BADANIA MATERIAŁÓW DO NAPRAW KONSTRUKCJI MOSTOWYCH

Transkrypt

1 GRAśYNA ŁAGODA, Instytut Dróg i Mostów, Wydział InŜynierii Lądowej, Politechnika Warszawska TOMASZ GAJDA, tgajda@ibdim.edu.pl Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Zakład Mostów BADANIA MATERIAŁÓW DO NAPRAW KONSTRUKCJI MOSTOWYCH TESTS OF REPAIR MATERIALS OF BRIDGE CONSTRUCTIONS Streszczenie Przyjęcie metodyki i rodzajów koniecznych badań materiałów naprawczych, gwarantujących bezawaryjność konstrukcji mostowych powinno koncentrować się na wytypowaniu i wykonaniu badań starzeniowych, które symulują zachowanie się materiału w czasie. Badaniem starzeniowym materiałów do naprawy betonu, które ocenia trwałą przyczepność do podłoŝa wykonanych warstw oraz zmianę właściwości wytrzymałościowych, jest badanie mrozoodporności w komorze klimatyzacyjnej. W artykule przedstawiono klasyfikację materiałów naprawczych oraz omówiono zakresy, metodykę I wymagania dla badań starzeniowych zapraw naprawczych wg PN-EN i badań starzeniowych, powszechnie stosowanych na rynku polskim, a opisanych w Zaleceniach IBDiM do udzielania Aprobat Technicznych Nr Z/ Abstract The methodology and the types of necessary tests of repair materials guaranteeing the reliability of bridge constructions should be to base on choice and the realization of investigations which was simulated of material behaviour in time. The test to hasten age of materials to repair of the concrete which estimates the durable adhesiveness to basis of executed layers and the change of mechanical property is the investigation of frost-resistant in the conditioning chamber. The above problem can be considered according to the procedure proposed in the PN-EN and in polish guidelines Zalecenia IBDiM do udzielania Aprobat Technicznych Nr Z/ Comparison of both methodologies was described in the paper. 1. Wstęp Z punktu widzenie uŝytkownika najwaŝniejszym czynnikiem, który powinien być brany pod uwagę przy ocenie skuteczności wykonanych napraw mostowych konstrukcji betonowych materiałami naprawczymi, jest jej trwałość. Przez trwałość naprawy naleŝy rozumieć zdolność naprawionej konstrukcji do zapewnienia właściwości uŝytkowych, nie gorszych niŝ przed uszkodzeniem, gwarantującą bezawaryjność w przyjętym okresie uŝytkowania, przy minimalizacji kosztów jej utrzymania. W większości wypadków oceniamy, czy materiał naprawczy dobrze jest zespolony z naprawianą konstrukcją oraz czy charakteryzuje się odpowiednimi właściwościami wytrzymałościowymi w czasie. JeŜeli tak, to uznajemy, Ŝe materiał jest odpowiedni i prace zostały wykonane prawidłowo. JeŜeli wykonana warstwa odpadnie lub powstaną w niej uszkodzenia, (np. w postaci ubytków lub spękań) to znaczy, Ŝe przyjęta technologia lub materiały są nieodpowiednie. Trudność oceny wynika z faktu, Ŝe nie interesuje nas przyczepność doraźna i doraźne właściwości wytrzymałościowe, czyli przyczepność do podłoŝa, jaką wykazuje

2 1128 Łagoda G. i inni: Badania materiałów do napraw konstrukcji mostowych materiał bezpośrednio po wykonaniu warstwy i wytrzymałości zazwyczaj po 28 dniach twardnienia. Z tym zwykle nie ma problemu. Kłopot w tym, Ŝe musimy ocenić przyczepność trwałą, czyli przyczepność, którą będzie istniała między zastosowanym materiałem i naprawianą konstrukcją po kilkunastu lub kilkudziesięciu latach oraz zmianę w tym czasie właściwości wytrzymałościowych materiału. W związku z tym przy przyjęciu metodyki i rodzajów koniecznych badań materiałów naprawczych, gwarantujących bezawaryjność konstrukcji mostowych, powinniśmy koncentrować się na wytypowaniu i wykonaniu badań starzeniowych, które symulują zachowanie się materiału w czasie. Pojawienie się norm serii PN-EN 1504 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych [1], w tym standardu PN-EN Naprawy konstrukcyjne i niekonstrukcyjne [2], dotyczącego zapraw naprawczych, miało wskazać typy badań starzeniowych, dzięki którym zostanie rozwiązany problem oceny przyczepności trwałej i zmian w czasie właściwości wytrzymałościowych zapraw. Porównanie i analiza zakresów, metodyki oraz wyników uzyskanych podczas wykonywania badań starzeniowych zapraw naprawczych wg PN-EN i badań starzeniowych, powszechnie stosowanych na rynku polskim, a opisanych w Zaleceniach IBDiM do udzielania Aprobat Technicznych Nr Z/ [3], pozwala na wyciągnięcie pewnych spostrzeŝeń co do skuteczności (miarodajności) metod badawczych, stosowanych przy wykonywaniu badań starzeniowych [4]. 2. Klasyfikacja materiałów do napraw Obecnie do napraw mostowych elementów konstrukcyjnych dysponujemy wieloma materiałami, róŝniącymi się przeznaczeniem i składem [5]. Materiały do naprawy betonowych konstrukcji mostowych są stosowane w szczególności do: wypełniania w elementach nośnych ubytków, które powstały na skutek uszkodzeń mechanicznych oraz spowodowanych korozją; wykonywania warstw wyrównawczych na płytach pomostów obciąŝonych ruchem kołowym lub pieszym; wykonywania reprofilacji oraz wyrównywania (szpachlowania) powierzchni elementów nośnych z betonu; wymiany uszkodzonych elementów konstrukcyjnych. W zaleŝności od rodzaju zastosowanych spoiw moŝemy wyróŝnić trzy grupy materiałów do napraw betonowych konstrukcji mostowych. Są to: zaprawy i betony hydrauliczne typu CC (Concrete Cement), powstające przez zmieszanie spoiwa hydraulicznego z frakcjonowanym kruszywem, mogące zawierać domieszki i dodatki, które po zmieszaniu z wodą twardnieją w wyniku reakcji hydratacji; zaprawy i betony polimerowo-cementowe (Polymer Concrete Cement), powstające przez zmieszanie spoiwa hydraulicznego, modyfikowanego polimerami z frakcjonowanym kruszywem, mogące zawierać domieszki i dodatki, które po zmieszaniu z wodą albo płynem zarobowym twardnieją w wyniku reakcji hydratacji. Najczęściej stosowane polimery to: Ŝywice akrylowe, metakrylowe lub modyfikowane akrylowe w postaci rozpuszczalnych proszków lub dyspersji wodnych, polimery, kopolimery i terpolimery winylowe w postaci rozpuszczalnych proszków lub dyspersji wodnych; kauczuk styrenowo-butadienowy tylko w postaci dyspersji wodnych; naturalne lateksy kauczukowe; epoksydy; zaprawy i betony polimerowe PC (Polymer Concrete), powstające przez zmieszanie

3 Materiałowe aspekty awarii i napraw konstrukcji 1129 mieszanki spoiw polimerowych i kruszywa, utwardzające się w wyniku reakcji polimeryzacji. Wśród materiałów naprawczych (zapraw) do napraw betonowych konstrukcji mostowych z punktu widzenia zastosowania moŝemy wyodrębnić: zaprawy szpachlowe, tj. zaprawy przeznaczone do układania warstwami o grubości od 0 do 5 mm; zaprawy naprawcze, tj. zaprawy przeznaczone do układania warstwami o grubości do 4 cm; zaprawy szybkosprawne, charakteryzujące się bardzo szybkim przyrostem wytrzymałości, np. zaprawy przeznaczone do tamowania przecieków w tunelach, osadzania pokryw włazów kanałowych itp.; zaprawy specjalne o nietypowych właściwościach, przeznaczone do szczególnych zastosowań, np. do wykonywania podlewek pod łoŝyska, zaprawy samozagęszczalne itd.. Zgodnie z normą PN-EN w zaleŝności od wymagań uŝytkowych dzielimy materiały naprawcze na dwie grupy: grupę napraw niekonstrukcyjnych, w której wyróŝniamy materiały klasy R1 i R2; grupę napraw konstrukcyjnych, w której wyróŝniamy materiały klasy R3 i R4. Głównym kryterium przyporządkowującym materiał naprawczy do danej klasy wg PN-EN jest jego wytrzymałość na ściskanie. Zgodnie z tym kryterium wytrzymałość na ściskanie materiałów naprawczych danej klasy powinna wynosić co najmniej: 10 MPa w wypadku klasy R1; 15 MPa w wypadku klasy R2; 25 MPa w wypadku klasy R3; 45 MPa w wypadku Klasy R4. Mostowe konstrukcje betonowe wykonane są w Polsce zazwyczaj z betonu klasy od C25/30 do C50/60 wg PN-EN W związku z tym przy wykonywaniu napraw za pomocą materiałów naprawczych naleŝy stosować materiały naprawcze klasy R3 lub R4. 3. Badania starzeniowe materiałów naprawczych Badaniem starzeniowym materiałów do naprawy betonu, mającym na celu ocenę trwałej przyczepności do podłoŝa wykonanych warstw i zmianę właściwości wytrzymałościowych, powszechnie stosowanym w Polsce od kilkudziesięciu lat, jest badanie mrozoodporności w komorze klimatyzacyjnej. Badanie mrozoodporności materiałów naprawczych było wykonywane na początku zgodnie z PN-B Zaprawy budowlane Badania cech fizycznych i wytrzymałościowych i obejmowało 50 cykli zamraŝania i odmraŝania wodzie. W związku z pojawianiem się na rynku polskim pod koniec lat dziewięćdziesiątych materiałów naprawczych typu PCC wydłuŝono liczbę cykli do 150, zrównując ją ze standardowymi wymaganiami betonu (F150) wg normy PN-88/B Beton zwykły. Obecnie wykonywane prace badawcze są zmodyfikowanymi badaniami mrozoodporności betonu według normy PN-88/B-06250, w których przyjęto następujące warunki: zmiany temperatury od -18 C ± 2 C do +18 C ± 2 C, rozmraŝanie próbek w wodzie, zamraŝanie próbek nasączonych wodą, ale po spuszczeniu wody z komory, liczbę cykli zamraŝania i odmraŝania 200, (do roku 2008 przyjmowano liczbę cykli zamraŝania i odmraŝania 150; zwiększenie liczby cykli nastąpiło w wyniku dyskusji prowadzonych przy opracowywaniu w IBDiM projektu nowego rozporządzenia o warunkach technicznych, jakim mają dopowiadać obiekty mostowe).

4 1130 Łagoda G. i inni: Badania materiałów do napraw konstrukcji mostowych W wyniku badania mrozoodporności materiałów naprawczych oznacza się wytrzymałość na odrywanie od podłoŝa metodą pull-off oraz mrozoodporność (ubytek masy, spadek wytrzymałości na zginanie i spadek wytrzymałości na ściskanie). Dla oznaczania wytrzymałości na odrywanie (przyczepności) zapraw naprawczych z uwzględnieniem mrozoodporności, zaprawy są układane na płytach z betonu klasy co najmniej C25/30, o wymiarach co najmniej cm. Do badania są przygotowywane dwie płyty, na których układa się materiał naprawczy lub zestaw materiałów (system naprawczy). Po sezonowaniu jedna płyta jest poddawana badaniu mrozoodporności, a druga jest przechowywana w laboratorium. Po ukończeniu wymaganej liczby cykli zamraŝania i odmraŝania, zazwyczaj jest to 200 cykli, na obu płytach są naklejane krąŝki o średnicy φ50 mm i badana jest przyczepność ułoŝonej warstwy do podłoŝa metodą pull-off. Pomiar przyczepności do podłoŝa wykonywany jest zgodnie z procedurą badawczą IBDiM PB/TM- 1/6 Pomiar przyczepności przez odrywanie lub zgodnie normą PN-EN 1542:2000. Podstawowe kryteria oceny przyczepności badanej zaprawy naprawczej są następujące: wartość średnia doraźnej przyczepności zaprawy naprawczej do podłoŝa, czyli wartość przyczepności materiału nie poddanego badaniu mrozoodporności nie powinna być niŝsza od 2,0 MPa (w wypadku zapraw szpachlowych 1,5 MPa); wartość średnia przyczepności do podłoŝa materiału poddanego badaniu mrozoodporności nie powinna być niŝsza od 1,5 MPa (w wypadku zapraw szpachlowych 1,2 MPa). Oznaczenie mrozoodporności (ubytku masy, spadku wytrzymałości na zginanie i na ściskanie), pozwalające ocenić zmianę właściwości wytrzymałościowych materiału przeznaczonego do naprawy i reprofilacji betonu w czasie, opisane jest w procedurze badawczej IBDiM PB/TM-1/12 Badanie mrozoodporności zapraw budowlanych. Procedura ta jest zmodyfikowanym badaniem mrozoodporności betonu według normy PN-88/B Z badanych materiałów naprawczych są formowane próbki w postaci beleczek o wymiarach cm w liczbie 12 sztuk. Po sezonowaniu wszystkie beleczki nasącza się do stałej masy, a następnie sześć beleczek jest poddawanych badaniu mrozoodporności w komorze klimatyzacyjnej, a 6 przechowywanych w naczyniu wannowym w wodzie. Po ukończeniu wymaganej liczby cykli zamraŝania i odmraŝania, zazwyczaj jest to po 200 cyklach, wszystkie beleczki są waŝone oraz badane na zginanie i ściskanie wg PN-EN Kryterium oceny mrozoodporności zapraw jest następujące: spadek wytrzymałości na ściskanie nie powinien przekroczyć 20%; spadek wytrzymałości na zginanie nie powinien przekroczyć 20%; ubytek masy nie powinien przekroczyć 5%. Na rys. 1 pokazano beleczki wykonane z zaprawy naprawczej, które pozytywnie przeszły 200 cykli zamraŝania i rozmraŝania, a na rys. 2 beleczki uszkodzone w czasie badania mrozoodporności w komorze klimatyzacyjnej podczas 200 cykli zamraŝania i odmraŝania.

5 Materiałowe aspekty awarii i napraw konstrukcji 1131 Rys. 1. Beleczki wykonane z zaprawy naprawczej, które pozytywnie przeszły 200 cykli zamraŝania i rozmraŝania Rys. 2. Beleczki uszkodzone w czasie badania mrozoodporności w komorze klimatyzacyjnej podczas 200 cykli zamraŝania i odmraŝania Oba opisane powyŝej badania starzeniowe są zgodne z [3], a spełnienie wymagań postawionych dla tych badań przez materiały naprawcze stanowi główne kryterium przy udzielaniu Aprobat Technicznych IBDiM. Wprowadzenie do stosowania serii norm PN-EN 1504 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych, w tym części PN-EN Naprawy konstrukcyjne

6 1132 Łagoda G. i inni: Badania materiałów do napraw konstrukcji mostowych i niekonstrukcyjne miało m.in. za zadanie uporządkowanie i dostosowanie do obecnego stanu wiedzy zakresu badań i wymagań dla materiałów naprawczych. Według [2] w badaniach i ocenie materiałów do naprawy betonu trwałą przyczepność do podłoŝa wykonanych warstw moŝna ocenić po wykonaniu następujących badań, dotyczących kompatybilności cieplnej (nazwa wg PN-EN ): oznaczanie odporności na cykliczne zamraŝanie i odmraŝanie wg PN Zamra- Ŝanie jest prowadzone w roztworze nasyconym soli, w temp. -15 C przez 2 godz., odmraŝanie jest prowadzone w wodzie, w temp. 21 C (50 cykli); oznaczanie odporności na zraszanie wg PN EN ; (cykliczny efekt burzy tzw. szok cieplny) przechowywanie jest prowadzone w powietrzu, w temp. 60 C przez 5 godz. 45 min, zraszanie jest wykonywane wodą o temp. 12 C przez 15 min (30 cykli); oznaczanie odporności na cykle suszenia wg PN EN ; (cykle termiczne na sucho) chłodzenie od temp. 21 C do temp. -25 C przez 15 min, zamraŝanie, w temp. 25 C przez 153 min, ogrzewanie do temp. 55 C przez 27 min. Wygrzewanie w temp. 55 C przez 153 min, chłodzenie do temp. 21 C przez 12 min. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe jeśli materiał spełnia wymagania odnośnie zamraŝania i rozmraŝania w nasyconym roztworze NaCl wg PN-EN , to uznaje się, Ŝe spełnia takŝe wymagania dla dwóch pozostałych badań. Ponadto w związku z tym, Ŝe (wg [6]) jeśli uzyskamy pozytywny wynik badania odporności na cykliczne zamraŝanie i odmraŝanie, to moŝna pominąć badania odporności na zraszanie wg PN EN i odporności na cykle suszenia wg PN EN Badania te stają się badaniami dodatkowymi, wykonywanymi sporadycznie. W wypadku oznaczania odporności na cykliczne zamraŝanie i odmraŝanie wg PN-EN materiał naprawczy nanosi się na próbkę do badania z betonu wzorcowego, przygotowaną zgodnie z PN-EN Po sezonowaniu próbkę do badania poddaje się cyklicznym gwałtownym zmianom temperatury między (21±2) C a (-15±2) C, łącznie z zanurzeniem w nasyconym roztworze soli odladzającej. Po cyklach zmian temperatury rejestruje się widoczne uszkodzenia i oznacza się przyczepność przez odrywanie materiału lub systemu naprawczego od podłoŝa betonowego. Do kaŝdego badania niezbędne są trzy betonowe próbki, przy czym jedna stanowi próbkę odniesienia. Po przygotowaniu próbek do badania, dwie z nich naleŝy zanurzyć w wodzie na 24 h. Następnie rozpoczyna się cykl badania przedstawiony na rysunku 3. Wykonuje się 50 cykli. Jeden cykl trwa 4 h i składa się z następujących etapów: zanurzenie w pojemniku zawierającym nasycony roztwór chlorku sodu w temperaturze (-15±2) C przez 2 h; przechowywanie w pojemniku z wodą w temperaturze (21 ± 2) C przez 2 h. Po wykonaniu powyŝszego badania (tj. 50 cykli) oznacza się przyczepność wykonanej warstwy. Przyczepność materiałów naprawczych do napraw konstrukcyjnych powinna wynosić co najmniej: 1,5 MPa dla zapraw o wytrzymałości doraźnej na ściskanie powyŝej 25 MPa (zaprawy klasy R3 wg PN-EN ); 2,0 MPa dla zapraw o wytrzymałości doraźnej na ściskanie powyŝej 45 MPa (zaprawy klasy R4 wg PN-EN ).

7 Materiałowe aspekty awarii i napraw konstrukcji [h] 11 - CYKLE ZANURZENIA W ROZTWORZE NASYCONYM NaCl W TEMP. (-15 ± 2 C] - CYKLE ZANURZENIA W WODZIE W TEMP. (21 ± 2 C) Rys. 3. Przebieg cykli zamraŝanie i odmraŝanie w nasyconym roztworze soli odladzającej wg [6] 4. Wnioski Nowe podejście wg normy PN-EN w stosunku do badań starzeniowych miało wyznaczyć standard w badaniach starzeniowych materiałów naprawczych. Według normy PN-EN w badaniach i ocenie materiałów do naprawy betonu trwałą przyczepność do podłoŝa wykonanych warstw moŝna określić po wykonaniu badań starzeniowych, dotyczących kompatybilności cieplnej. Podstawowym badaniem kompatybilności cieplnej jest nowa metoda badawcza, polegająca na oznaczaniu odporności na cykliczne zamraŝanie i odmraŝanie w nasyconym roztworze NaCl, która dotąd nie była znana większości producentów materiałów naprawczych. Badania starzeniowe, wymienione w normie PN-EN są ukierunkowane głównie na materiały naprawcze, stosowane w budownictwie ogólnym, gdzie mamy do czynienia z pracą konstrukcji, która z jednej strony jest zazwyczaj ogrzewana, a z drugiej poddana działaniu czynników klimatycznych. W budownictwie mostowym cała konstrukcja jest poddana działaniu zewnętrznych czynników klimatycznych. Norma PN-EN pomija oznaczanie właściwości wytrzymałościowych (wytrzymałości na ściskanie i zginanie) zapraw po badaniu odporności na zamraŝanie i rozmraŝanie w nasyconym roztworze NaCl jak i po dwóch pozostałych w/w badaniach starzeniowych. NaleŜy takŝe wspomnieć, Ŝe badanie wytrzymałości próbek na zginanie zostało pominięte w normie PN-EN nawet jako badanie doraźne. Doświadczenia z przeprowadzonych dotąd porównań zapraw naprawczych, pod kątem badań starzeniowych, spełniających wymagania normy PN-EN z wymaganiami opisanymi w Zaleceniach IBDiM do udzielania Aprobat Technicznych Nr Z/

8 1134 Łagoda G. i inni: Badania materiałów do napraw konstrukcji mostowych wskazują, Ŝe nie wszystkie zaprawy spełniające wymagania normy PN-EN są zgodne z wymaganiami opisanymi w Zaleceniach IBDiM. Uzyskane dotychczas wyniki potwierdzają pośrednio opisaną w literaturze [7] zaleŝność stęŝenia środków odladzających i ich wpływu na uszkodzenia betonu. W wypadku działania soli odladzających (NaCl lub CaCl 2 ) największe uszkodzenia mrozowe występują, gdy beton jest naraŝony na stosunkowo niskie koncentracje soli (roztwory od 2 do 4%). Natomiast im większe stęŝenia soli, tym ich wpływ jest mniejszy. Metodyka i rodzaje koniecznych badań materiałów naprawczych gwarantujących bezawaryjność konstrukcji mostowych powinny w głównej mierze opierać się na badaniach starzeniowych, symulujących zachowanie się materiałów naprawczych w czasie. W warunkach polskich liczba cykli przejść przez 0 C, a więc cykli zamraŝania i odmraŝania, w ciągu roku wynosi około 100. Badaniem, które pozwala ocenić zmianę właściwości wytrzymałościowych materiału przeznaczonego do naprawy i reprofilacji betonu naprawczego w czasie jest badanie mrozoodporności. Podstawowymi badaniami starzeniowymi na bazie badania mrozoodporności, które powinny być wykonywane dla materiałów naprawczych w warunkach polskich powinny być: oznaczenie wytrzymałość na odrywanie od podłoŝa metodą pull-off po 200 cyklach zamraŝania i odmraŝania w wodzie, w temp.: -18±2 C / +18±2 C; oznaczenie mrozoodporność po 200 cyklach zamraŝania i odmraŝania w wodzie, w temp.: -18±2 C / +18±2 C (ubytku masy, spadku wytrzymałości na zginanie i spadku wytrzymałości na ściskanie). Wykonanie powyŝszych badań pozwala ocenić materiały do naprawy betonu pod kątem trwałej przyczepności wykonanych z nich warstw do podłoŝa oraz zmianę ich właściwości wytrzymałościowych w czasie, czyli pozwolić ocenić trwałość i skuteczność wykonanych za ich pomocą prac naprawczych. Literatura 1. PN-EN 1504 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych. 2. PN-EN :2006 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych Definicje, wymagania, sterowanie jakością i ocena zgodności Część 3: Naprawy konstrukcyjne i niekonstrukcyjne. 3. Germaniuk K, Gajda T, Królikowska A.: Zlecenia IBDiM Udzielania Aprobat Technicznych Nr Z/ Wyroby i systemy do napraw konstrukcji betonowych, Wydanie II, IBDiM, Warszawa, Germaniuk K.: Uwagi mostowca do normy PN-EN Artykuł dyskusyjny. Materiały budowlane Nr 2/2009, s Germaniuk K.: Doświadczenia w zakresie stosowania materiałów do napraw i reprofilacji betonu oraz zabezpieczenie obiektów mostowych metodą hydrofobizacji w Polsce. Międzynarodowa konferencja Nowoczesne systemy ochrony antykorozyjnej obiektów mostowych, Kielce 2009, s PN-EN :2008 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych Metody badań Oznaczanie kompatybilności cieplnej Część 1: Cykliczne zamraŝanie-rozmraŝanie przy zanurzeniu w roztworze soli odladzającej. 7. Neville A.M..: Właściwości betonu, Polski Cement, Kraków 2000.