty s keramickým střepem je nižší než tahová pevnost lepící hmoty.
2.4. Objemové změny nosného podkladu
Pokud je nosným podkladem beton či jiná cementem pojená hmota, dochází k jejímu smrštění, které v případě betonu probíhá sice na počátku s největší dynamikou, k jeho ukončení však dochází až po několika měsících až letech. Vzhledem k soudržnosti keramického obkladu s podkladní betonovou konstrukcí, která je zprostředkovaná lepicí hmotou, dochází k přenosu této kontrakce i do povrchových vrstev a dochází tedy i ke kontrakci obkladu a vzniku smykových napětí.
V minulosti byly keramické obklady prováděny většinou jako maloformátové, spárování bylo prováděno cementovou kaší. V případě použití čistého cementu jako spárovací hmoty docházelo k velkému smrštění a ve spárách se otevíraly nepatrné smršťovací trhliny, které při smršťování podkladu mohly absorbovat jeho zkrácení. Velmi rozdílný byl i pomalejší postup výstavby, takže obklady byly prováděny na obvykle výrazně starší, tedy vyzrálejší podklady, u nichž již převážná část objemových změn proběhla.
V současnosti se často používají velké formáty keramických obkladů. To vede ke zmenšování počtu spár. Zároveň spárovací hmoty jsou prefabrikované a jejich součástí je i křemenné plnivo, což vede ke snížení dávky cementu ve spárovací hmotě a tedy k menším objemovým změnám, k menšímu smrštění. Tendence k otevírání vlasových trhlin ve spárování je tedy výrazně menší. Pokud tedy keramický velkoformátový obklad vyspárujeme, dojde k jeho zmonolitnění. Pokud je zajištěna dostatečná soudržnost s podkladem, přenášejí se objemové změny z podkladu do keramického povrchu a dochází k výraznému nárůstu smykových napětí mezi dlažbou a podkladem, které po překonání soudržnosti vede k delaminaci nášlapné vrstvy. Tato napětí vznikají především ve styčných spárách mezi keramickým obkladem a lepicí hmotou, tedy v nejslabší rovině a vedou k oddělení těchto vrstev a v důsledku předepnutí, resp. vznikajících excetricit i k jejich případnému nadzvednutí.
Druhým běžným mechanizmem, který vede k porušení či delaminaci obkladů, je deformace podkladní stropní železobetonové konstrukce.
Druhý mezní stav není obvykle posuzován, nebo je posouzen pouze zběžně. Není obvykle dostatečně zhodnoceno dotvarování železobetonu, které je násobkem pružných deformací (trojnásobkem až šestinásobkem). V důsledku těchto deformací tak není obvykle splněn požadavek na kritérium omezení sklonu ohybové čáry pod tuhými příčkami kolmými na rovinu ohybu, jehož limitní hodnota je předepsána hodnotou 0,002 rad.
V důsledku nadlimitní deformace podkladní stropní konstrukce jsou do nášlapné vrstvy vnášena smyková a tlaková napětí, která mohou také vést k její separaci.
3. Příklady selhání keramických obkladů a dlažeb v důsledku objemových změn podkladu
Pro všechny čtyři dále uvedené příklady je typické, že vizuálně patrné závady (nadzvednutí dlažby, separace dlažby od podkladu, separace obkladu od podkladu, trhliny v obkladu) byly provozovatelem a investorem neomylně identifikovány jako vady dodávky keramického obkladu a reklamovány u těch, kdo dodávku obkladu či dlažeb realizovali. Jednoduchá logika přičin a následků, tak oblíbená v dnešní době, byla aplikována se zřejmým předpokladem, že pokud obklad "nedrží" na podkladu, byl chybně aplikován, případně byly použity nevhodné materiály.
V jednom případě dokonce pouhá zmínka o tom, že příčinou závad jsou objemové změny podkladu, vyvolala hněvivou reakci investora a byla označena za technicky absurdní.
Naopak v jiném z uvedených příkladů dodavatel dva roky vyměňoval prasklé obkladačky, aniž by pátral po technických příčinách tohoto stavu. Teprve když počty reklamací stále narůstaly a dosahovaly stovek položek, přičemž byly v některých případech vyměňovány již vyměněné obklady, začal situaci řešit.
3.1 Praskající obklady v bytových domech
Ve více než dvaceti obytných bytových domech, tvořících ucelený subor, a které jsou konstrukčně velmi podobně řešeny, začalo prakticky okamžitě po dokončení docházet k praskání obkladů v koupelnách a na WC. Objekty mají několik nadzemních podlaží a suterénní parkovací garáže. Suterénné část stavby je železobetonová, monolitická, založená na pilotech. Nadzemní nosné konstrukce jsou kombinované. Stropy jsou z monolitického železobetonu, svislé nosné konstrukce tvoří jednak vnitřní železobetonové stěny, jednak nosné zdi vnitřní a obvodové z keramických zdicích prvků na cementovou maltu. Poruchy se vyskytovaly s narůstající četností během prvních dvou let po dokončení objektů. Z podrobné prohlídky objektů vyplynulo, že v příčkách i dělicích stěnách mezi byty se vyskytují jednak vodorovné trhliny v omítce, jednak deformace omítek na styku příček a stropních železobetnových monolitických konstrukcí.
Trhliny v keramických obkladech měly šířku 0,05 až 0,1 mm (obr. 1 a 2). Z charakteru časového výskytu vad bylo zřejmé, že se jedná o proces, který souvisí s dotvarování železobetonových konstrukčních prvků. Statickým přepočtem bylo prokázáno, že navržené stropní konstrukce nesplňují kritérium omezení průhybu stropu pod příčkami rovnoběžnými s rovinou ohybu ani kritérium omezení sklonu ohybové čáty pod tuhými příčkami kolmými na rovinu ohybu, kde limitní hodnota je 0,002 rad. Ačkoliv strop splňuje běžná kritéria pro přetvoření (rovinnost podhledu), kritéria pro spolehlivost a trvanlivost nenosných stěn a příček nebyla splněna, a to jednak vlivem polohy řady příček v místech extrémních sklonů ohybové čáry stropní desky, jednak v důsledku konstrukčního řešení.
Poruchy v keramických obkladech tedy byly primárně způsobeny přirozeným přetvárným chováním konstrukce a jejich jednotlivých částí. Proces dotvarování probíhá několik let a postupné projevy porušení, resp. opakování na již opravených místech tuto hypotézu potvrzují.
Podstané je také, že tabulkové hodnoty modulu pružnosti, které souvisí s dotvarováním betonu, neodpovídají současné realitě. Tyto reálné parametry jsou proti tabulkovým hodnotám o 15 až 20% nižší. Teoreticky správně vypočtené deformace či dotvarování je tedy ve skutečnosti podstatně vyšší.
Na základě podrobné analýzy tedy bylo možné prokázat, že příčinou poruch není vada dodávky keramických obkladů ani použitých materiálů, ale jednoznačně chování podkladních konstrukcí, které nemohl dodavatel nijak ovlivnit. Je tedy na projektantech, aby si uvědomili, že deformace stropních konstrukcí nejsou pouze otázkou rovinnosti spodního podhledu, ale souvisí i s návaznými konstrukčními prvky, které nemusí být schopny tyto deformace, resp. objemové změny přenést.
3.2 Závady keramických dlažeb v prodejním centru
Ve velkém obchodním centru došlo v 2. NP po dvou letech od dokončení objektu k překvapivé delaminaci velkoformátové dlažby, která se projevila výrazným vizuálně zřetelně patrným nadzvednutím. Tak, jak vyplývá z přiložené fotodokumentace (obr. 3 a 4), nejedná se o pouhou ztrátu soudržnosti dlažby s podkladem, ale o takové vybočení směrem vzhůru, které znemožňovalo v dané oblasti prakticky jakýkoliv provoz. Příčný rozměr dlaždic byl 500 x 500 mm. Dlažba byla fixována k podkladu vrstvou lepicí hmoty v tloušťce 4 až 5 mm. Povrch podkladní mazaniny byl upraven 7 až 9 mm tlustou vrstvou cementové samonivelační jemnozrnné stěrky. Vlastní podkladní betonová mazanina byla zhotovena z betonu, který odpovídal třídě C 20/25. Ve všech případech byla přídržnost lepicí hmoty k podkladní samonivelační stěrce větší než přídržnost k vlastní keramické dlaždici.
Pro uvedenou skladbu je typické, že podkladní vrstvy mají smrštění v intervalu 1 až 22 mm. Na desetimetrovém úseku pak tedy celková dlouhodobá kontrakce může činit 10 až 20 mm. Současně použité prefabrikované lepicí hmoty, byť označené jako "flexibilní" nejsou schopné uvedené kontrakce a z nich vyplývající smyková napětí přenést. Ve skutečnosti je tedy keramická dlaždice lepicí hmotou pevně a v podstatě nepružně fixována k podkladní cementové, silně se smršťující "mazanině". V posuzovaném případě byly dominantní příčinou nejen objemové změny podkladu, ale i vzdálenost dilatací, která činila 12 m! Smrštění nášlapných vrstev uvnitř těchto dilatací dékládá i fotografický záběr okolí dilatačních profilů, u nichž je patrné rozevření na úrovni 4 až 5 mm. Příčinou poruch tedy bylo nerespektování procesů, které souvisejí s přirozeným smršťováním podkladních cementem pojených vrstev. Vzdálenost dilatací je příliš vělká a neumoňuje přirozené smrštění, aniž by byla vnášena do nášlapné vrstvy předpětí, která následně překonají soudržnost keramické dlažby s podkladem a vedou k vybočení tak, jak je fotograficky dokumentováno.
Akustickou trasovací metodou byla v tomto případě prokázána delaminace i v oblastech, kde dosud k viditelnému zadzvednutí nášlapné vrstvy nedošlo.
3.3 "Samodestrukce" keramické nášlapné vrstvy v šatnách
V podstatě stejným mechanizmem došlo k předpětí a následnému vybočení keramické nášlapné vrstvy opět v 2. NP v šatnách, které jsou součástí velkého skladovcího objektu.
Oba případy spojuje prakticky identický mechanizmus, tedy objemové změny podkladních vrstev, které byly kvalitní lepicí hmotou přeneseny do nášlapné vrstvy. Tím došlo k jejímu předepnutí a následnému vybočení.Oba případy spojuje i okolnost, že obě podlahové konstrukce jsou situovány v 2. NP.
I když nebyly prováděny statické přepočty stropních konstrukcí, tedy nebyl kontrolován druhý mezní stav, tj. průhyby, resp. deformace ohybové čáry, přesto je velmi pravděpodobné, že mohlo dojít k jisté superpozici jak objemových změn, tak účinku průhybu, což následně vedlo v obou případech k podobnému výsledku (viz obr. 5 a 6). Pro oba případy je typické, že kromě viditelného nadzvednutí došlo v podstatné části hodnocených prostor i k delaminaci, tedy k oddělení dlažeb od podkladu, což bylo možné jednoduše prokázat akustickou trasovací metodou. Označovat v těchto případech za příčinu vady nekvalitní provedení obkladačských prací je zcela nepřiměřené
3.4 Delaminace keramických dlažeb v 2. NP v šatnách a provozních prostorech velkého skladovacího objektu
V posuzovaném případě došlo pouze k významné delaminaci tlustovrstvých keramických dlažeb, situovaných v 2. NP, a to v šatnách a na podestách velkého skladovacího objektu.
Dlažby byly fixovány na masivní železobetonové vrstvě, kterou byl zesílen horní líc velkorozponových předpjatých prefabrikátů. Nabetonovaná monolitickáo železobetonová deska tloušťky 100 mm byla provedena z betonu C 35/45! Přímo na tuto konstrukční vrstvu, tedy přímo na železobetnovou konstrukci byla pak lepicí hmotou fixována keramická dlažba s rozměry 200 x 200 mm. Na delaminaci, která se však neprojevila výškovým vybočením dlažby, se v daném případě významně podílí jak nadměrné průhyby podkladní železobetonové konstrukce, tak i okolnost, že stáří podkladní železobetonové zesilující monolitické desky při pokládce dlažeb bylo pouze 35 až 45 dnů. Opět k identifikaci závad provozovatelem došlo až po cca 2 letech! Na fotografických záběrech je dokumentováno sevření jedné z dilatačních spár, vyplněných pružným tmelem, oproti kolmé spáře, která byla vyplněna nestlačitelnou spárovací hmotou na cementové bázi, jejíž šířka zůstala zachována (viz obr. 7 a 8).
4. Celkové závěry a doporučení
Popsané příklady dokládají, že keramické obklady i dlažby jsou v některých situacích významně zatíženým prvkem, do kterého se přenášejí objemové změny podkladních materiálů, které souvisí jednak s jejich zráním a smršťováním (cementem pojené malty a betony), tak i s pružnými i plastickými deformacemi vodorovných nosných konstrukcí. Rizika výrazně zvyšuje rychlý postup výstavby, tj. malý odstup mezi dokončením podkladních konstrukcí a pokládkou obkladu či dlažby.
Respektovat je třeba i změny, ke kterým došlo jak ve formátech používaných obkladových prvků, tak i ve složení spárovacích hmot i technologií pokládky. Je zřejmé, že např. používáním zubových stěrek se běžně nedosahuje plnoplošného přikotvení keramické dlaždice k podkladu.
Možnosti, jak čelit těmto situacím, jsou z praktického hlediska omezené. Tlak na rychlý postup výstavby je zřejmý a snaha po zvětšení technologických přestávek pravděpodobně nerealistická. Další možností je používat co nejružnější lepicí hmoty, jejichž cenová hladina se však pohybuje obvykle v rozmezí 30 až 50 Kč/kg, tedy řádově stále výše než cena běžně používaných lepicích hmot. Další možností obrany je pak nespárovat větší dilatační celky monoliticky standardní cementem pojenou spárovací hmotou, ale spárovat minimálně v rastru 3 x 3 m obklad či dlažbu pružným tmelem.
I projektanti by měli proto zvážit naznačená rizika a ověřovat dle možností druhý mezní stav do té míry, aby byl vyloučet vliv extrémních deformací na tyto křehké nášlapné vrstvy. Jedná se o problematiku poměrně složitou. Vyřizování reklamací u dlouhodobě provozovaných objektů je však neméně komplikované.
 Obr. 1 Trhliny v keramických obkladech. Velký obytný soubor. K vadám začalo docházet vzápětí po dokončení. Po dvou letech od dokončení mají vady stále narůstající tendenci |
 Obr. 2 Trhliny v keramických obkladech. Velký obytný soubor. K vadám začalo docházet vzápětí po dokončení. Po dvou letech od dokončení mají vady stále narůstající tendenci |
 Obr. 3 Svislé vybočení keramických obkladů v prodejně velkého obchodního centra v 2. NP. K poruše došlo cca dva roky po dokončení objektu. |
 Obr. 4 Svislé vybočení keramických obkladů v prodejně velkého obchodního centra v 2. NP. K poruše došlo cca dva roky po dokončení objektu. |
 Obr. 5 Vybočení a plošná delaminace keramických dlažev v šatnách velkého skladovacího objektu v 2. NP. K projevům poruch došlo cca dva roky po dokončení objektu |
 Obr. 6 Vybočení a plošná delaminace keramických dlažev v šatnách velkého skladovacího objektu v 2. NP. K projevům poruch došlo cca dva roky po dokončení objektu |
 Obr. 7 Sevřené "dilatační" spáry v keramické dlažbě v 2. NP v šatnách velkého skladovacího objektu, vyplněné pružným tmelem |
 Obr. 8 Sevřené "dilatační" spáry v keramické dlažbě v 2. NP v šatnách velkého skladovacího objektu, vyplněné pružným tmelem |
The paper focuses on explaining the causes of defects in ceramic materials that were applied in a seemingly stable substructure or layer. It brings attention to volume changes and also to elastic and plastic deformations of reinforce concrete floor structures, which can cause enough stress in surface layers consisting of tiles to lead to cracking or delamination. The examples show how and under what conditions these defects are manifested.