Příčiny havárií stropních konstrukcí z CSD Hurdis

Na území České republiky jsou na stavebním trhu stropní desky HURDIS, které vyrábí Cihelna Flachs Alois – HURDIS v Hodoníně, Hevlínské cihelny, s.r.o., Cihelny Hodonín, s.r.o., a rovněž desky slovenského výrobce STP, a.s., Žilina, Cihelna Ružomberok. Stropní desky se vyrábějí jednak s šikmými čely, jednak s kolmými čely.

Podle montážního postupu se stropní prvky s šikmým čelem ukládají na ocelové válcované nosníky nebo vyztužené betonové nosníky HAT TRICK v osové vzdálenosti 1200 až 1300 mm, příp. na betonové nosníky s keramickými vložkami HF v osové vzdálenosti 1250 až 1350 mm [6].

Patky z páleného střepu vytvářející podpory desek se používají pouze v případě nosného systému tvořeného válcovanými ocelovými profily. Patky i desky se podle ČSN 72 2642 [1] ukládají do malty MC5. Vyráběné stropní desky HURDIS vyhovují požadavkům normy, která stanovuje dodržení shody parametrů: rozměry, úhel sešikmení, hmotnost, nasákavost, únosnost v ohybu, mezní odchylky tvaru, výskyt trhlin a dovolené poškození povrchů. Podélný řez je schematicky znázorněn na obr. 1. Podle dostupných informací havárie nastaly ve všech případech u konstrukcí zhotovených ze stropních desek HURDIS ukládaných do patek.

V průběhu posledních šesti let bylo v České republice registrováno téměř dvacet havárií, při kterých došlo ke zřícení spodní části stropu i s omítkou ve většině půdorysné plochy stropní konstrukce (schéma typického porušení v podélném směru stropní desky je vyznačeno na obr. 1). Tyto havárie nastaly po dokončení stavby, v době jedné poloviny roku až 3 roků po zhotovení stropní konstrukce.

Podstatnou část surovinových směsí používaných v cihlářské výrobě tvoří tzv. jemnozemě. Základní složkou těchto jemnozemí jsou jílové zeminy. Tyto jemně disperzní jílové minerály (především illit, kaolinit, montmorillonit, chlorit a další) podstatným způsobem ovlivňují vlastnosti cihlářských surovinových směsí jak při tvarování, tak sušení a výpalu. Pro stabilitu pálených cihlářských materiálů ve vztahu k působení vlhkosti je významným technologickým úsekem jejich výpal.

Obecně při výpalu cihlářské výrobní směsi do teploty přibližně 250 ^oC probíhá dehydratace v materiálu fyzikálně vázané vody. Rozklad jílových minerálů spojený se ztrátou původní krystalické struktury začíná probíhat při teplotě přibližně 450 ^oC a končí přibližně při 600 až 650 ^oC. U montmorillonitu je počátek této reakce až při podstatně vyšší teplotě, přibližně při 700 ^oC. Rozklad jílových minerálů je poměrně složitou fyzikálně chemickou reakcí. Jedná se o dehydroxidaci, tj. uvolňování chemicky vázané vody.

Výsledkem uvedeného procesu, který probíhá ve směsích s určitým obsahem jílových minerálů, je existence chemicky nestabilní sloučeniny v materiálu vypalovaném na teploty v intervalu 700 až 1000 ^oC. Tato sloučenina má různou tendenci k opětnému získání chemicky vázané vody – rehydrataci. Například při reakci metakaolinitu s vodní parou, zejména za zvýšených teplot, dochází k chemisorbci vody a k nárůstu objemu keramického materiálu. Chemisorbovaná voda je zpravidla silněji vázána v materiálu, než je voda fyzikální. Nelze ji tedy odstranit pouhým vysušením při 105 ^oC a tím také zlikvidovat vzniklou změnu objemu sledovaného tělesa. Tento proces je za normálních podmínek ireverzibilní. Největší rychlostí probíhá většinou v prvním údobí po výpalu a ukončuje se zpravidla po několika letech po výpalu.

Vlhkostní roztažnost je důležitou materiálovou charakteristikou všech druhů cihlářských výrobků a tedy i stropních desek HURDIS [2, 3].

Ačkoliv je vlhkostní roztažnost některých druhů páleného střepu známa již déle než 60 let, její podstata není dosud zcela definitivně vysvětlena. Pro laboratorní stanovení její velikosti byly proto zpracovány experimentální metody, které jsou v současné době standardizovány. Jsou založeny na vyvolání extrémních podmínek pro dosažení limitní vlhkostní roztažnosti keramického střepu. Vzorky jsou po dobu 5 hodin podrobeny varu v autoklávu v prostředí nasycené vodní páry při teplotě 180 ^oC. Tomu odpovídá tlak vodní páry 1,0 MPa [2]. Druhá metoda je založena na nepřetržitém varu vzorků ve vodě po dobu 24 hodin [3]. Základem pro stanovení vlhkostní roztažnosti je změřená délka vzorků po žíhání na teplotu min. 600 ^oC po dobu 4 hodin, která je považována za  původní délku vzorku. Tato hodnota se porovná s hodnotou zjištěnou po varu vzorku ve vodě a vyjádří se jako změna délky vzorku v mm na m původní délky vzorku.

Vlhkostní roztažnost cihlářského střepu dosahuje hodnoty až 1,6 mm/m. Stanovená hodnota této roztažnosti závisí do jisté míry i na zvolené metodě, její velikost ovlivňuje především složení surovinové směsi, výše vypalovací teploty a doba výdrže na max. teplotě výpalu. Zvýšená přítomnost alkalických oxidů vlhkostní roztažnost páleného střepu spíše zvyšuje. Oxidy žíravých zemin, vyšší teplota výpalu a delší doba výdrže na maximální teplotě vlhkostní roztažnost střepu může snižovat [4].

Kromě uvedené vlhkostní roztažnosti, která je ireverzibilní, existuje také vlhkostní roztažnost vratná, reverzibilní, která je vyvolána kapilární elevací vody v pórech o velikosti < 10 ^-7 mm. Tento druh vlhkostní roztažnosti dosahuje hodnot řádu do 0,1 mm/m.

• pracovní diagram v tlaku na krátkých a dlouhých tělesech,
• pracovní diagram v tahu za ohybu na výřezu z desky a na celé desce,
• součinitel délkové teplotní roztažnosti,
• nasákavost,
• vlhkostní roztažnost za definovaných podmínek, v autoklávu a při varu v destilované vodě,

Studie kinetiky vlhkostní roztažnosti pórovitých keramických materiálů ukazuje, že tento proces je zpočátku po vypálení nejrychlejší a pokračuje se zmenšenou rychlostí po dlouhou dobu, která může trvat i několik roků, kdy přirozená vlhkost prostředí proniká ke střepu. Konečná hodnota vlhkostní expanze závisí s vysokou pravděpodobností na vlastnostech výchozí suroviny, na podmínkách jejího technologického zpracování, zejména na výpalu. Rychlost průběhu této expanze je závislá na charakteru cihlářského střepu, na rozměrech keramického prvku, na teplotě a vlhkosti prostředí a na pronikání vlhkosti do stropní konstrukce.

V grafu na obr. 2 je uveden průběh vlhkostní roztažnosti desky HURDIS, tj. poměrného přetvoření v mm/m, v průběhu prvních 46 dní po výpalu. Počátek nárůstu deformací je měřen od doby 22 hodin po vyjmutí z pece. Deska byla vyrobena ze současně používané suroviny. Počáteční prudký přírůstek deformace se přibližně od 5 dnů po výpalu stabilizoval v laboratorním prostředí na hodnostu přírůstku cca 0,002 mm/m za den. Tuto hodnotu přetvoření lze považovat pouze za informativní, je zapotřebí provést dlouhodobá měření.

Keramické prvky jsou jedním z nejstarších stavebních materiálů. Jejich výroba je založena na dlouhodobě ověřených technologických postupech. Stručně lze výrobu charakterizovat těmito etapami: selektivní těžba, skladování a odležení suroviny, mísení se zušlechťujícími příměsemi, mletí a homogenizace směsi kolovým mlýnem a na sadě dvou párů válců, tvarování z plastického těsta na vakuovém šnekovém lisu, řezání výlisků na požadovanou délku, sušení, výpal na teplotu 930 ^oC v tunelové peci s celkovou dobou 36 hodin, skladování a expedice v ochranném obalu PVC. Celkový cyklus od vytěžení suroviny k expedici desek HURDIS trvá přibližně dva měsíce.

Desky HURDIS v případě, že jsou zabudovány do stropní konstrukce bez maltového lože, nebo s vrstvou malty vyšší pevnosti, nemají možnost volné vlhkostní roztažnosti a tedy dochází k porušení celistvosti stropní konstrukce desky vybočením spodního líce desky i se stropní omítkou. Numerické rozbory tuto skutečnost potvrzují. K poruchám mohou částečně přičiňovat i další faktory, např. účinky teplotní roztažnosti, případná existence vnitřních pnutí.

V posledních šesti letech bylo vyrobeno a dodáno na trh řádově několik desítek milionů stropních desek HURDIS. Z tohoto počtu bylo porušeno ve stropních konstrukcích zhruba 10³ stropních desek. Numerické analýzy vycházející z experimentálních údajů potvrzují, že poruchy jsou s vysokou pravděpodobností vyvolány vlhkostní roztažností.

• umožnit volný průběh objemových změn desek HURDIS v dokončené konstrukci,
• stanovit z experimentálních a teoretických rozborů limitní hodnotu vlhkostní roztažnosti střepu a ověřit ji laboratorními zkouškami a dlouhodobým sledováním,
• zajistit pravidelnou kontrolu všech parametrů výrobků, včetně vlhkostní roztažnosti.

Výzkum je realizován v Kloknerově ústavu ČVUT a v Ústavu skla a keramiky VŠCHT jako součást projektu GAČR č. 103/00/0957. Na projektu řešitelé spolupracují s odborníky Geobrick Si & Pe, s.r.o.

[6] Stropní systém HURDIS, Cihelna Flachs Alois - HURDIS