Studium účinku cyklického zmrazování na vlastnosti vybraných typů pískovců

• Foto

Trvanlivostí stavebních materiálů, konstrukčních prvků a stavebních konstrukcí máme z obecného pohledu na mysli především odolnost proti působení vlivů vnějšího prostředí, odolnost však může být ovlivněna činiteli vnitřními.

Z vnějších činitelů se jedná zejména o vlivy fyzikálního charakteru, představované povětrnostními vlivy (střídání teplot a vlhkosti, působení vody apod.), dále vlivy chemické (působení agresivních vod, par a plynů), biologické (působení plísní, hub, hmyzu apod.), mechanické (způsob a druh namáhání konstrukcí, prvků a detailů), a konečně i umístění jednotlivých stavebních materiálů v konstrukci.

Mezi vnitřní činitele patří struktura a stavba materiálu, jeho fyzikálně-chemické vlastnosti, chemické a mineralogické složení a jejich vnitřní změna (rekrystalizace) v průběhu času. Trvanlivost je pojem poměrně neurčitý, obyčejně se jí míní časové období, ve kterém projevy vnitřních a vnějších činitelů nezpůsobí takové zhoršení vlastností materiálu, které by ohrozilo jeho funkci ve stavební konstrukci. Stavební materiály s výjimkou materiálů kovových a plastových jsou většinou látkami složenými (kompozitními), u kterých vzniká snížení užitných vlastností už napadením jednotlivých složek. To znamená, že degradační procesy je nutné sledovat jak v samotné matrici, tak i v plnivu zrnitém, vláknitém či v jejich vzájemné kombinaci.

Stavební hmoty jsou většinou látkami složenými. Podmínkou jejich odolnosti vůči vnějšímu prostředí je odolnost jednotlivých součástí, protože obecně je odolnost každé součásti jiná, může dojít k znehodnocení celé stavební hmoty už po napadení některé její součásti, stavební hmota bude odolávat vnějšímu prostředí, jestliže prostředí ji obklopující nepřinutí k reakcím za vzniku produktů v daných podmínkách stabilnějších. Tento proces se dá vcelku dobře vystihnout u materiálů kovových, je však velmi komplikovaný u materiálů nekovových.

Degradační procesy, při kterých dochází k vzájemným reakcím mezi stavební hmotou a obklopujícím prostředím, zahrnujeme pod pojem koroze. Působením okolního prostředí na stavební materiály dochází k řadě fyzikálně-chemických změn. K materiálovým, a v některých případech následně i vizuálním změnám, dochází převážně vlivem vnějšího prostředí, při kterém dochází k jeho více či méně intenzivní interakci se složkami daného materiálu. Intenzita tohoto působení závisí jak na chemických, tak i fyzikálních podmínkách, jako jsou koncentrace působícího média, teplota, tlak, rychlost proudění apod. Příčiny vzniku lze v zásadě rozdělit na tři skupiny:

• fyzikální vlivy (střídání teplot a vlhkosti, působení mrazu, slunečního, popř. UV, záření, koroze I. druhu tzv. hladovou vodou),
• chemické vlivy (působení korozních médií jako např. kyselé deště, karbonatace, korozní procesy II. a III. druhu),
• chemicko – fyzikální vlivy (působení vody, rozmrazovacích prostředků, koroze za napětí apod.).

EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM
Specifikem pískovců jsou jejich rozličné vlastnosti s ohledem na lokalitu výskytu, což je dáno odlišnými podmínkami vzniku těchto sedimentárních hornin. V rámci realizovaného experimentálního programu byly vybrány dva typy pískovců z různých lokalit a sledována jejich odolnost vůči cyklickému zmrazování a účinku okolního prostředí. S ohledem na stavební využití a množství historických památek byly vybrány následující lokality – Mšeno a Dvůr Králové nad Labem.

Stanovení pevnosti v tlaku
Tato zkouška probíhala ve smyslu normy ČSN EN 1926 [1]. Zkoušky stanovení pevnosti v tlaku probíhalo na krychlích o hraně 50 mm, vedle těchto zkušebních těles je možné dle uvedeného předpisu použití i krychlí o hraně 70 mm, příp. válců o průměru a výšce 50 mm, resp. 50 mm. Zkušební vzorky byly připraveny řezáním diamantovým kotoučem. Stanovení pevnosti v tlaku probíhalo na zatěžovacím stroji EU40.

Stanovení pevnosti v tahu ohybem
Způsob provádění je specifikován v ČSN EN 12372 [2]. Tato zkouška probíhala na kombinovaném zatěžovacím stroji MTS 100. Tento stroj umožňuje zatěžování pomocí deformace, ovšem je důležité zmínit, že se nejedná o deformaci vzorku, nýbrž posun příčníku lisu. S ohledem na normové předpisy, bylo zvoleno čtyřbodové uspořádání zkoušky, kdy podpory jsou vzdáleny 150 mm. Zatěžovací síla je přenášena dvojicí břemen vzájemně vzdálených 40 mm a osazených na osu vzorku. Rameno síly je pak 55 mm. Pro snadné provádění zkoušek byl použit zkušební přípravek, který eliminuje špatné osazení vzorku a zkreslení výsledku zkoušky.

Zkouška mrazuvzdornosti
Zkouška mrazuvzdornosti byla prováděna v souladu s ČSN EN 72 1147 [3] v mrazicím boxu, kdy jsou zkušební tělesa (trámce) cyklicky zmrazována a rozmrazována. Jeden zkušební cyklus se skládá z šestihodinové fáze zmrazování na –12 °C a šestihodinovém rozmrazování, které se provádí úplným ponořením zkušebních těles do vody o teplotě 20 °C. Zkušební cyklus se provádí v automaticky zaplavované a chladící komoře až do porušení vzorků, nebo do uplynutí předepsaného počtu cyklů (140). V předepsaných intervalech (po 14, 56, 84 a 140 cyklech) se provádí vizuální kontrola; tato fáze je mnohdy doplněna o měření pomocí nedestruktivních metod.

Ultrazvuková impulzní metoda
Ultrazvuková impulzní metoda se řadí mezi nedestruktivní zkušební metody. Pomocí měřicího přístroje je generován zvukový impulz, který se následně šíří zkoušeným materiálem. Pomocí dvojce sond je následně zaznamenáván čas, který je zapotřebí, aby signál překonal vzdálenost mezi dvěma sondami, jež je vymezena právě proměřovaným materiálem. Rychlost šíření signálu tak velmi dobře charakterizuje dané prostředí – tato metoda je velmi citlivá na vznik trhlin, apod. Na základě znalosti rozměrů a objemové hmotnosti daného materiálu je možné dle vztahu [1] dopočítat dynamický modul pružnosti.



E_dyn – dynamický modul pružnosti [GPa]
v_l – rychlost šíření impulzu [m/s]
k – součinitel rozměrnosti tělesa [–]
ρ – objemová hmotnost [kg/m³]

Veškeré laboratorní testy, které popisují trvanlivostní vlastnosti materiálů jsou koncipovány jako zkoušky akcelerované. V reálných podmínkách však ke změnám v materiálu vlivem okolního prostředí dochází velmi pomalu. Pro lepší představu bylo proto do experimentálního programu zařazeno i měření na zkušebních tělesech, které byly vystaveny povětrnosti po dobu dvou let. Výsledky z těchto měření jsou uvedeny v tabulce 3.

ZÁVĚR
V příspěvku je dokumentován experimentální program zaměřený na sledování účinku cyklického zmrazování na finální vlastnosti vybraných pískovců. Mrazuvzdornost je klíčová materiálová vlastnost, která významným způsobem ovlivňuje životnost celé konstrukce, a je ovlivněna především schopností daného materiálu akumulovat vodu, resp. vlhkost. Dosažené výsledky potvrdily značné rozdíly ve vlastnostech jednotlivých pískovcových lomů, ale především poskytly zajímavou představu o souvislosti mezi výsledky laboratorních testů a reálnými účinky okolního prostředí. Přestože jsou výsledky nedestruktivních metod spíše pouze orientační, zvolená metoda byla dostatečně citlivá na zaznamenání nepatrných změn v materiálu, které jsou doprovázeny cyklickým zmrazováním.

Tento příspěvek vznikl za podpory projektu Ministerstva kultury ČR č. DF12P01OVV030.

LITERATURA:
[1] ČSN EN 1926 – Zkušební metody přírodního kamene – Stanovení pevnosti v prostém tlaku
[2] ČSN EN 12372 – Zkušební metody přírodního kamene – Stanovení pevnosti za ohybu při soustředném zatížení
[3] ČSN EN 72 1147 – Zkušební metody přírodního kamene – Stanovení mrazuvzdornosti

Study of Effects of Cyclic Freezing on Attributes of Selected Types of Sandstones
Natural stone is one of the traditional building materials that, considering domestic material sources, has been comprising basis of the local building industry for several
centuries. Natural materials represent interesting means of expression and their good production qualities have been verified by the hundred-year old building tradition. However, sandstone holds a significant position among these materials. The following article deals with study of sandstone attributes from various viewpoints and its endurance against effects of cyclic freezing as a parameter influencing long-term durability.

Autor

• Ing. Reiterman Pavel Ph.D.