INśYNIERIA MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH. Rok akademicki 2008/2009. dr hab. inŝ. Andrzej Garbacz, mgr inŝ. Tomasz Piotrowski ADHEZJA

Transkrypt

1 INśYNIERIA MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH Rok akademicki 2008/2009 dr hab. inŝ. Andrzej Garbacz, mgr inŝ. Tomasz Piotrowski ADHEZJA Politechnika Warszawska, Wydział InŜynierii Lądowej Kohezja (łac. cohesio-spójność) - właściwość ciał, polegająca na przeciwstawianiu się rozdzielaniu ich na części. Jej źródłem są oddziaływania między atomami lub cząsteczkami tych ciał. Największą kohezję wykazują ciała stałe, znacznie mniejszą ciecze, a prawie zupełny jej brak gazy. Dekohezja - efekt działania sił przeciwnych oddziaływaniom międzycząsteczkowym lub międzyatomowym i powodujących rozdzielenie danego ciała na części 1

2 Adhezja (łac. adhesio - sczepianie), łączenie się ze sobą powierzchniowych warstw róŝnych ciał lub faz (stałych lub ciekłych); występuje między innymi przy klejeniu, spawaniu, malowaniu, itp. Przyczepność techniczna miara adhezji - siła, z jaką naleŝy działać na połączenie adhezyjne aby je zniszczyć. Wartość przyczepności, w przeciwieństwie do adhezji, jest róŝna zaleŝnie od metody badania a) b) c) d) podłoŝe betonowe kompozyt naprawczy płytki stalowe RóŜne metody oznaczania przyczepności zaleŝnie od kształtu próbek i stosowanego obciąŝenia: a) przy rozciąganiu, b) ścinaniu, c) rozciąganiu przez klinowe rozłupywanie, d) próbki z ubytkiem trapezowym i prostokątnym do badania zespolenia w uzupełnieniach lokalnych pręt stalowy 2

3 Metoda PULL-OFF φ50 P m ateriał naprawczy - podłoŝe betonowe 15 mm A1 A2 A3 15 mm A A /B B 3

4 4 Effect of inaccurate coring Angle of inclination=0 O Pull-off bond strength [N/mm 2 ] O 10 O 15 O 20 O y=cored depth [mm] Percentage decrease of bond strength [N/mm 2 ] 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% y=cored depth [mm] 5 degree 10 degree 15 degree 20 degree 2 degree 4 degree 4

5 5,0 Wytrzymałość przy odrywaniu metodą pull-off 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 Posadzka Ŝywiczna o grubości : 1,5 1,0 Floor 2mm 0,5 Floor 5mm 0,0 H 0mm 7mm 15mm 25mm Concrete: B15 H 0mm 7mm 15mm 25mm Concrete: B30 H 0mm 7mm 15mm 25mm Concrete: B60 Floor 10mm Grubość nacięcia podkładu P 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 Posadzka mineralna o grubości : 1,5 1,0 Floor 5mm 0,5 Floor 15mm 0,0 h 7mm 25mm 0mm 15mm Concrete: B15 h 7mm 25mm 0mm 15mm Concrete: B30 h 7mm 25mm 0mm 15mm Concrete: B60 Floor 30mm Grubość nacięcia podkładu P 5

6 ADHEZJA MECHANICZNA WŁAŚCIWA Adsorpcyjna (fizyko-chemiczna) Elektrostatyczna Dyfuzyjna Siły wiązań chemicznych Siły wiązań międzycząsteczkowych Van der Waalsa Wodorowe Dipolowe Indukcyjne Dyspersyjne Kowalencyjne Teoria fizyko-chemiczna (adsorpcji) - zjawisko adsorpcji fizycznej i chemicznej. Adsorpcja fizyczna zachodzi w przypadku wystąpienia sił dipolowych, indukcyjnych i dyspersyjnych (siły van der Waalsa). < 1 nm Adsorpcja chemiczna powstawanie wiązań chemicznych (najczęściej kowalencyjne - uwspólnienia pary elektronów ) 6

7 Teoria elektrostatyczna Powierzchnie obu materiałów tworzą duŝe, naładowane elektrycznie warstwy, przyciągające się podobnie jak okładziny kondensatora. Następuje przechodzenie elektronów z jednego materiału na drugi w następstwie czego warstwa graniczna jednego partnera staje się uboŝsza, drugiego zaś bogatsza w elektrony. Prowadzi to do powstania podwójnej warstwy elektrycznej Przepływ elektronów Teoria dyfuzyjna stosowana jest głównie do opisu kształtowania przyczepności polimerów np. polietylenu, polistyrenu. Przy zetknięciu polimerów mieszalnych moŝe wystąpić dyfuzja cząsteczek lub ich fragmentów z jednego partnera w głąb splotu cząsteczek drugiego. Dyfuzja rośnie wraz ze wzrostem temperatury, ciśnienia i czasu nie zaleŝnie od tego czy działają oprócz niej wiązania kowalencyjne, siły międzycząsteczkowe, czy teŝ tworzą się zakotwiczenia mechaniczne 7

8 Termodynamiczna teoria adhezji - Analizie układu ciało stałe ciecz - podstawowym warunkiem adhezji - dobre zwilŝanie ciała stałego przez ciecz - kryterium oceny procesu zwilŝania współczynnik zwilŝania (S): gdzie: S = W a 2 l W a - praca adhezji, γ l - swobodna energia powierzchniowa cieczy zwilŝającej. Zgodnie z teorią zwilŝanie zachodzi gdy S>0 γ l,g Faza g l,g GAZ (V) γ SV γ LV θ γ SL s,g Faza l s,g s,l s,l W = γ ( 1 cosθ ) W a SL + LV Liquid 2. Solid surface 3. Moving support 4. Light source 5. Light wave 6. Microscope Liquids Cement paste Supports cement paste + hydrophobic treatment Limestone 20 sec. 2 min. 20 sec. 2 min. 20 sec. 2 min. I II III IV V VI VII VIII Water

9 ZWILśALNOŚĆ stress concentration factor contact angle θ, degrees Zisman W.A. Teoria a rzeczywistość Zadowalający opis adhezji w przypadku połączeń adhezyjnych wykonywanych pomiędzy tworzywami sztucznymi, metalami DuŜe rozbieŝności w przypadku wykonywania połączeń z podłoŝem betonowym Siły van der Waalsa Siły adhezji (N/mm2) Teoretyczne orientacyjne indukcyjne dyspersyjne wiązania wodorowe około 500 wyniki badań

10 Adhezja L.Courard & A.Garbacz właściwa mechaniczna oddziaływania fizykochemiczne oddziaływania termodynamiczne Dobra zwilŝalność wiązania chemiczne warunek 1 : zwilŝalność Zła zwilŝalność warunek 2 : oddziaływania fizykochemiczne Warunek 3: jakość podkładu betonowego (wpływ obróbki powierzchniowej) profil geometryczny profil rzeczywisty profil efektywny Modyfikacja właściwości warstwy wierzchniej: Impregnacja / hydrofobizacja Powłoki malarskie Powłoki grubowarstwowe Zaprawy naprawcze Czynniki wpływające na adhezję: warstwa wierzchnia materiał powłokowy skład chemiczny zanieczyszczenia, wilgoć wytrzymałość mechaniczna mikrorysy rozwinięcie powierzchni porowatość zwilŝalność lepkość właściwości mechaniczne powłoki po utwardzeniu istotność charakterystyka podłoŝa betonowego cechy podkładu bet. mikrozarysowanie wilgotność chropowatość czystość wstępne zwilŝenie nałoŝenie materiału naprawczego warstwy sczepne cechy mat. napr. pielęgnacja systemu naprawczego technika układania zagęszczenie pięlęgnacja czas wczesne obciąŝenie zmęczenie oddziaływania środ. Sifwerbrand,J. 10

11 CELE STOSOWANIA OBRÓBKI POWIERZCHNIOWEJ Estetyka kolor tekstura brak przezroczystości moŝliwość czyszczenia antygrafiti zdolność odbicia światła antygrzybiczność Odporność chemiczna siarczany kwasy zanieczyszczenia chemiczne: produkty produkcji przemysłowej, browarnianej, mleczarskiej, itp. Odporność fizykomechaniczna mrozoodporność krystalizacja soli abrazja uderzenie zwiększenie tarcia (antypoślizgowość) odporność termiczna (przeciwpoŝarowa) Kontrola wnikania chlorki* ) CO 2 * ) tlen* ) woda para wodna kontrola wilgotności: suszenie, korozja alkaliczna metan, radon Zwiększenie przyczepności oczyszczenie uszorstnienie usunięcie fragmentów betonu Jakość podkładu betonowego - odspojenie, - czystość, - szorstkość, - wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie, - zawilgocenie, - inne WYBÓR METODY Wymagania systemu naprawczego - czystość - szorstkość - zwilŝalność - zawilgocenie - inne (w zaleŝności od rodzaju materiału powłoki) Wymagania uŝytkownika dotyczące uciąŝliwości obróbki (hałas, wibracje, itp.) oraz kosztu Warunki stosowania ograniczenia powstawania kurzu, mazi, wody oraz ich utylizacja 11

12 MECHANIZMY OBRÓBKI POWIERZCHNIOWEJ A Erozja Rozpylanie Uderzenie Ekspansja ciśnieniowa ścieranie parą wodną D C E erozja wodna wodą B agresywność obróbki F METODY OBRÓBKI POWIERZCHNIOWEJ: metody mechaniczne (szlifowanie, frezowanie, piaskowanie, śrutowanie, szczotkowanie, zastosowanie młotów pneumatycznych) metoda hydrauliczna ( obróbka powierzchni strumieniem wody pod ciśnieniem) metody ręczne (obróbka powierzchni młotkiem murarskim, dłutem, szczotką drucianą) metoda termiczna (obróbka płomieniem palnika acetylenowo-tlenowego, obróbka wiązką laserową) metoda chemiczna (wytrawianie powierzchni kwasem solnym lub azotowym) 12

13 PIASKOWANIE: przygotowanie powierzchni pionowych, poziomych i sufitowych, a takŝe na czyszczenie zbrojenia, w przypadku napraw Ŝelbetu Efektywność piaskowania: prędkość strumienia powietrza, granulacja piasku, kąt ustawionia dysza w stosunku do powierzchni. Wady: duŝa ilość pyłu, duŝy hałas SZLIFOWANIE: usuwanie cienkich warstw skorodowanego betonu (do kilku mm), zanieczyszczenia takie jak farby, oleje, mleczko cementowe, wygładzania zbyt chropowatych powierzchni; nie powoduje zbyt duŝych zmian w strukturze podkładu betonowego WyposaŜenie w odkurzacze - roboty bezpyłowe. Powierzchnia jest gotowa do nakładania materiałów naprawczych. Stopień chropowatości powierzchni uzaleŝniony od rodzaju zastosowanych tarcz szlifierskich, zazwyczaj 3-4 mm. Wady: duŝy hałas, szlifowanie tylko na powierzchniach poziomych; przy uŝyciu szlifierek ręcznych moŝna obrabiać takŝe niewielkie, trudnodostępne powierzchnie pionowe i sufitowe. 13

14 SZCZOTKOWANIE: szczotki z włosiem: - stalowym (do usuwania cienkich warstewek zaprawy cementowej,skarbonatyzowanego betonu, zanieczyszczeń, nalotów, a takŝe mleczka cementowego i luźnych kawałków odspojonego betonu) -włosiem z tworzyw sztucznych (czyszczenie betonu) Metoda stosunkowo delikatna i nie powoduje duŝych zmian w strukturze podkładu betonowego Szczotki stalowe są montowane na urządzeniach przejezdnych lub na wiertarkach ręcznych. FREZOWANIE: Stopień chropowatości powierzchni uzaleŝniony od frezów i rodzaju frezarki. -frezy na wale - podłuŝne rowki, -frezy na krąŝkach brak kierunkowości. Zainstalowane odkurzacze odciągają pył i fragmenty odspojonego betonu. Wady: metoda głośna, obrabianie powierzchni poziomych, powaŝne zmiany w warstwie wierzchniej A B 14

15 ŚRUTOWANIE: Grubość usuwanej warstwy zaleŝy od średnicy śrutu i czasu prowadzonej obróbki. Parametry dobierane przez pracowników wykonujących roboty Przygotowywania duŝych powierzchni - śrutownice przejezdne wyposaŝone w odkurzacze odsysające pył i odspojone fragmenty betonu Wady: mikropęknięcia i rysy; metoda bezkurzowa ale bardzo głośna; do obrabiania powierzchni poziomych; wywołuje iskrzenie - nie moŝna prowadzić robót w miejscach zagroŝonych wybuchem FREZOWANIE: celowe w robotach wymagających usunięcia grubych warstw betonu (większych od 1 cm); usuwanie betonu na powierzchniach poziomych, pionowych i sufitowych. Powierzchnia bardzo chropowata, nieregularne piki i wgłębienia - 4-5mm Wady: głębokie rysy i spękania w podkładzie betonowym; moŝliwe uszkodzenia prętów -niezalecana do napraw konstrukcji, w których wymaga się zachowanie ciągłości zbrojenia 15

16 OBRÓBKA HYDRODYNAMICZNA: typy obróbki: czyszczenie przy niskim ciśnieniu, usuwa zabrudzenia kurz i luźne kawałki betonu, usuwanie zaprawy cementowej, mleczka cementowego, z pozostawieniem na powierzchni odsłoniętego kruszywa grubego, usuwanie betonu z pozostawieniem zbrojenia - ciśnienie < 300MPa, usuwanie fragmentów betonu wraz ze zbrojeniem - ciśnienie > 300MPa, cięcie betonu oraz wiercenie otworów. TERMICZNA Głębokość oddziaływania płomienia zaleŝy od czasu obróbki, regulacji temperatury płomienia, i sięga kilku mm. Palnik moŝe być równieŝ wykorzystywany do osuszania powierzchni betonu Metoda chemiczna: Wykorzystuje roztwory kwasów azotowego i solnego do wytrawiania skorodowanego betonu. Preparaty nakłada się na beton, następuje pienienie, zmycie kiedy piana opadnie naleŝy powierzchnię dokładnie zmyć strumieniem wody pod ciśnieniem i usunąć od spojone fragmenty betonu 16

17 Klasyfikacja wpływu obróbki na jakość powierzchni podkładu betonowego wg RILEM TC-193 Bonded overlays Typ obróbki Szlifowanie Piaskowanie śrutowanie Płomieniowa Frezowanie Hydrodynamiczn a Młoty pneumatyczne Głębokość oddziaływania Nie Nie Nie Tak Tak Tak Selektywność Nie Nie Nie Nie Tak Nie Wady i zalety Usuwa luźno związane fragmenty betonu, powoduje powstanie kurzu Brak rys, brak pyłu nie selektywna Skuteczna przy usuwaniu powierzchniowych zanieczyszczeń i powłok malarskich, możliwość uszkodzenia zbrojenia, powstawanie dymu i gazów Dobra przyczepność jeśli powierzchnia spłukana strumieniem wody Duża efektywność, nie powoduje uszkodzenia zbrojenia i warstwy betonu, konieczność zabezpieczenia odpowiedniej ilości wody Proste w użyciu, duża efektywność przy zastosowaniu ciężkich młotów, ale niebezpieczeństwo uszkodzenia zbrojenia i warstwy przypowierzchniowej betonu Metody oczyszczania, uszorstniania i usuwania betonu wg PN-EN : Oczyszczanie Uszorstniani e Usuwanie Metoda mechaniczne, przez młotkowanie i ścieranie oczyszczanie strumieniowo-ścierne oczyszczanie strumieniem wody o niskim ciśnieniu, do ok. 18 MPa lub do ok. 60 MPa w przypadku ograniczeń w ilości wody mechaniczne, przez młotkowanie i ścieranie oczyszczanie strumieniowo-ścierne oczyszczanie strumieniem wody o wysokim ciśnieniu, do ok. 60 MPa Mechaniczne, przez młotkowanie Oczyszczanie strumieniem wody o wysokim ciśnieniu, do ok. 60 MPa i o bardzo wysokim ciśnieniu, do 110 MPa Cel podłoŝe powinno być wolne od pyłu, luźnych fragmentów materiału, zanieczyszczenia powierzchni oraz materiałów zmniejszających przyczepność lub uniemoŝliwiających zwilŝanie przez materiały naprawcze; oczyszczone podłoŝe powinno być chronione przed dalszym zanieczyszczeniem Uzyskanie tekstury uszorstnionej powierzchni odpowiedniej dla stosowanych wyrobów i systemów naleŝy określić teksturę uszorstnionej powierzchni, która powinna być zgodna z Słaby, wymaganiami uszkodzony producenta i zniszczony wyrobów beton, a tam, gdzie to konieczne, takŝe beton nieuszkodzony powinien być usunięty zgodnie z zasadą i metodą wybraną według normy PN-EN

18 PN-EN cztery zasadnicze etapy kontroli jakości: ocena stan podłoŝa przed i/lub po przygotowaniu, toŝsamość wszystkich stosowanych wyrobów, zapewnienie wymaganych warunków przed i/lub podczas stosowania wyrobów, ocena właściwości końcowe w stanie utwardzonym. Metody piaskowe charakteryzowania szorstkości powierzchni betonowych 18

19 PN-EN Nawierzchnie drogowe i lotniskowe średnia głębokość tekstury MTD [mm]: 4 V MTD = π D gdzie: V objętość próbki materiału ziarnistego [mm3], D średnica koła pokrytego materiałem ziarnistym [mm] 2 Rodzaj materiału ziarnistego: kulki szklane d = 0,18 0,25mm Zalecana objętość: 25 ml PN-EN 1766 Wyroby i systemy do napraw i ochrony przed korozją konstrukcji betonowych Wskaźnik szorstkości (SRI od Surface Roughness Index): SRI V = D gdzie: V objętość próbki materiału ziarnistego [mm 3 ], D średnica koła pokrytego materiałem ziarnistym [mm] Rodzaj materiału ziarnistego: piasek kwarcowy d=0,05 0,1mm, wysuszony do stałej wagi Zalecana objętość: 25 ml 0.0 SRI [mm] PL GRUPA A SB-D JH HD LC rodzaj obróbki GRUPA B NT SB-W SC 19

20 Wzorce profilu powierzchni ACI Concrete Repair Manual Wzorce profilu powierzchni ACI Concrete Repair Manual i odpowiadające im typy obróbki Wzorce profilu Typ obróbki CSP CSP1 CSP2 CSP3 Szczotkowanie 1 Mycie niskociśnieniowe 1 Wytrawianie kwasowe 1-3 Szlifowanie 1-3 CSP4 CSP5 CSP6 Piaskowanie 2-5 Śrutowanie 3-8 Zdrapywanie 4-9 Łuskowanie igłowe 5-8 CSP7 CSP8 CSP9 Lanca wodna 6-9 Młotkowanie 7-9 Obróbka hydrodynamiczna 8-9 Frezowanie 9 EVALUATION OF CONCRETE SURFACE: no treatment 10x 25x 20

21 Parametry struktury geometrycznej powierzchni (PN-EN ISO 4287): FILTRATION FILTRACJA Falistość Waviness profilu the profile Chropowatość Roughness profilu the profile Profil Total ogólny profile Wa lp Ra Wp Wt Rp Rt m x X p X m max głę X t max wysokość profilu X a X a X q S k S m linia i wartość średnia max wysokość piku łębokość odchylenie standardowe średnie odchylenie kwadratowe współczynnik skośności Średni okres Parametry struktury geometrycznej powierzchni (cd.): CR - średnia wysokość wzniesień CF - średnia wysokość profilu z pominięciem wzniesień i wgłębień CL - średnia wysokość wgłębień 21

22 Profilometr laserowy do badań insitu: Przekształcenia matematyczne przyczepność, MPa Przyczepność - szorstkość powierzchni: C20/25 w.sczepna r = W a [µ m ] przyczep ność, M P a C20/25 C30/35 C40/50 C50/ wskaźnik chropowatości, mm 22

23 Wizualna ocena jakości betonu: piaskowanie frezowanie SEM 25x 100x 500x 500x 100x piaskowanie frezowanie 23

24 Wpływ mikrozarysowania podkładu: pull-off strength [MPa] 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 2,08 2,68 1,92 0,93 1,98 1,82 1,62 2,13 1,93 0,76 0,83 1,68 0,92 without BC - interface failure without BC - cohesive failure with BC - cohesive failure 1,38 1,94 0,69 0,96 1,96 0,94 1,51 1,42 0,37 0,78 1,6 R M B 0,0 NT GR SB SHB20 SHB35 SHB45 HMIL MMIL treatment type A.Garbacz, M.Górka, L.Courard, Mag.Con, Res., 57 (2005) długość Wpływ mikrozarysowania podkładu (cd.): A Lc λc Wc orientacja szerokość głębokość oddziaływania [mm] skumulowana długość rys [mm] agresywność obróbki NT WJ-124 SB MIL WJ-250 J07+SB J14+SB J21+SB typ obróbki agresywność obróbki NT WJ-124 SB MIL WJ-250 J07+SB J14+SB J21+SB A,Niewęgłowska typ obróbki & A.Garbacz 24

25 Ocena mikrozarysowania na obiekcie 25

26 Warstwy sczepne/środki gruntujące Materiał naprawczy Efekt zawilgoconego podłoŝa: Podkład betonowy praca adhezji [mj/m2] podłoŝe suche poodłoŝe z filmem wodnym war.sczepna Materiał naprawczy Podkład betonowy 0 zaprawa cementowa Ŝywica epoksydowa Ŝywica epoksydowa /beton /beton /beton hydrofobizowany Pęcherzenie powłok: p, MPa p 3 MPa niebezpieczeństwo delaminacji T p 10-7 m 10-5 średnica kapilar, m INTERFACE POROSITY DUE TO CAPILLARY ACTION Air void Bonded fresh mortar (1) H O 2 Uncoated mortar substrate Due to capillary action, water in bonded fresh mortar moves into capillary tubes and pore in mortar substrate, and air in the substrates migrates to the fresh mortar, resulting in air voids at the adhesive interfaces. Bonded fresh mortar (2) Due to the presence of polymer film at the adhesive interface, capillary action is almost absent. Polymer dispersion coated mortar substrate Polymer film Ohama Y.Y. 26

27 MOKRY PODKŁAD BETONOWY Mechaniczne blokowanie iniekcji polimer woda T p Podciąganie kapilarne p p + p p - p negative pressure ( p), MPa p 3 MPa T=20 C Niebezpieczeństwo danger of delamination delaminacji pęcherzenie Krzaczek M., Kosik S m capillary diameter, m SKURCZ UTWARDZANIA A ε SA > 0 S shear stress peeling strength time Kawakami M., Tokushige H.,Todate H. 27

28 RÓśNICE WSPÓŁCZYNNIKA ROZSZERZALNOŚCI CIEPLNEJ m = Grubość powłoki polimerowej Grubość podkładu betonowego m 1 > m 2 A S shear stress normal stress shear stress T=-100 C Odległość od końca belki Choi D-U., Fowler D.W., Wheat D.L. 28