Diagnostika železobetonového skeletu s podezřením na použití betonu s hlinitanovým cementem

1. Popis objektu

Obchodní dům Baťa v Mariánských Lázních na ulici Dykova č. p. 144 je pětipodlažní železobetonový skelet se čtyřmi nadzemními a jedním podlažím podzemním. Dům je situován na rohu Hlavní třídy a ulice Dykovy, která prudce stoupá od křižovatky vzhůru k ulici Lidická a Ruská obr. 1. Objekt je zapsán na seznamu nemovitých kulturních památek pod číslem 50830/4-5239 od roku 2001.

Realizace stavby proběhla ve 30. letech 20. století. Z dostupných materiálů a podkladů nalezených v archivu příslušného stavebního úřadu a na základě prohlídky objektu vyplývá, že budova nebyla v minulosti nikterak přestavěna či rekonstruována a že současný stav plně odpovídá provedení při výstavbě objektu.

2. Konstrukční řešení objektu

Objekt byl založen na základových pasech a patkách, průřezy monolitických železobetonových základových pasů jsou vždy obdélníkového tvaru. Základové patky jsou tvaru komolého jehlanu se čtvercovou podstavou a velikost je odstupňována dle intenzity zatížení.

Hlavní nosné prvky jsou tvořeny sloupy kruhového průřezu o různých průměrů. Ve štítových stěnách jsou sloupy čtvercového průřezu. Obvodové stěny v suterénu jsou rovněž železobetonové.

Stropní konstrukce nad 1. PP je tvořena železobetonovým trámovým stropem s průvlaky a trámy. Stropy nad ostatními nadzemními podlažími jsou tvořeny tzv. bedničkovými stropy (žebírkové stropy s podhledovou vyztuženou betonovou deskou).

Schodiště do suterénu je tvořeno lomenou železobetonovou schodišťovou deskou s nadbetonovanými stupni. Schodiště mezi 1. NP – 2. NP a 2. NP a 4.  je tvořeno železobetonovými lomenými trámovými schodnicemi mezi kterými je vybetonována schodišťová deska s nadbetonovanými stupni.

3. Prohlídka objektu

Dne 17. 4. 2014 byla provedena první vizuální prohlídka objektu na základě výzvy k vyjádření majitele objektu k poruchám železobetonového sloupu v prostoru bývalé kotelny situované v suterénu.

Prohlídkou bylo zjištěno masivní porušení krycích vrstev betonu předmětného sloupu s viditelně zkorodovanou výztuží sloupu v jeho patě. V rámci předběžného opatření byly dotčené stropní konstrukce působící svým zatížením do sloupu dočasně zajištěny montážními stavebními stojkami.

Zároveň byla provedena celková prohlídka vizuálně přístupných částí nosných betonových konstrukcí, kde byly shledány další lokální poruchy svislých a vodorovných nosných konstrukcí v prostoru suterénu.

Ze sloupu v suterénu byl dále na základě nezvyklého povrchového zbarvení betonu odebrán kontrolní vzorek, který byl následně předán k chemické analýze, z jejíž závěrů vyplynulo, že vzorek obsahuje vysoké množství Al₂O₃ a s vysokou pravděpodobností se tudíž jedná o beton s hlinitanovým cementem.

Na základě tohoto zjištění bylo spolu se zástupci majitele objektu rozhodnuto o provedení stavebně statického posouzení objektu včetně podrobného materiálového průzkumu betonů nosných konstrukcí objektu a podrobného chemického složení betonů použitých a uložených do nosných konstrukcí objektu Baťa v Mariánských Lázních.

4. Podrobný stavebně technický průzkum

Ve dnech 21. a 22. 5. 2014 byl proveden podrobný stavebně materiálový průzkum kvality betonu nosných konstrukcí. Před zahájením vlastních diagnostických prací byly vykopány čtyři kopané sondy za účelem zjištění stavu železobetonových základových konstrukcí, provedením tří sond u sloupů č. 1, 2, 4, 12, bylo zjištěno, že základové konstrukce svým tvarem odpovídají původní historické dokumentaci nosné železobetonové konstrukce.

Prohlídkou na místě byly vyloučeny NDT zkoušky pevnosti betonu Schmidtovým sklerometrem a bylo učiněno rozhodnutí o odběru jádrových vývrtů o průměrech 50 mm (nosné sloupy a stropní konstrukce) a 75 mm (základové konstrukce a stěny v suterénu).

Místem s nejčetnějším odběrem vzorků betonu ze sloupů a stropů se stal suterén objektu, který byl v době provádění průzkumu neužívaný, a bylo možno diagnostiku provést v libovolném rozsahu v místech nejlépe vystihující charakter objektu. Kromě jiného byl v suterénu zjištěn nejvyšší počet poruch na železobetonových konstrukcích. V nadzemních užívaných podlažích byla diagnostika omezena na nejnutnější možný rozsah prací. Při diagnostice objektu bylo odebráno celkem 25 jádrových vývrtů (obr. 3), na kterých byly provedeny laboratorní zkoušky pevnosti betonu v tlaku.

Tabulka 1.: Označení odebraných vzorků a jejich poloha v konstrukci

označení jádrových vrtů	Ø [mm]	typ vrtané konstrukce
2; 11; 14	75	základové konstrukce
1; 4; 5; 7; 8; 10; 12; 13; 16; 17	50	sloupy v 1. PP
3; 6; 9; 15	75	železobetonové stěny v 1. PP
18; 19; 20	50	stropní konstrukce nad 1. PP
21; 22; 23; 24; 25	50	sloupy ve vyšších podlažích

Struktura betonu základových patek odpovídá stanoveným pevnostním parametrům viz tab. 1 (vizuálně nižší obsah pojiva, povrchová porozita betonu atd.). U sondy do základového pasu nebylo možné odebrat vzorek betonu z důvodu jeho velmi špatné kvality (během odvrtu docházelo k vymílání pojiva v důsledku chlazení vrtu), odhadovaná pevnost je do 1,5 MPa. Na betonech základových konstrukcí nebyla provedena chemická analýza, dle struktury betonu a barvy pojiva nebylo pojato podezření na obsah hlinitanových cementů v základových konstrukcích.

Nosné sloupy nadzemních podlaží vykazovaly klesající pevnost betonů s odběr ve vyšších podlažích, ve 4. NP pak již nebylo možné vzhledem k nízké pevnosti betonu ve sloupu vůbec vyjmout celistvý vzorek. Klesající tendence stanovených pevností betonu sloupů je rovněž patrna z tabulky 1.

Z vodorovných nosných konstrukcí bylo možné získat vzorky jen ze stropu nad 1. PP (suterén) vzhledem k provozu v objektu, výsledky charakteristických pevností betonu jsou uvedeny rovněž v tabulce 1.

Tabulka 2.: Fyzikálně-mechanické parametry betonu dílčích konstrukčních celků

označení oblasti	objemová hmotnost	pevnosti na vzorcích (vzorek 1:1 výška/průměr)			charakt. pevnost
	D [kgm−3]	min. [MPa]	Ø [MPa]	max. [MPa]	Xk [MPa]
základové patky	2000	6.9	7.9	8.8	6.2
základový pas	nebyly odebrány kompaktní vzorky betonu
původní stěny – 1. PP	1960	2.9	8.0	14.3	–
sloupy 1. PP – oblast 1	2050	8.0	10.3	11.8	7.8
sloupy 1. PP – oblast 2	2180	17.4	21.2	25.5	17.2
stropní kce nad 1. PP	2220	19.2	21.1	24.1	18.1
sloupy 1. NP	2090	9.9	10.1	10.3	9.3
sloupy 2. NP	2010	7.5	8.2	8.8	6.3
sloupy 3. NP	2070	4.5	5.5	6.3	4.2
sloupy 4. NP	nebyl odebrán kompaktní vzorek

V rámci objektivního posouzení kvality betonu bylo nutné rozdělit nejen jednotlivé konstrukce dle jejich typu a podlaží, ale zároveň z důvodu rozdílné vlhkosti jednotlivých sloupů v suterénu bylo k tomuto přihlédnuto a byly zvoleny čtyři samostatné oblasti, které jsou znázorněny na obr. 4.

Oblast 1 je ve sníženém suterénu, kde se původně nacházela kotelna a v současné době je to místo s největší povrchovou vlhkostí nosných konstrukcí. Oblasti 2 a 3 jsou dotčeny zvýšenou vlhkostí od zasypaného prostoru mezi levou obvodovou stěnou a vnitřní souběžnou železobetonovou stěnou. Sloupy nacházející se v oblasti 4 jsou volně přístupné, nacházejí se v jedné úrovni a nejsou ovlivněny odlišnou vlhkostí, jako je tomu v případě oblastí 1 až 3.

5. Chemická analýza betonu

Pro chemickou analýzu betonu bylo vybráno celkem 7 vzorků, 3 vzorky ze sloupů v suterénu a dále sloupy v 1. NP až ve 4. NP.

Na vzorcích bylo provedeno zhodnocení povrchové struktury pojivového systému optickou mikroskopií, stanovení krystalograficky aktivních složek neznámého pojiva rentgenovou difrakční analýzou a studium mikrostruktury, typických krystalických či amorfních útvarů s prvkovou analýzou vybraných složek s využitím skenovací elektronové mikroskopie s EDS analyzátorem.

Optickou mikrografií byly všechny vzorky prozkoumány povrchy nasnímkovány při zvětšení 30× (obr. 5). Nebyly pozorovány významné odchylky ve složení pojivového systému, plniv či výrazné defekty či nadlimitní makroporozita. Vzorky vykazovaly různou míru degradace, přičemž příčina rozdílů nebyla stanovována.

Pro RTG difrakční analýzu byly dodané vzorky pomocí okružní laboratorní pily odděleny v hloubce 20–40 mm (měřeno od svrchní části konstrukce) a následně byly namlety (maximální velikost částic 0,09 mm), kvartovány a reprezentativní vzorky byly podrobeny analýze. Ve vzorcích byl identifikován typický hydratační produkt hlinitanového cementu s vysokou termodynamickou stabilitou (gibbsit) a především karbonatační produkty – vápenaté uhličitany (kalcit, aragonit, vaterit).

S ohledem na zjištění, že pojivový systém z pohledu krystalograficky aktivních produktů je složen majoritně z karbonatačních produktů a minoritně z produktu hydratace hlinitanového cementu (gibbsit) byla použita skenovací elektronová mikroskopie s EDS analyzátorem, která umožňuje identifikovat prvková složení krystalických i amorfních útvarů mikrostruktury.

S využitím elektronového mikroskopu s EDS analyzátorem byly pozorovány krystalické útvary s typickým destičkovitým tvarem (gibbsit), produkty karbonatační degradace pojiva (kalcit, aragonit, vaterit) obr. 6. Nebyly nalezeny typické hydratační složky portlandského cementu. Studovaná mikrostruktura vykazovala výraznou mikroporozitu související s vysokým stupněm degradace pojivového systému.

6. Závěr

Ačkoliv nejsou ve velkém rozsahu patrné projevy ztráty únosnosti železobetonových prvků monolitického železobetonového skeletu objektu Baťa v Mariánských Lázních, provedené průzkumy jednoznačně prokázaly, že dochází k výrazným poklesům pevností betonů vlivem přeměny kalciumhydroaluminátů, vzniklých hydratací použitého pojiva na bázi hlinitanového cementu.

Na základě provedených odběrů jádrových vývrtů a následných laboratorních zkouškách fyzikálně mechanických parametrů betonu lze tvrdit, že konstrukční betony (základy, sloupy, stěny, stropy) vykazují velmi vysokou nestejnorodost, která je pravděpodobně způsobena následujícími faktory a vlivy, jako je technologická nekázeň při provádění jednotlivých částí konstrukce (nehomogenita jednotlivých záměsí, špatné hutnění betonu při jeho ukládání do bednění, zvýšená pozita atd.), rozdílná uvažovaná kvalita betonu již při návrhu konstrukce (dle zatížení logický krok, který se nicméně později projeví v nerovnoměrném procesu degradace betonu v čase) a v neposlední řadě vliv prostředí (vlhkost, prosakování dešťových vod atd.) zejména na konstrukce v suterénu objektu.

Na základě provedené četnosti vzorků betonu zejména v nadzemních podlažích nelze vyloučit i výrazně horší kvalitu betonu, než byla provedenými průzkumnými pracemi stanovena. Dále chemickým rozborem bylo jednoznačně ve všech analyzovaných vzorcích prokázáno pojivo na bázi hlinitanových cementů.

U betonu, jehož matrice je tvořena hydratačními produkty hlinitanového cementu, může i při exploataci v běžných podmínkách docházet k masivnímu poklesu pevnostních charakteristik. Dominantní příčinou poklesu pevnosti betonu na bázi hlinitanového cementu je pozvolná přeměna kalciumhydroaluminátů vzniklých hydratací, přičemž tato přeměna může být urychlována některými dalšími činiteli, např. propustností betonu, vlhkostí, teplotou prostředí atd. Těmito procesy může být dokonce ohrožena stabilita celé konstrukce.

Vzhledem k technickému stavu nosné konstrukce a prakticky neproveditelné sanaci bylo rozhodnuto o demolici objektu. V rámci příprav demolice bylo přistoupeno k odstranění všech konstrukcí až na úroveň stropní konstrukce nad suterénem. Zachování těchto částí stavby je dočasné, aby nebyla ohrožena stabilita veřejných prostranství kolem objektu z důvodů odstranění konstrukcí stabilizujících plochy kolem objektu a přenesení zemních tlaků do nich. Úplné odstranění všech konstrukcí suterénu včetně založení původní stavby může být provedeno až po realizaci zajištění stavební jámy.

V současné době je již objekt asanován. Při bouracích pracích byla získána celá řada doplňujících poznatků o způsobu provádění železobetonových konstrukcí před cca 80 lety. V blízké budoucnosti se o ně rádi formou dalšího článku podělíme.

Poděkování

Příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

Literatura

1. ČSN EN 1990 Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí
2. ČSN ISO 13822 Zásady navrhování konstrukcí – Hodnocení existujících konstrukcí.
3. ČSN 73 0038 Hodnocení a ověřování existujících konstrukcí – Doplňující ustanovení
4. ČSN EN 12504-1 Zkoušení betonu v konstrukcích – Část 1: Vývrty – Odběr, vyšetření a zkoušení v tlaku
5. ČSN EN 12390-3 Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles
6. Archivní projektová dokumentace z archivu stavebního úřadu v Mariánských Lázních, stavební a konstrukční část projektové dokumentace z roku 1931 objektu č.p. 144 Mariánské Lázně – OD Baťa Mariánské Lázně
7. Statický výpočet objektu z roku 1931 objektu č.p. 144 Mariánské Lázně – OD Baťa Mariánské Lázně
8. Atmosférická koroze betonů, prof. Ing. Dr. Matoušek, DrSc, doc. Ing. Rostislav Drochytka, CSc., IKAS Praha 1998