TRWAŁOŚĆ KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH

Transkrypt

1 1 Przemysław Łapiński TRWAŁOŚĆ KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH Wstęp Konstrukcje z betonu powinny być tak zaprojektowane, aby w przewidywanym czasie ich użytkowania, w zadanych warunkach środowiskowych i przy zadanej konserwacji spełniały założone wymagania zarówno pod względem stanów granicznych nośności, użytkowania jak i funkcjonalności bez ryzyka ponoszenia przez użytkownika nieplanowanych kosztów konserwacji czy remontów. Mówimy, że konstrukcja powinna spełniać warunek trwałości w założonym okresie użytkowania. W chwili obecnej możemy projektować obiekty żelbetowe zgodnie z PN-B :2002 lub Eurokodem 2. Zgodnie z Eurokodem 2 wymaga się, aby okres ten był określany na etapie projektowania. Według PN-B-03264:2002 okres ten dla zwykłych obiektów budowlanych wynosi standartowo 50 lat. W ubiegłym tysiącleciu problematyka trwałości betonu była lekceważona. Nie brano pod uwagę, że naprawa konstrukcji betonowych jest bardzo kosztowna i skomplikowana. Zdarza się często, że naprawa jest najzwyczajniej nieskuteczna lub też niemożliwa do przeprowadzenia ze względów konstrukcyjnych lub ekonomicznych. Możemy wyróżnić trzy fazy wpływające na trwałość konstrukcji żelbetowych: fazę projektowania fazę wykonawstwa fazę eksploatacji konstrukcji

2 2 1. Faza projektowania: Aby zapewnić konstrukcjom betonowym właściwą trwałość należy przede wszystkim właściwie rozpoznać wszystkie czynniki mające wpływ na jej trwałość: Tablica 1-1. Czynniki działające na konstrukcje budowlaną Pochodzenie Grunt Atmosfera zewnętrzna Środowisko wewnętrzne Biologiczne Mechaniczne Inne Czynniki wody gruntowe agresywne związki chemiczne ruch cieczy (współczynnik filtracji) odparowanie z powierzchni zanieczyszczenie gruntu ciśnienie wody temperatura zmiana temperatury wilgotność powietrza mgła agresywne gazy i pyły opady atmosferyczne promieniowanie zamrażanie i odmrażanie mgła solna czynniki powodujące ścieranie czynniki powodujące kawitację temperatura udary cieplne wilgotność powietrza kondensacja pary wodnej agresywne gazy, pyły i aerozole powstające w wyniku użytkowania ciecze produkcyjne składowane ciała stałe czynniki powodujące ścieranie mikroorganizmy insekty inne zwierzęta rośliny, drzewa odkształcenia (zarysowanie) odkształcenia wymuszone obciążenia użytkowe niedostosowanie materiałów (brak kompatybilności)

3 3 Najczęstsze przyczyny uszkodzeń konstrukcji z żelbetu: Odczyn środowiska a możliwość korozji żelbetu:

4 4 Zalecenia normowe w zakresie trwałości: Klasy ekspozycji w zależności od warunków środowiska wg PN-EN 206-1: 1. Zagrożenie korozyjne nie występuje X0 Dla betonu niezbrojonego i bez innych wstawek metalowych: we wszystkich warunkach z wyjątkiem korozji mrozowej i chemicznej Dla żelbetu i betonu z innymi wstawkami metalowymi: w warunkach bardzo suchych Beton wewnątrz budowli przy bardzo niskiej wilgotności powietrza 2. Korozja spowodowana karbonatyzacją Dla żelbetu lub betonu z innymi wstawkami metalowymi, pod działaniem atmosfery i wilgoci XC1 XC2 XC3 XC4 W warunkach suchych lub przy stałym zawilgoceniu W warunkach wilgotnych, przy sporadycznym osuszaniu W warunkach umiarkowanej wilgotności W warunkach cyklicznego zawilgacania i osuszania Beton wewnątrz budowli przy niskiej wilgotności powietrza Beton stale zanurzony w wodzie Powierzchnie betonu podlegające działaniu wody przez długie okresy; często fundamenty Beton wewnątrz budowli przy umiarkowanej lub wysokiej wilgotności powietrza Beton na zewnątrz budowli, osłonięty przed deszczem Powierzchnie betonu podlegające działaniu wody w warunkach innych niż dla klasy XC2 UWAGA: Warunki wilgotnościowe odnoszą się do otuliny betonowej, jednakże w wielu przypadkach odpowiadają one otaczającemu środowisku; odpowiednia może być wtedy klasyfikacja środowisk zewnętrznych. Przypadek taki nie zachodzi, jeśli istnieje bariera między betonem a środowiskiem 3. Korozja spowodowana chlorkami niepochodzącymi z wody morskiej Dla żelbetu lub betonu z innymi wstawkami metalowymi, podlegającemu działaniu wody zawierającej chlorki, w tym sole odladzające, ze źródeł innych niż woda morska XD1 W warunkach umiarkowanej wilgotności Powierzchnie betonu podlegające działaniu chlorków z atmosfery XD2 XD3 W warunkach wilgotnych, przy sporadycznym osuszaniu W warunkach cyklicznego zawilgacania i osuszania Baseny kąpielowe Betony podlegające działaniu wód przemysłowych zawierających chlorki Elementy mostów podlegające działaniu chlorków Nawierzchnie dróg Nawierzchnie parkingów

5 5 4. Korozja spowodowana chlorkami z wody morskiej Dla żelbetu lub betonu z innymi wstawkami metalowymi, podlegającemu działaniu chlorków pochodzących z wody morskiej XS1 W warunkach działania soli z powietrza, bez bezpośredniego kontaktu z wodą morską Konstrukcje znajdujące się na brzegu lub w pobliżu brzegu morskiego XS2 W warunkach stałego zanurzenia Fragmenty konstrukcji morskich XS3 W strefach przypływu lub przyboju Fragmenty konstrukcji morskich 5. Korozja mrozowa Dla betonu podlegającemu zamrażaniu i rozmrażaniu w warunkach zawilgocenia XF1 XF2 XF3 XF4 W warunkach umiarkowanego nasycenia wodą niezawierającą środków odladzających W warunkach umiarkowanego nasycenia wodą zawierającą środki odladzające W warunkach dużego nasycenia wodą niezawierającą środków odladzających W warunkach umiarkowanego nasycenia wodą zawierającą środki odladzające lub wodą morską Pionowe powierzchnie betonowe podlegające działaniu deszczu i mrozu Pionowe powierzchnie betonowe konstrukcji drogowych podlegające działaniu mrozu i środków odladzających przenoszonych przez powietrze Poziome powierzchnie betonowe podlegające działaniu deszczu i mrozu Nawierzchnie dróg i mostów podlegające działaniu środków odladzających Powierzchnie betonowe podlegające działaniu mrozu i bezpośredniemu działaniu środków odladzających Strefy przyboju w konstrukcjach morskich podlegające działaniu mrozu 6. Korozja chemiczna Dla betonu podlegającego agresji chemicznej pochodzącej z naturalnych gruntów lub wód gruntowych (por. tabl. 3). Klasyfikacja wód morskich zależy od położenia geograficznego miejsca zastosowania betonu XA1 XA2 XA3 W warunkach działania środowiska o słabym stopniu agresywności wg tabl.6.3 W warunkach działania środowiska o średni stopniu agresywności wg tabl. 6.3 W warunkach działania środowiska o silnym stopniu agresywności wg tabl. 6.3

6 6 Orientacyjne zakresy stosowania najczęściej spotykanych cementów: Rodzaj cementu Cement portlandzki CEMI Cement portlandzki żużlowy CEMII/ A,B-S Cement portlandzki popiołowy CEM II/A,B-V Cement pucolanowy CEM IV / A,B Cement portlandzki wieloskładnikowy CEMII A,B-M (V,S,L,LL) Cement hutniczy CEMIII/ A,B Zakres stosowania (przykłady) Przydatny we wszystkich klasach ekspozycji z wyłączeniem klasy XA 2 i XA3 (stosuje się cementy siarczanodporne HSR). Cementy portlandzkie CEM142,5 N,R i 52,5 N,R są szczególnie przydatne w produkcji betonu wysokich klas wytrzymałościowych, wibrowanej kostki brukowej, "galanterii" betonowej, w prefabrykacji oraz w produkcji pokryć dachowych. Przydatny we wszystkich klasach ekspozycji z wyłączeniem klasy XA 2 i XA3 (stosuje się cementy siarczanodpome HSR). Cementy wyższych klas wytrzymałościowych (42,5 i 52,5) są szczególnie zalecane do produkcji dachówki cementowej, betonowej kostki brukowej, krawężników, obrzeży chodnikowych oraz elementów prefabrykowanych. Cementy zalecane do wykonywania betonów wysokich klas wytrzymałościowych (C40/C50 i wyższych). Przydatny prawie we wszystkich klasach ekspozycji, z wyłączeniem klas ekspozycji XF3 -XF4 (agresywne oddziaływanie zamrażania I rozmrażania przy silnym nasyceniu woda bez środków odladzających, bądź ze środkami odladzającymi lub wodą morską). Cement szczególnie przydatny w przypadku wykonywania obiektów narażonych na agresję siarczanową (oczyszczalnie ścieków, budownictwo morskie, roboty górnicze). Cementy tej grupy w klasie wytrzymałościowej 42,5 mogą być z powodzeniem stosowane w produkcji "galanterii" betonowej i prefabrykacji. Zakres stosowania uzależniony od składu cementu. Cementy zawierające popiół lotny i granulowany żużel hutniczy mają podobny zakres stosowania jak cement portlandzki żużlowy CEM II/ A,B-S lub cement portlandzki popiołowy CEM III A,B-V. Cement z dodatkiem kamienia wapiennego (V-LL, S-LL) jest szczególnie przydatny do stosowania w przypadku braku zagrożenia agresją środowiska lub zagrożenia korozją (XO) lub w przypadku korozji spowodowanej karbonatyzacją (od XCI do XC3); zalecane spoiwo do prac murarskich i tynkarskich. Cement przydatny we wszystkich klasach ekspozycji (w klasach ekspozycji XA 2 i XA 3 należy stosować cement hutniczy CEM III HSR), z tym, że w klasie ekspozycji XF4 zaleca się stosowanie cementu hutniczego CEM III/ A o mniejszej zawartości granulowanego żużla wielkopiecowego 50%) i zazwyczaj w klasie wytrzymałościowej 42,5. Cementy hutnicze posiadają właściwości specjalne: niskie ciepło hydratacji (LH), wysoka odporność na korozyjne oddziaływanie środowisk agresywnych chemicznie (HSR) łącznie z agresją alkaliczną (NA). Szczególnie przydatne są w budowie fundamentów, wykonywaniu betonów masywnych, zapór wodnych, oczyszczalni ścieków, obiektów morskich i do prac budowlanych w górnictwie. Cement hutniczy CEM III/ A,B 42,5 (R,N) może być stosowany w produkcji prefabrykatów i "galanterii" betonowej.

7 7 Wpływ rodzaju cementu na właściwości betonu w praktyce: Przełamy próbek betonów z różnymi cementami (w/c = 0,4) po badaniu wodoszczelności: Skurcz zaprawy w mm/m:

8 8 Krzywa przyrostu wytrzymałości CEM I i CEM III/A Udział porów kapilarnych w betonie dojrzewającym przez rok w zależności od rodzaju zastosowanego cementu:

9 9 Zalecania dotyczące składu i klasy betonu w zależności od klasy środowiska*: Brak zagrożenia agresją środowiska Brak zagrożenia Korozja wywołana karbonatyzacja Klasy środowiska Korozja wywołana chlorkami Chlorki niepochodzące z wody morskiej Zamrażanie / rozmrażanie Środowiska chemicznie agresywne X0 XC1 XC2 XC3 XC4 XD1 XD2 XD3 XF1 XF2 XF3 XF4 XA1 XA2 XA3 Maks. w/c --- 0,65 0,60 0,60 0,50 0,55 0,55 0,45 0,55 0,55 0,50 0,45 0,55 0,50 0,45 Min. klasa betonu C12/ 15 C20/ 25 C25/ 30 C30/37 C30/37 C35/ 45 C25/ 30 C30/37 C30/37 C35/ 45 Min. zawartość cementu (kg/m 3 ) Min. zawartość powietrza ,0 2) 4,0 2) 4,0 2) Inne wymagania * w przypadku np. kręgów produkowanych z betonu klasy C35/45 nie są wymagane jakiekolwiek dodatkowe izolacje. Najniższe klasy betonu do poszczególnych konstrukcji: Kruszywo odporne na zamrażanie wg PN-EN Rodzaj cementu 3) Rodzaj konstrukcji Konstrukcje betonowe Konstrukcje żelbetowe: - zbrojone stalą klas A-0, A-1, A-II, A-III - zbrojone stalą A-IIIN (RB-500) Konstrukcje sprężone: - kablobetonowe - strunobetonowe Konstrukcje żelbetowe poddane obciążeniu wielokrotnie zmiennemu Najniższa klasa betonu B15 B15 B20 B30 B37 B30 Granice szerokości rys w lim w konstrukcjach żelbetowych 3) Wymagania użytkowe Klasa ekspozycji w lim, mm dla kombinacji obciążeń długotrwałych X0 XC1 XC2 XC3 XC4 XF1 XF3 0,3 XD1 XD2 XD3 ochrona przed korozją XS1 XS2 XS3 0,2 XF2 XF4 XA1 XA2 XA3 Zapewnienie szczelności 0,1 1) 1) jeżeli przepisy szczegółowe nie stanowią inaczej 3) Graniczne wartości szerokości rys przyjmuje się także odpowiednio do wymagań inwestora

10 10 Otulenie prętów zbrojenia: Grubość otulenia jest to odległość od zewnętrznej powierzchni zbrojenia (włączając w to pręty rozdzielcze i strzemiona) do najbliższej powierzchni betonu. Przyjęta grubość otulenia powinna zapewniać bezpieczne przekazywanie sił przyczepności, ochronę stali przed korozją, ochronę przeciwpożarową oraz umożliwiać należyte ułożenie i zagęszczenie betonu. Grubość otuliny nie może być mniejsza niż: średnica pręta Ø lub średnica zastępcza wiązki prętów Ø n c min Ø lub c min Ø n maksymalna średnica kruszywa w zastosowanym betonie c min d g + 5 mm minimalna grubość otulenia zalecana ze względu na korozję Przy projektowaniu, minimalną grubość otulenia należy zwiększyć o wartość dopuszczalnej odchyłki c, zależnej od poziomu wykonawstwa i kontroli jakości: c = 0 5 mm w elementach prefabrykowanych, c = 5 10 mm w elementach betonowanych w miejscu wbudowania, Grubość otulenia ze względu na odporność ogniową określa się według oddzielnych przepisów. Minimalne grubości otuliny dla poszczególnych klas ekspozycji Klasa ekspozycji Przyczyna korozji brak karbonatyzacja chlorki Chlorki z wody morskiej X0 XC1 XC2 XC3 XC4 XD1 XD2 XD3 XS1 XS2 XS3 minimalna grubość otulenia c min (mm) stal zwykła stal sprężająca

11 11 2. Faza wykonawstwa: Najczęstszymi przyczynami mającymi wpływ na trwałość przy wykonywaniu konstrukcji żelbetowych są: słaba jakość betonu wykonywanie konstrukcji w niesprzyjających warunkach atmosferycznych złe rozmieszczenie przerw roboczych przy betonowaniu brak zgodności wykonanego zbrojenia z projektem niezachowanie projektowanej grubości otuliny brak zabezpieczenia zbrojenia przed przemieszczeniem zbyt rzadkie rozmieszczenie elementów dystansowych zbrojenia zastosowanie nieodpowiedniego materiału na elementy dystansowe niewłaściwe zagęszczenie lub jego brak niewłaściwa pielęgnacja prowadzenie prac w czasie twardnienia betonu zbyt wczesne rozdeskowanie konstrukcji Prace zbrojarskie: Jedną z przyczyn niezgodności wykonanego zbrojenia z projektem jest brak wykwalifikowanych zbrojarzy-betoniarzy i zatrudnianie na tym stanowisku ludzi przypadkowych po krótkim, pobieżnym przeszkoleniu. Często zdarza się sytuacja iż pracownik po krótkim szkoleniu nie wie że obowiązkiem zbrojarza (a nie projektanta) jest uwzględnienie wydłużenia się prętów podczas gięcia i przeliczenia długości z zestawienia wykonanego przez projektanta. Wydłużenie prętów stalowych wskutek gięcia [cm] Średnica pręta Kąt odgięcia [mm] ,0 1,0 1,5 1,5 2,0 2,5 3,0 0,5 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 1, ,5 0,5 0,5 0,5 1,0

12 12 Elementy dystansowe: - dystansy punktowe betonowe/fibrobetonowe - dystansy liniowe betonowe/fibrobetonowe - plastikowe listwy dystansowe stropowe pod dolną siatkę zbrojenia - plastikowe podkładki dystansowe - metalowe elementy dystansowe najczęściej tzw. drabinki umieszczane pomiędzy dwiema siatkami zbrojenia

13 13 Układanie mieszanki betonowej Sposób układania mieszanki betonowej zależy od typu konstrukcji, konsystencji mieszanki i sposobu zagęszczania, które powodują, że sposób układania musi być z góry odpowiednio zaplanowany. Plan taki powinien zawierać: sposób wprowadzenia mieszanki do miejsca przeznaczenia, sposób układania, sposób zagęszczania, układ miejsc przerw roboczych i sposób wykończenia powierzchni betonu na okres przerwy roboczej, kolejność betonowania elementów lub ich fragmentów. Wymienione czynności są bardzo ważne, gdyż jednorodność mieszanki betonowej i jej stopień zagęszczenia wpływają na faktycznie uzyskane właściwości betonu. Odporność mieszanki betonowej na segregację Zagęszczanie mieszanki Celem procesu zagęszczania jest zwiększenie gęstości objętościowej betonu, poprzez usunięcie z ułożonej mieszanki betonowej powietrza.. Zagęszczanie jest jednym z głównych, oprócz projektowania składu, czynnikiem formowania struktury i kształtowania jakości (trwałości) betonu. Jednym z czynników kształtującym jakość betonu jest jego szczelność. Zarówno wytrzymałość jak i trwałość rosną ze wzrostem szczelności betonu. O trwałości betonu decyduje porowatość kapilarna (otwarta). Głównym czynnikiem powodującym powstawanie porowatości kapilarnej betonu jest wynikająca z warunku urabialności mieszanki betonowej ilość wody w świeżej mieszance betonowej. Oczywiście w przypadku stosowania domieszek chemicznych najnowszej generacji urabialność mieszanki nie jest już problemem.

14 14 Pogorszenie jednorodności następuje wskutek segregacji składników mieszanki. Ocenę efektu zagęszczania prowadzi się zwykle wizualnie, przyjmując zazwyczaj, że proces zagęszczania jest zakończony w momencie ukazania się na powierzchni uformowanego betonu zaczynu cementowego. W rezultacie, nawet, jeśli nie pojawiają się raki, to mamy do czynienia ze znacznymi rozrzutami wytrzymałości betonu w elementach i widocznym jego uwarstwieniem. Poważnym błędem technologicznym jest układanie mieszanki betonowej zbyt grubymi warstwami. Ogranicza to możliwość nie tylko skutecznego jej zagęszczenia, ale także kontrolowanego przewibrowania jej styku z niżej ułożoną warstwą. Rezultatem jest niejednorodność wykonanego betonu i zmienność jego właściwości, takich jak: wytrzymałość, mrozoodporność, wodoprzepuszczalność czy nasiąkliwość. Związek miedzy wytrzymałością na ściskanie betonu R, urabialnością mieszanki (W/C), i pracą dla jej zagęszczenia (s)

15 15 Pielęgnacja betonu Ogólnie przyjęte w technologii betonu definicje pielęgnacji betonu określają ją jako zabiegi podejmowane od chwili ułożenia i zagęszczenia mieszanki betonowej, mające na celu zapewnienie prawidłowego przebiegu procesów hydratacji cementu i w efekcie uzyskanie w określonym czasie betonu o wymaganych właściwościach. Zwraca się uwagę, że rozpoczęcie pielęgnacji wilgotnościowej betonu po upływie 1 doby od betonowania może być zbyt późne. Przy stosowaniu cementów obecnie produkowanych (zwłaszcza z indeksem R) oraz domieszek chemicznych należy pielęgnację mokrą rozpocząć tak szybko jak jest to możliwe ze względów technologicznych i technicznych. W niektórych przypadkach jest to możliwe nawet po 3 godzinach od betonowania (powierzchnia betonu miękka, ale pod uciskiem dłoni nie powstaje ślad). W takim przypadku stosuje się zraszanie mgłą wodną. Należy pamiętać aby nie polewać nigdy rozgrzanego betonu zimną wodą na wskutek czego może wystąpić szok termiczny a w wyniku uszkodzenia wierzchniej warstwy betonu. Zestawienie i porównanie cech technik pielęgnacji

16 16 Wpływ pozbawienia pielęgnacji wilgotnej próbek betonu na rozwój jego wytrzymałości: 1- dojrzewanie w silnej wilgoci 2- natychmiast po wykonaniu pozostawione w powietrzu o normalnej wilgotności(warunki powietrznosuche), 3- po 2 dniach wilgotnej pielęgnacji przełożone do warunków powietrznosuchych 4- po 7 dniach wilgotnej pielęgnacji przełożone do warunków powietrznosuchych Zależność pomiędzy rodzajem pielęgnacji a wytrzymałością na ściskanie i postępem karbonatyzacji Minimalna liczba polewań zalecana w zależności od temperatury

17 17 Rasumując: Ubytek wody lub niewłaściwie prowadzona pielęgnacja wywołują następujące negatywne skutki dla betonu: mniejszy przyrost wytrzymałości na ściskanie mniejszy przyrost wytrzymałości na rozciąganie większy skurcz plastyczny i powstawanie rys większą nasiąkliwość i przepuszczalność obniżoną mrozoodporność oraz odporność na ścieranie oraz wszelkie inne oddziaływania czynników zewnętrznych 3. Faza eksploatacji: Jest najmniej przewidywalną fazą. Najczęściej możemy spotkać się z następującymi negatywnymi przypadkami dla trwałości są: brak konserwacji obiektu, niefrasobliwe podejście ekip remontowo-budowlanych (ingerencja w konstrukcję, przyśpieszona korozja zbrojenia w wyniku styku zbrojenia z gipsem zastosowanym do łatania uszkodzeń itp) a także użytkowników, zmiana przeznaczenia konstrukcji: - zwiększenie obciążenia a w efekcie zarysowanie - zwiększona agresywność środowiska sytuacje wyjątkowe uderzenia pojazdów, wybuch gazu, itp. 4. Podsumowanie: Aby osiągnąć wymaganą trwałość konstrukcji, nie można pomijać znaczenia żadnej z wymienionych powyżej faz. Pominięcie lub zlekceważenie znaczenia którejkolwiek fazy spowoduje zniweczenie dążenia do zapewnienia trwałości konstrukcji. projektowanie TRWAŁOŚĆ eksploatacja wykonastwo

18 18 Literatura: Zygmunt Jamroży Beton i jego technologie wyd.ii Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 2003 A. M. Neville Właściwości betonu wyd. IV Polski Cement Kraków 2000 Andrzej Łapko Projektowanie konstrukcji żelbetowych Arkady 2005 Fagerlund G. Trwałość konstrukcji betonowych Arkady 1997 Praca zbiorowa pod kierunkiem prof. Lecha Czarneckiego Beton według normy PN-EN komentarz wydanie wspólne: Polski Komitet Normalizacyjny i Polski Cement 2004 Barbara Adamiec, Marek Adamiec Robory zbrojarskie i betoniarskie WSiP 1993 Lech Czarnecki, Peter H. Emmons Naprawa i Ochrona Konstrukcji Betonowych Polski Cement Kraków 2002r Piotr Woyciechowski, Anna Chudan Metody i środki pielęgnacji betonu w formach i "in situ" materiały konferencyne Ustroń 2002 PN-B-03264:2002 Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone obliczenia statyczne i projektowanie PKN 2004