Sanace a zpevnění svislých zděných konstrukcí historických staveb injektáží

Dosud není vypracována metodika pro komplexní návrh injektáže zděných konstrukcí, která by definovala parametry zdiva, jako jsou např. druh a složení pojiva, vlastnosti zdicích prvků, vlhkost, pH faktor, pórozitu a další, na jejichž základě by bylo možné navrhnout vhodný injektážní prostředek a technologii injektáže pro dosažení požadovaných vlastností injektovaného zdiva, včetně teoretického ověření a postupu pro zhodnocení účinnosti provedené injektáže.

Převládající způsob navrhování a aplikace injektážních metod odráží nedostatečné znalosti v oblasti transportu kapalin v heterogenní pórové a texturní struktuře cihelného a kamenného zdiva. Nedostatečné znalosti a neúčinná aplikace injektáže mohou být příčinou škod, zejména v případě památkově chráněných objektů, ohrožení zdraví i bezpečnosti a v neposlední řadě i značných ekonomických ztrát.

Pórová a texturní struktura cihelného a kamenného zdiva

Infuze a injektáž látek definovaných vlastností v tekuté fázi do pórové struktury je jednou z metod aktivní úpravy fyzikálně-mechanických vlastností porézních materiálů, jako jsou pevnost, statický a dynamický modul pružnosti, tvrdost, odolnost (zejména proti mrazu), nasákavost a další. Stavební materiály používané v současné praxi – přírodní a antropogenní – mají pórovou strukturu zahrnující zpravidla celé spektrum velikosti pórů, od mikropórů až po makropóry. Účinnost injektáže závisí na řadě faktorů, především na transportu injektážní látky v pórové struktuře. Transport je ovlivněn vlastnostmi injektážní látky, charakterem pórové struktury injektovaného materiálu a v neposlední řadě způsobem aplikace injektážní látky. Problematika transportu injektážních látek v závislosti na charakteru pórů a pórového systému (distribuce pórů, tvar a povrch pórů, jejich vzájemná komunikace), v závislosti na specifických vlastnostech a složení injektážní látky, jejích ireverzibilních změnách v průběhu transportu pórovým systémem (viskozita, stabilita), fyzikálně-chemických a mineralogických vlastnostech porézních materiálů a jejich stabilitě ve stadiu aplikace injektážní směsi, není dosud uspokojivě řešena. Specifičnost této problematiky neumožňuje jednoduchou a spolehlivou aplikaci současných znalostí z oblasti transportu kapalin a termodynamických zákonů šíření kapalin v pórovém systému, které se převážně zabývají transportem vlhkosti, solí a tepla.

Předpokládaný účinek injektáže je dosahován jednak požadovanou úpravou pórového systému a vlastností pórů (celkové pórovitosti, distribucí pórů, tvaru a propojení pórů) a jednak úpravou vlastností pevné fáze materiálu chemickou, popř. fyzikálně-chemickou a mineralogickou reakcí injektážní látky a pevné fáze materiálu (posílení pojivové složky predikovatelnou krystalizací sekundárních minerálů, stabilizace rozpustných látek). Dosažení optimálních podmínek pro průběh vzájemné interakce „injektážní látka – injektovaný materiál”, jejímž výsledkem jsou požadované/upravené vlastnosti a parametry injektovaného kompozitního materiálu, vyžaduje dosažení spolehlivého transportu injektážní látky do pórové struktury materiálu a jejího optimálního rozložení v pórové struktuře. V tomto případě je požadované změny vlastností injektovaného materiálu dosaženo úpravou pórového systému. Účinná reakce injektážní látky s pevnou fází injektovaného materiálu vyžaduje transport injektážní látky i do sekundárního systému jednotlivých složek pevné fáze. V tomto případě je požadované změny vlastností injektovaného materiálu dosaženo nejen změnou pórového systému, ale také změnou vlastností jednotlivých složek pevné fáze.

Kromě mikroskopických metod lze pro sledování pórového sytému pevných látek využívat nepřímých metod absorpce různých látek. Nejčastěji se používá metoda rtuťové porozimetrie založená na injektování určitého objemu rtuti do pórového systému pevné látky. S určitými omezeními, danými velikostí pórů, lze využívat i metodu absorpce dusíku v pórovém systému. Také lze využít absorpce vody a tím stanovení nasákavosti, které se běžně určuje normovými postupy. Moderní metodou, která dokáže stanovit pórový systém nikoli v jednotlivých řezech, ale přímo na 3D vzorku i kompozitních materiálů, je X-ray computed tomography [1]. Charakter pórů a hmoty lze také studovat pomocí šíření elastických vln materiálem [2]. Žádná z uvedených metod však není schopna samostatně přesně stanovit látkové složení a popsat pórový systém studovaných materiálů ve všech jejich variacích a tím spolehlivě predikovat transport tekutin těmito materiály. Toho lze dosáhnout pouze vhodně zvolenou kombinací analytických metod spolu s využitím počítačových simulací.

Technologie a metody provádění injektáže

K hlavním vlastnostem injektážní směsi patří rychlost tuhnutí a tvrdnutí, stabilita ve fázi injektáže, tixotropie, konzistence, viskozita, pevnost, fyzikálně-mechanické vlastnosti a trvanlivost. Injektáž může být tlaková nebo beztlaková, jednofázová, popř. vícefázová, plošná, pásová a lokální. Injektáž se provádí injektážními trubkami, tzv. pakry osazenými do vyvrtaných otvorů utěsněných sádrou nebo rychle tuhnoucí směsí. Návrh injektáže zahrnuje návrh injektážních pakrů a pump, rozmístění pakrů, vzdálenost, průměr a hloubku vrtů.

Injektovat lze pouze konstrukce, které jsou prostupné – mají otevřený pórový systém složený ze vzájemně propojených pórů – aby při injektáži mohl unikat vzduch a injektážní látka pronikla do struktury zdiva. Při nedostatečném a nerovnoměrném průniku injektážní směsi do struktury zdiva – pórového systému, trhlin, mezer a dutin – dochází ke zvýšení heterogennosti zdiva z hlediska fyzikálně-mechanických vlastností zdiva (pevnosti, modulu pružnosti), která ovlivňuje stav napjatosti, mechanismus porušování zdiva a následně mezní únosnost zdiva v tlaku (obr. 1). Pro návrh statické injektáže zdiva lze vycházet ze směrnice WTA 4-3-98 Oprava zdiva – stabilita a únosnost, která obsahuje doporučení pro sanaci a obnovu stability nebo únosnosti zdiva injektáží pro narušená místa (trhliny, otevřené spáry, dutiny) maltami s minerálními pojivy, silikátovými roztoky, umělou pryskyřicí a maltou pojenou umělou pryskyřicí.

Pro historické zdivo jsou nejčastěji používány směsi na bázi hydraulického vápna modifikované příměsemi, např. cihelný prach, pucolány, jíly apod., které upravují proces tuhnutí a tvrdnutí, viskozitu apod. V odůvodněných případech lze aplikovat také injektážní směs s malým množstvím cementu (5 až 10 %). 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, čisticí schopnosti a další. Současně jsou nanočástice vápna materiálem vysoce kompatibilním s historickými materiály na vápenné bázi (DG16P02M055). Injektážní malty s minerálními pojivy musí mít takové složení, aby nemohlo dojít k nežádoucím reakcím mezi složkami zdiva. Tyto malty by měly mít minimální obsah trikalciumaluminátu, rozpustných alkálií a neměly by používat jako pojivo trasové vápno. Injektážní malta musí mít co nejmenší náchylnost k sedimentaci, dobrou tekutost, schopnost zadržovat vodu, vysokou přilnavost na minerální podklady, minimální smršťování, odolnost vůči síranům a materiálně-technologické charakteristiky přizpůsobené stávajícímu zdivu. Při chemické reakci s CO₂ rozpuštěným ve vodě nebo s vyšší kovovou sloučeninou nastává v kapiláře účinné vytvrdnutí silikátového roztoku (vodní draselné sklo). Silikátové jednosložkové roztoky tvrdnou reakcí s CO₂, dvousložkové tvrdnou smíšením vodního skla a tvrdidla. K požadovaným vlastnostem silikátových roztoků patří nízkoviskózní vodný roztok tvořící minerální reaktivní produkty, vysoká schopnost penetrace, nevysychání na plochách trhlin, tvrdnutí ve vymezeném čase nezávislé na vlhkosti a teplotě (WTA 4-3-98).

V případech, kdy zpevnění zdiva, které je narušeno trhlinami, injektážní směsí na bázi vápna není dostatečné, je možné použit injektážní prostředky na bázi pryskyřic s vhodnými plnivy (např. křemenný písek se zrnitostí nejvýše 1 mm). Použití umělých pryskyřic je vhodné v případech injektáže, kdy jsou zvýšené požadavky na mechanické vlastnosti, injektují se hluboké trhliny malých šířek nebo jsou šířky trhlin velmi malé. Při injektáži zdiva s dutinami je potřeba zamezit hromadění umělé pryskyřice ve velkých dutinách a pronikání pryskyřice na povrch. Umělé pryskyřice pro injektáž by měly mít nízkou viskozitu a schopnost kapilárního průniku, dostatečnou přilnavost k povrchu i při vlhkém podkladu, dostatečnou vlastní pevnost, dobrou zpracovatelnost, dostatečnou stabilitu směsi, snášenlivost se všemi materiály ve zdivu, vysokou odolnost proti stárnutí, malý objemový úbytek v důsledku reakce, neměly by obsahovat rozpouštědlo (WTA 4-3-98).

Při použití injektážních prostředků na bázi křemičitanů, epoxidů nebo akrylátů dochází částečně k úpravě vlastností pórového systému. Injektážní směsi na bázi vápna vyplňují zejména mezery a dutiny a do pórové struktury zdicích prvků i pojiva pronikají minimálně. Modifikované příměsi injektážních směsí na bázi hydraulického vápna, jako jsou pucolán, vápno, popř. jílový a cihelný prach, jsou efektivní pro úpravu reologických, objemových změn a pevnosti injektovaného zdiva. Výsledné vlastnosti injektovaného zdiva mohou být do určité míry ovlivněny nekompatibilitou původní malty a injektážní směsi (rozdílná pórovitost, chemismus, mineralogické a chemické vlastnosti). Příměsemi pucolánu, vápna a cementu lze ovlivnit pevnost v tahu a ve smyku, vazby původního pojiva a injektážní směsi (nového pojiva). Injektážní prostředky na bázi minerálů a hydraulického vápna jsou vhodné pro zdivo historických a zejména památkově chráněných objektů. Zlepšených vlastností dosahují suspenze z rychlovazných cementů s větším podílem pevného bezsádrovcového slínku (jsou vhodné při sanaci historických staveb s vysokou vlhkostí).

K lokálnímu zpevnění materiálu úpravou vlastností pórového systému zdiva lze použít směsi na bázi křemičitanů. Tyto směsi, podobně jako směsi na bázi pryskyřic, pronikají do pórového systému do hloubky 50 až 60 mm od injektážního otvoru. Z pohledu zpevňování historického, popř. památkově chráněného zdiva jsou preferovány injektážní směsi na bázi hydraulického vápna s přísadami, nebo směsi na bázi křemičitanů. Experimentální ověřování zpevňujících injektáží (tlakových i beztlakových) probíhá v zahraničí v převážné většině na zkušebních tělesech vícevrstvého zdiva (třívrstvého) nebo na vzorcích zdiva (jednovrstvého i vícevrstvého), které jsou porušeny trhlinami. Pro historické vícevrstvé zdivo jsou nejčastěji používány směsi na bázi hydraulického vápna modifikované příměsemi, pro porovnání jsou prováděny zkoušky i pro injektáž látkami na bázi pryskyřic. Na základě výsledků zkoušek [3] byla mj. doporučena injektážní směs ve složení vápno : cihelný prach : pucolán, která je efektivní vztahem vývoje pevnosti (měřeno ve 28 a devadesáti dnech).

Na Krétě byly použity malty na bázi přírodního hydraulického vápna, křemičitého písku a drcených cihel [4]. Do injektážních látek na bázi vápna byly také přidávány příměsi pucolánu, jílu, cihelného prachu a jejich kombinace pro změnu vývoje pevnosti [3]. Experimentálně byla ověřována injektážní směs s bakteriemi Sporosarcina pasteurii, které upravují vlastnosti pórového systému zdiva, a tím ovlivňují proces karbonatace, tuhnutí a tvrdnutí vápna v degradovaném zdivu. Formou nízkotlaké mikroinjektáže byla metoda použita při opravě znečištěného zdiva, bylo dosaženo pevnosti v tlaku mikrobiální malty až 55 MPa [5].

Experimentální výzkum injektáže cihelného, smíšeného a kamenného zdiva

V rámci výzkumného projektu NAKI II DG16P02M055 se uskutečnil experimentální výzkum zaměřený na problematiku injektáže cihelného a kamenného zdiva s vápenným pojivem, zdiva narušeného umělými trhlinami a zdiva obsahujícího umělé dutiny. Jako injektážní látky byly aplikovány injektážní směsi na vápenné, pryskyřičné a křemičitanové bázi. Experimentální výzkum účinnosti injektáže cihelného a kamenného zdiva z hlediska dosažení fyzikálně-mechanických vlastností injektovaného zdiva (pevnost a modul pružnosti v tlaku, pórozita, transport a šíření injektážních látek v pórovém systému, účinnost injektážních směsí) se uskutečnil na cihelných zděných zkušebních tělesech rozměrů 300 × 450 × 420 až 450 mm, popř. 300 × 600 × 420 až 450 mm, kamenných a smíšených zkušebních tělesech rozměrů 500 až 550 × 600 až 650 × 700 až 750 mm (obr. 2). Zkušební tělesa byla vyzděna na maltu s vápenným pojivem (vápenná malta 1 : 3, popř. 1 : 5 z hašeného vápna uleželého pět let a písku frakce 0–4 mm) s experimentálně zjištěnou pevností v tlaku 0,8 až 1,01 MPa. Ověření účinnosti injektáže zdiva narušeného dutinami, popř. trhlinami se uskutečnilo na zkušebních tělesech cihelného a kamenného zdiva beztlakově a nízkotlakově injektovaných injektážních směsí. Dutiny, popř. trhliny byly vytvořeny uměle při zdění vynecháním části ložných a styčných spár.

Zhodnocení dílčích výsledků experimentálního výzkumu injektáže zdiva

Na základě analýzy výsledků experimentálního výzkumu injektáže zdiva lze formulovat následující dílčí závěry a doporučení. Vzhledem k rozsahu a náročnosti problematiky a zejména heterogennosti zdiva z hlediska jeho fyzikálně-mechanických a strukturních vlastností i omezenému rozsahu experimentálního výzkumu mají tyto výsledky částečně informativní charakter.

Účinnost injektážních prostředků z hlediska pevnosti a deformačních vlastností injektovaného historického cihelného a kamenného zdiva
Těžiště experimentálního výzkumu bylo zejména v ověření účinnosti injektážních prostředků z hlediska pevnosti a deformačních vlastností injektovaného historického cihelného a kamenného zdiva s vápenným pojivem. Na obr. 3 až 7 jsou uvedeny a graficky zpracovány dílčí vybrané experimentálně získané hodnoty pevnosti v tlaku injektovaného zdiva jednotlivými injektážními látkami, které jsou poměrově porovnány s příslušnými hodnotami neinjektovaných, tzv. referenčních zděných těles.

Experimentální výzkum účinnosti injektážních prostředků z hlediska pevnosti v tlaku neporušeného cihelného a kamenného zdiva s vápennou maltou prokázal pouze dílčí zvýšení mechanických vlastností injektovaného zdiva provázené částečným zvýšením deformací zdiva v pružnoplastické oblasti zatížení × deformace.
■ Pevnost injektovaného cihelného zdiva s vápennou maltou (VM 1 : 3, VM 1 : 5), v dostředném tlaku (převažující velikost pórů cihel 600–2 000 nm, vápenné malty 7 500–30 000 nm) tloušťky 450 mm dosahuje hodnot 86 až 124 % (VM 1 : 3), 87 až 119 % (VM 1 : 5), v případě zdiva tloušťky 600 mm hodnot 84 až 113 % (VM 1 : 3), 93 až 114 % (VM 1 : 5) pevnosti v dostředném tlaku neinjektovaného zdiva. Vyšších hodnot pevnosti cihelného zdiva v tlaku bylo dosaženo injektáží zdiva prostředkem na bázi nízkoviskózních pryskyřic o 7–24 % v porovnání s mezní pevností neinjektovaného cihelného zdiva v dostředném tlaku. Průměrná pevnost injektovaného neporušeného cihelného zdiva tloušťky 450 mm na vápennou maltu dosáhla hodnoty 95 % (VM 1 : 3) a hodnoty 106 % (VM 1 : 5) pevnosti neinjektovaného zdiva. Průměrná pevnost injektovaného neporušeného cihelného zdiva tloušťky 600 mm na vápennou maltu dosáhla hodnoty 103 % (VM 1 : 3) a hodnoty 101 % (VM 1 : 5) pevnosti neinjektovaného zdiva. Injektované zdivo cihelných pilířů vykazovalo zvýšené svislé deformace, které v průměru dosahovaly hodnoty 113 % svislé deformace neinjektovaného zdiva.
■ Pevnost injektovaného kamenného zdiva (VM 1 : 3), smíšeného, opukového, trachytového, vápencového a pískovcového zdiva v dostředném tlaku dosahuje hodnot 135 až 147 % (smíšené zdivo), 74 až 122 % (pískovcové zdivo), 102 až 117 % (trachytové zdivo). V případě injektovaného opukového a vápencového zdiva byly dosažené pevnosti zdiva v tlaku injektovaného zdiva 73 až 89 % pevnosti neinjektovaného zdiva. Vyšších hodnot pevnosti kamenného zdiva v tlaku bylo dosaženo injektáží zdiva prostředkem na bázi nízkoviskózních pryskyřic o 2 až 34 % a prostředkem na křemičitanové bázi o 14 až 46 % mezní pevností neinjektovaného kamenného zdiva v dostředném tlaku. Průměrná pevnost injektovaného neporušeného kamenného zdiva na vápennou maltu (VM 1 : 3) dosáhla hodnoty 84 % (opukové zdivo), 101 % (pískovcové zdivo), 75 % (vápencové zdivo), 101 % (trachytové zdivo), 141 % (smíšené zdivo) pevnosti neinjektovaného zdiva. Injektované zdivo kamenných pilířů vykazovalo zvýšené svislé deformace, které v průměru dosahovaly hodnoty 110 % svislé deformace neinjektovaného zdiva.
■ Statistické vyhodnocení účinnosti injektáže cihelného zdiva s maltou 1 : 5 bylo provedeno na základě výsledků mechanických zkoušek v dostředném tlaku pro 26 zkušebních těles z cihelného neinjektovaného a injektovaného zdiva. Průměrná hodnota pevnosti v dostředném tlaku neinjektovaných cihelných zkušebních těles (referenčních) byla 5,95 MPa (100 %) a směrodatná odchylka souboru hodnot referenčních pilířů byla 1,49 MPa (25 %).
■ Statistické vyhodnocení účinnosti injektáže kamenného zdiva bylo provedeno na základě výsledků mechanických zkoušek v dostředném tlaku pro jedenáct zkušebních těles z kamenného neinjektovaného a injektovaného zdiva. Průměrná hodnota pevnosti v dostředném tlaku neinjektovaných kamenných zkušebních těles (referenčních) byla 1,96 MPa (100 %) a směrodatná odchylka souboru hodnot referenčních pilířů byla 0,8 MPa (40 %).

Hodnoty pevnosti v dostředném tlaku cihelného a kamenného injektovaného zdiva vyjádřené v %, které leží uvnitř pásma rozptylu hodnot pevnosti v dostředném tlaku neinjektovaného kamenného zdiva, je třeba posuzovat jako hodnoty, které mohou být významně ovlivněny rozptylem pevnosti neinjektovaného kamenného zdiva. Hodnoty pevnosti v tlaku injektovaného zdiva, jež procentuálně přesahují hranice pásma rozptylu hodnot pevnosti v dostředném tlaku neinjektovaného zdiva, mohou být významněji ovlivněny aplikovaným injektážním prostředkem. Z tohoto hlediska bylo dosaženo významnějšího vlivu na pevnost cihelného a kamenného zdiva v dostředném tlaku zejména při aplikaci injektážních prostředků – na bázi pryskyřic a na bázi křemičitanů.

Účinnost injektážních prostředků z hlediska pevnosti a deformačních vlastností injektovaného cihelného a kamenného zdiva narušeného trhlinami, popř. dutinami
Častým případem sanace a obnovy historického zdiva cihelného, kamenného a smíšeného je zdivo narušené trhlinami a zdivo obsahující dutiny. V rámci experimentálního výzkumu byla pro vybrané případy ověřena účinnost injektážních prostředků z hlediska zajištění celist­vosti a únosnosti zdiva narušeného umělými trhlinami a dutinami. Experimentální výzkum účinnosti injektážních prostředků z hlediska pevnosti injektovaného cihelného zdiva s umělou trhlinou a umělou dutinou při zatížení dostředným tlakem prokázal rozdílnou účinnost experimentálně ověřovaných injektážních prostředků na bázi hydraulického vápna, nanočástic vápna, nízkoviskózních pryskyřic a křemičitanů. V obou případech narušených pilířů (trhlinou, dutinou) nebyla injektáž prováděna přímo do trhlin, popř. dutin, a k jejich vyplnění injektážní směsí docházelo pouze transportem prostřednictvím otevřené pórové struktury zdiva.

V případě pilířů s umělou dutinou došlo k prokazatelnému zvýšení pevnosti v dostředném tlaku injektovaných pilířů v porovnání s pevností neinjektovaných pilířů v důsledku vyplnění uměle vytvořené dutiny injektážní látkou, na rozdíl od injektovaných pilířů s umělou trhlinou, kde účinnost injektáže z hlediska zvýšení únosnosti zdiva v dostředném tlaku byla ovlivněna předčasnou sedimentací injektážní látky v pórech a v důsledku toho nebylo dosaženo zvýšení pevnosti injektovaného zdiva v očekávaném rozsahu.
■ V případě cihelného zdiva s umělou trhlinou bylo dosaženo částečné zvýšení únosnosti zdiva injektáží na bázi nanočástic hydraulického vápna, na bázi nízkoviskózních pryskyřic a křemičitanů. Mezní pevnost v dostředném tlaku injektovaných cihelných pilířů na vápennou maltu s umělou trhlinou se pohybuje v rozmezí 67 až 124 % průměrné hodnoty mezní únosnosti v dostředném tlaku referenčních pilířů (zděné pilíře s nevyplněnou umělou trhlinou).
■ V případě kamenných pilířů s umělou trhlinou se mezní únosnost v dostředném tlaku injektovaných kamenných pilířů pohybuje v rozmezí 81 až 170 % průměrné hodnoty mezní únosnosti v dostředném tlaku referenčních pilířů (zděné pilíře s nevyplněnou umělou trhlinou).
■ V případě cihelného zdiva s umělou dutinou bylo dosaženo zvýšení únosnosti zdiva injektáží ve všech případech ověřovaných injektážních látek. Mezní únosnost v dostředném tlaku injektovaných cihelných pilířů s umělou dutinou se pohybuje v rozmezí 119 až 217 % průměrné hodnoty mezní únosnosti v dostředném tlaku referenčních pilířů (zděné pilíře s nevyplněnou umělou dutinou).
■ V případě kamenných pilířů s umělou dutinou se mezní únosnost v dostředném tlaku injektovaných kamenných pilířů pohybuje v rozmezí 61 až 132 % průměrné hodnoty mezní únosnosti v dostředném tlaku referenčních pilířů (zděné pilíře s nevyplněnou umělou dutinou).

Vliv injektážních prostředků na celkovou pórovitost a změnu distribuce pórů injektovaného materiálu
Předmětem laboratorního výzkumu pórozity bylo zjištění vlivu injektáže a injektážní látky na změnu pórového systému – distribučních a integrálních křivek pórů a celkové pórozity – v závislosti na převažujícím podílu pórů a velikosti nanočástic injektážního prostředku. Podíl převažujících pórů určité velikosti se pro jednotlivé druhy hodnocených materiálů na celkové pórovitosti pohyboval v rozmezí cca 25 % až 80 %.

Měření pórozity metodou vysokotlaké rtuťové porozimetrie na vzorcích plných pálených cihel, opuky, pískovce, vápence, trachytu a vápenné malty bylo provedeno na úlomcích vzorků o velikosti 5 až 10 mm materiálů použitých ve zkušebních pilířích. Na obr. 13 jsou uvedeny příklady distribučních a integrálních křivek znázorňujících rozložení pórů od poloměru 0 až 10 nm až do velikosti 30 × 103 až 50 × 103 nm vybraných materiálů. Snížení celkové pórovitosti vybraných injektovaných stavebních materiálů v rozsahu od 12 do 44 % původní pórozity je znázorněno na obr. 14.

Výzkum vlivu injektáže na celkovou pórovitost prokázal významný vliv injektáže na změnu distribuce pórů a celkové pórovitosti zdicích prvků a malty. U všech injektovaných materiálů došlo ke snížení celkové pórovitosti v rozmezí 1–9,5 % celkového objemu materiálu a v rozmezí od 12–46 % celkového objemu pórů. V případě cihelného zdiva poklesla celková pórovitost zdicích prvků (cihel) o 1–3 % a pojiva (vápenné malty) o 1–2 % celkového objemu materiálu v porovnání s neinjektovaným zdivem. V případě kamenného zdiva byl pokles celkové pórovitosti opuky o 3–5 %, pískovce o 3,5 %, trachytu o 4–5 %, vápence o 1 % a u vápenné malty 5–9,5 % celkového objemu materiálu v porovnání s podílem celkové pórovitosti neinjektovaných materiálů. Největší změna celkového objemu pórů byla u kamenných zdicích prvků. V případě aplikace injektážních prostředků na vápenné bázi na vápenné malty poklesl celkový objemu pórů o cca 45 % a u opuky o cca 20 %, v případě aplikace injektážních prostředků na křemičité bázi došlo u vápence k poklesu celkového objemu pórů o cca 50 % a u trachytu o cca 40 % celkového objemu pórů v porovnání s neinjektovaným zdivem. V případě aplikace injektážních prostředků na bázi pryskyřic nastal největší pokles celkové pórovitosti u trachytu o více než 35 %, u vápence cca o 30 % a v případě vápenné malty o cca 20 % v porovnání s neinjektovaným zdivem.

Hloubka a rozsah průniku injektážní látky do pórézní struktury injektovaného materiálu
Cílem výzkumu v této oblasti bylo ověření hloubky a rozsahu zaplnění pórů injektážní látkou (průniku, šíření) cihelných, kamenných, smíšených zkušebních těles, které jsou rozhodující především pro návrh technologie injektáže, vzdálenosti vrtů a dosažení účinnosti injektáže z hlediska požadovaných vlastností (např. pevnosti, tuhosti, hydrofobizity, difuzní prostupnosti, chemické odolnosti, popř. dalších).

Experimentální výzkum se uskutečnil na vzorcích, které byly odebírány ze zděných pilířů po provedení zatěžovací zkoušky pilířů z míst v okolí injektážního vrtu (cca do vzdálenosti 0 až 60 mm od injektážního vrtu) a z míst poblíž okraje zděných prvků (cca 150 mm od injektážního vrtu) a na vzorcích ze zkušebních těles tvořených kamennými bloky rozměrů cca 250 × 250 × 250 mm (pískovec, opuka, vápenec, malta) ve vzdálenosti 20 až 30 mm, 50 až 60 mm a 100 až 120 mm od injektážního vrtu. Pro experimentální ověření injektability byly vybrány injektážní prostředky na bázi hydraulického vápna, pryskyřice a organokřemičitanů. Výsledky experimentálního výzkumu zaměřeného na ověření hloubky a rozsahu průniku (penetrace) injektážní látky do porézní struktury vybraných přírodních a antropogenních materiálů jsou znázorněny na obr. 15. Na obr. 16 je znázorněno porovnání účinnosti injektážních látek z hlediska šíření v pórové struktuře v okolí injektážního vrtu.

Oblast nárůstu celkové pórovitosti – poklesu objemu pórů zaplněných injektážní látkou – o více než cca 80 % rozdílu celkové pórovitosti neinjektovaného materiálu a injektovaného materiálu v místě injektážního vrtu (100 %) lze klasifikovat jako hraniční oblast účinnosti injektážní směsi (injektáže). Se zvětšující se vzdáleností od injektážního vrtu se zvyšuje celková pórovitost injektovaných materiálů až na úroveň původní pórovitosti neinjektovaného materiálu. Hloubka a rozsah průniku injektážní látky do pórového systému závisí na velikosti, distribuci a charakteru pórové a texturní struktury, na vlastnostech injektážní látky (hustota, viskozita, stabilita, velikost nanočástic a další), technologii injektáže (vysokotlaková, nízkotlakové, beztlaková), hmotnostní vlhkosti a teplotě injektovaného materiálu. Poloměr hraniční oblasti se v závislosti na uvedených vlivech pohybuje v rozmezí cca 100 až 150 mm od injektážního vrtu a vymezuje oblast účinnosti injektáže. Poloměr hraniční oblasti určuje vzdálenost injektážních vrtů.

Na základě zhodnocení výsledků experimentálního výzkumu lze pro aplikované injektážní směsi a materiály stanovit jako spolehlivý poloměr hraniční vzdálenost 100 až 150 mm (výjimečně až 200 mm) od místa injektáže, tj. válec o poloměru 100 až 150 mm v závislosti na pórovém systému injektovaného materiálu, injektážní směsi a technologii injektáže. Při nadměrné vzdálenosti vrtů se zvyšuje heterogenita zdiva v oblasti vrtů a zvyšuje se nerovnoměrnost tlakových napětí a v krajním případě dochází ke vzniku vodorovných tahových normálových napětí přesahujících pevnost zdiva v tahu (viz obr. 1).

Vliv mechanických vlastností injektážních směsí na účinnost injektáže
Experimentální výzkum poukázal na poměrně významný vliv mechanických vlastností injektážních směsí (adheze, pevnost v tlaku) na účinnost injektáže. Porovnání pevností v tlaku použitých injektážních směsí s pevností injektovaného zdiva v dostředném tlaku je znázorněno na obr. 17, ze kterého je patrný významný účinek pevnosti v tlaku injektážního prostředku na pevnost v tlaku zdiva.

Shrnutí výsledků experimentálního a laboratorního výzkumu

■ Při hodnocení výsledků účinku injektáže je nutné přihlédnout k rozdílné distribuci pórů cihelného a kamenného zdiva na celkové pórovitosti a podílu malty na celkovém objemu zdiva cihelných pilířů i zdiva kamenných pilířů.
■ Dosažení požadované účinnosti a spolehlivosti injektáže vyžaduje pečlivou přípravu (diagnóza zdiva, výběr vhodné injektážní látky) a pečlivé provedení (beztlaková, tlaková, jednostupňová, vícestupňová injektáž, vzdálenost injektážních vrtů).
■ Injektáž je vhodná a účinná především pro obnovení celistvosti zdiva narušeného trhlinami, mezerovitostí i dutinami a pro dílčí stabilizaci i konsolidaci zdiva se zvětralým a degradovaným pojivem. Pro zvýšení únosnosti nenarušeného zdiva s nezvětralým pojivem je injektáž velmi málo účinná a je třeba aplikovat některou z ostatních metod sanace zdiva.
■ Účinnost injektážní látky závisí mj. na velikosti procentuálního podílu převažujících pórů a velikosti nanočástic injektážní látky. Experimentální hodnoty zjištěné mezní pevnosti také naznačují, že hodnocení mechanismu průniku injektážních látek do pórového systému zdiva se řídí nejen rozsahem převažující shody velikosti pórů a nanočástic injektážní látky, ale také dalšími mechanismy, jako např. povrchovým napětím, spektrem a charakterem pórů, viskozitou a stabilitou injektážní látky, chemismem a dalšími.
■ Na základě hodnot dosažených mechanických vlastností cihelného a kamenného zdiva získaných experimentálním výzkumem a s přihlédnutím k heterogennosti a rozptylu fyzikálně-mechanických vlastností samotného zdiva (viz obr. 17) lze konstatovat, že k prokazatelnému zvýšení únosnosti zdiva v dostředném tlaku (přesahující rozptyl pevností neinjektovaného zdiva) bylo dosaženo v případě cihelného zdiva aplikací injektážních prostředků na bázi pryskyřic, křemičitanů a částečně i na vápenné bázi a v případě kamenného zdiva aplikací prostředků na bázi pryskyřic a křemičitanů.
■ Předpokladem pro dosažení požadované účinnosti injektáže pilířů s trhlinou, popř. s dutinou, je dokonalé vyplnění trhliny, popř. dutiny injektážní směsí. V případě předčasné sedimentace injektážní směsi, popř. nevhodné konzistence injektážní směsi, dochází k předčasnému uzavření pórů a injektáž je neúčinná. Injektážní otvory ve zdivu s trhlinami je nutné umístit do míst výskytu trhlin.
■ Při hodnocení účinnosti injektážních prostředků z hlediska mezní pevnosti a mezních deformací injektovaného cihelného a kamenného zdiva v tlaku je nutné přihlédnout ke značné heterogenitě zdiva způsobené rozptylem mechanických vlastností složek zdiva, tvarem a velikostí zdicích prvků (v případě kamenného zdiva), provedením a vazbou zdiva a některými dalšími vlivy (viz Statistické vyhodnocení).
■ Nejspolehlivější metodou pro stanovení únosnosti injektovaného zdiva v exponovaných a závažných případech je odběr jádrových maloprůměrových vrtů v rozsahu umožňujícím statistické vyhodnocení.

Poděkování
Experimentální a teoretický výzkum byl proveden za podpory projektu NAKI DG16P02M055 poskytnutého Ministerstvem kultury.
Autoři děkují doc. Ing. Tomáši Čejkovi, Ph.D., a Ing. Jiřímu Karasovi, CSc., za významnou pomoc při dílčím zpracování výsledků experimentálních zkoušek.
Vzhledem k omezenému rozsahu jsou v článku uvedeny pouze vybrané dílčí výsledky výzkumu.

Zdroje:
[1] GUNTORO, P. I.; Y. GHORBANI, P.-H. Koch and J. ROSENKRANZ, 2019. X-ray Microcomputed Tomography (µCT) for Mineral Characterization: A Review of Data Analysis Methods. Minerals, Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 9(3): 183–32.
[2] LIU, J.-B.; Z. ZHONG-JIAN and L. BIAO, 2019. Microscopic & Macroscopic Characterizations of Beijing Marble as a Building Material for UNESCO Heritage Sites: New Insights into Physico-mechanical Property Estimation and Weathering Resistance. Construction and Building Materials 225:510–525.
[3] PAPAYIANNI, I.; V. PLACHTA. Experimental Study on the Performance of Lime-based Grouts Used in Consolidating Historic Masonries. Materials and Structures [on-line]. 2015, 48(7), 2111-2121 [cit. 2016-04-18]. DOI: 10.1617/s11527-014-0296-5. ISSN 1359-5997.
[4] MARAVELAKI-KALAITZAKI, P.; A. BAKOLAS; I. KARATASIOS; V. KILIKOGLOU, 2005. Hydraulic Lime Mortars for the Restoration of Historic Masonry in Crete, Cement and Concrete Research, 35, pp. 1577–1586, DOI 10.1016/j.cemconres.2004.09.001.
[5] YANG, Z. and X. CHENG. A Performance Study of High-strength Microbial Mortar Produced by Low Pressure Grouting for the Reinforcement of Deteriorated Masonry Structures. Construction and Building Materials [on-line]. 2013, 41, 505-515 [cit. 2016-04-18]. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.12.055. ISSN 09500618. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S095006181300010X.