INNOWACYJNE SYSTEMY NAPRAWCZE W ZREALIZOWANYM REMONCIE KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH ZAPORY WODNEJ 1. WSTĘP.

Transkrypt

1 remont, zapora wodna, naprawa powierzchniowa, zaprawa naprawcza, korozja zbrojenia, migrujący inhibitor, ochrona atnykorozyjna zbrojenia Ewa Michalak 1 Wiesław Tężycki 2 INNOWACYJNE SYSTEMY NAPRAWCZE W ZREALIZOWANYM REMONCIE KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH ZAPORY WODNEJ Literatura i doświadczenia praktyczne wskazują na poważne problemy z wykonaniem trwałej naprawy rozległych ubytków betonu na płaskich powierzchniach ekranów żelbetowych zapór wodnych. Zestawiono istotne cechy dostępnych na rynku i zastosowanych materiałów naprawczych nowej generacji. Wskazano parametry, które umożliwiły skuteczną realizację naprawy. W remoncie koryta przelewowego zapory zastosowano system naprawczy emitujący ochronę antykorozyjną dla zbrojenia otulonego betonem skarbonatyzowanym. Działanie systemu monitorowano przez 16 miesięcy od zakończenia naprawy. 1. WSTĘP. Obserwacje autorów i analiza dostępnego piśmiennictwa wykazują, że brak jest pozytywnych doświadczeń z wykonania napraw powierzchniowych betonu w hydrotechnicznych budowlach piętrzących. To właśnie tu spotykają się problemy wynikające przede wszystkim z: - dużych wymiarów i płaskich powierzchni, - niskiej jakości nienapowietrzonych betonów, - nawilżenia przez posadowienie na wilgotnym podłożu, stały lub okresowy kontakt z lustrem wody, - szybkich i dużych zmian temperatury (silne nasłonecznienie w dzień i niskie temperatury w nocy, w rejonach górskich). Ten zbieg niekorzystnych okoliczności to z jednej strony poważna przeszkoda w wykonaniu trwałej naprawy, z drugiej zaś - okazja do ciekawych doświadczeń. Przez 5 lat testowano w Kanadzie 40 różnych zapraw do wykonywania napraw powierzchniowych betonu. Badania terenowe prowadzono właśnie na zaporze wodnej [8]. Budowle wodne zajmują 28 z 33 pozycji opisywanych w amerykańskim programie badawczym REMR poświęconym naprawom powierzchniowym betonu [10]. 4 z 28 napraw to naprawy cienkowarstwowe. Po czasie nie dłuższym niż dwa lata, we wszystkich 4 przypadkach stwierdzono "liczne", "włosowate" lub "cienkie" spękania. "Znaczne ubytki" stwierdzono już po roku od wykonania warstw naprawczych na betonowych elementach konstrukcji elektrowni wodnej w Polsce [7]. 1 Ewa Michalak, Politechnika Rzeszowska 2 Wiesław Tężycki, OTiK, Gdańsk

2 Miękkie i kwaśne wody opadowe powodują zagrożenie dla trwałości budowli towarzyszących zaporze. W 30-letnim korycie przelewowym karbonatyzacja pokonała już całą grubość otuliny wynoszącą 35 mm. Obecnie powstają pierwsze odpryski betonu. Stanowi to realne i poważne zagrożenie korozją zbrojenia. Dla takich przypadków poszukiwana jest ochrona powierzchniowa, która zdolna jest zmniejszyć prędkość korozji stali otulonej betonem skarbonatyzowanym. Okazję do konfrontacji z tymi problemami stanowił kompleksowy remont zapory wodnej wykonany w okresie NAPRAWA POWIERZCHNIOWA PŁYT EKRANU ŻELBETOWEGO Ekran wodoszczelny stanowi zabezpieczenie strony odwodnej korpusu ziemnego zapory o zmiennym nachyleniu 1:2 i 1:2,5 (Rys. 8). Wykonany jest z płyt żelbetowych o grubości 25 cm, zbrojonych przeciwskurczowo pojedynczą siatką w połowie przrekroju. Płyty o szerokości 6 m i długościach 21, 15 lub 10 m posadowione są na filtracyjnej warstwie żwiru. W zależności od stanu technicznego płyty kwalifikowano do wymiany, całopowierzchniowej naprawy o grubości do 6 cm, lub tylko do zabezpieczenia. Wykonano próbne naprawy kilkoma materiałami PCC. Materiały te "sprawdziły się" wcześniej w remontach konstrukcji hydrotechnicznych, ale nie były one wykonane na tak rozległych i płaskich powierzchniach. Wszystkie naprawy próbne ekranu, po 4 miesiącach od wykonania, wykazywały liczne zarysowania skurczowe i odspojenia od podłoża, które stwierdzono przez ostukiwanie powierzchni młotkiem. Poszukując rozwiązania problemu wzięto przede wszystkim pod uwagę, że płaskie warstwy naprawcze, o średniej grubości 5 cm i wymiarach 6 m x 21 m lub 15 m, podlegają znacznym naprężeniom wynikającym z: - szybkiego nagrzewania się i oziębiania powierzchni przy znacznie wolniejszych zmianach temperatury spodniej części płyty leżącej na nasypie, - szybkich zmian wilgotności w warstwie naprawczej przy znacznie wolniejszych zmianach wilgotności betonu w płycie stanowiącej podłoże naprawy. Zmianom temperatury i wilgotności powierzchni sprzyja tu wyjątkowo dobra ekspozycja na słońce, opady atmosferyczne i wodę spływającą po ekranie. Dobowe amplitudy temperatury na powierzchni ekranu sięgają 50 st. C. W związku z powyższym, za cechy decydujące o wyborze systemu naprawczego uznano niski moduł sprężystości i niski współczynnik oporu dyfuzyjnego dla pary wodnej. Stwierdzono, że dostępne na rynku systemy PCC różnią się znacznie pod względem właśnie tych cech (Rys. 1). Zastosowano innowacyjny system naprawczy umożliwiający regulację modułu sprężystości w przedziale od 7 do 25 GPa [12] podczas, gdy większość pozostałych systemów, przy grubości warstwy do 6 cm, posiada moduły większe od 24 GPa. System ten zapewnia jednocześnie wyjątkowo niskie wartości współczynnika oporu dyfuzyjnego dla pary wodnej wynoszące od 17,8 do 46 (w zależności od "ustawienia" modułu sprężystości) podczas, gdy typowe wartości tego współczynnika mieszczą się w przedziale od 80 do 300 (Rys.1).

3 ZASTOSOWANY INNOWACYJNY SYSTEM PCC ZASTOSOWANY INNOWACYJNY SYSTEM PCC Modu spr ystoêci E[GPa] Wspó czynnik oporu dyfuzyjnegoµh 2 O Rys. 1. Zakres modułu sprężystości i współczynnika oporu dyfuzyjnego dla pary wodnej stosowanego systemu PCC w porównaniu do innych systemów PCC dostępnych na rynku Fig. 1. Elasticity modulus range and water vapour diffusion coefficient of PCC repair system being applied in compare to other PCC systems available on the market W praktyce zrealizowano naprawy przestrzegając poniższych zasad: - moduł sprężystości zaprawy "ustawiono" na ok. 20 GPa, dalsze obniżanie modułu przynosiło w tym przypadku wzrost ilości zarysowań skurczowych wynikający prawdopodobnie z dużej grubości naprawy (od 4 do 6 cm), - zaprawę o konsystencji gęstoplastycznej wykonywano w mieszarce o osi pionowej (mieszanie wymuszone) i układano wykonaną do tego celu łatą wibracyjną, - po zatarciu powierzchni stosowano pielęgnację (mimo braku takiego wymagania w stosowanym systemie) przez pokrycie warstwy naprawczej stale nawilżaną geowłókniną, - przez kilka następnych dni (w zależności od nasłonecznienia) stosowano chłodzenie powierzchni przez ciągłe polewanie strumieniem wody. W ciągu dwóch lat od wykonania kilkakrotnie kontrolowano naprawione powierzchnie. Naprawy nie są odspojone od podłoża, a włosowate zarysowania skurczowe występują sporadycznie. 3. REMONT KONSTRUKCJI KORYTA PRZELEWU SZCZYTOWEGO Zadaniem koryta (Rys. 9) jest odprowadzenie na dolne stanowisko wody przelewającej się przez przelew szczytowy w sytuacjach, gdy na zbiorniku przekroczony zostaje maksymalny, dopuszczalny poziom piętrzenia ZAAWANSOWANIE KARBONATYZACJI W roku 1995 przeprowadzono szczegółowe badania głębokości karbonatyzacji. Sporządzono mapy grubości otuliny zbrojenia dla całej powierzchni konstrukcji i określono rozkład ilości stali w funkcji grubości otuliny. Stwierdzono odpryski betonu i widoczne objawy korozji 18 mb prętów zbrojeniowych podczas, gdy 370 mb prętów, na ogólną ilość 9000 mb, leżało już w strefie skarbonatyzowanej. Zaawansowanie zobojętnienia betonu uznano wtedy za "przełomowe" prognozując, że już do roku 1998 ok mb stali utraci ochronę antykorozyjną. Koncepcja zabezpieczenia konstrukcji przyjęta

4 w roku 1995 zakładała natychmiastową wymianę otuliny wokół zlokalizowanych 370 mb prętów leżących w betonie skarbonatyzowanym oraz wykonanie na całej powierzchni powłoki stanowiącej ochronę przed karbonatyzacją i przed miękkimi wodami opadowymi. Niestety, z różnych przyczyn naprawę rozpoczęto dopiero w roku 1998 i zakończono w roku WYMIANA OTULINY WOKÓŁ NAJBARDZIEJ ZAGROŻONYCH PRĘTÓW Za cechy decydujące o wyborze zaprawy PCC do wykonania lokalnych napraw pojedynczych prętów zbrojeniowych uznano wysoki współczynnik oporu dyfuzyjnego dla dwutlenku węgla oraz niską prędkość postępu karbonatyzacji w zaprawie [3]. Podobnie jak w przypadku naprawy ekranu, zastosowano innowacyjny system naprawczy, ale z modulem sprężystości "ustawionym" na 24 GPa. Osiągany jest w takim przypadku współczynnik oporu dyfuzyjnego dla CO 2 równy [12] podczas, gdy współczynniki większości stosowanych powszechnie materiałów PCC nie przekraczają 5000 (Rys. 2). Prędkość postępu karbonatyzacji określona metodą przyspieszoną w/g standardu TFB wynosi w stosowanym materiale naprawczym ok. 0,2 mm w czasie 25 lat [12]. Dodatkową zaletą zastosowanej warstwy naprawczej jest emitowanie przez nią inhibitora korozji MCI, którego cząsteczki migrując w betonie docierają do zbrojenia usytuowanego w sąsiedztwie i poza strefą naprawy [9], [2], [1], co powinno prowadzić do zmniejszenia gradientów potencjału i przeciwdziałania wtórnej korozji przy naprawach lokalnych [12] ZASTOSOWANA INNOWACYJNA ZAPRAWA PCC ph Betonu klasyczny system PCC innowacyjny system naprawczy Wspó czynnik oporu dyfuzyjnego µco 2 Rys. 2. Współczynnik oporu dyfuzyjnego dla dwutlenku węgla stosowanej zaprawy naprawczej PCC w porównaniu do innych zapraw PCC obecnych na rynku Fig. 2. Carbon dioxide diffusion resistance coefficient of PCC repair mortar being applied in compare to other PCC mortars available on the market Rys. 3. Wartości ph mierzone na powierzchni naprawy Fig. 3. Values of ph observed on the surface of repair

5 3.3. WERYFIKACJA SYSTEMU NAPRAWCZEGO W okresie od listopada 1998 r. do marca 2000 r. przeprowadzono eksperyment polegający na porównaniu właściwości ochronnych jednego z klasycznych systemów PCC z zastosowanym, innowacyjnym systemem naprawczym. W tym celu na powierzchni ściany wybrano dwa pola o podobnym zakresie uszkodzeń. W każdym z pól całkowicie usunięto i odtworzono otulinę do głębokości 8 cm (Rys. 9) oraz zaznaczono 8 punktów pomiarowych, w których co dwa miesiące mierzono wartość rezystancji otuliny i potencjału. W obydwu polach określano również wartość ph otuliny. Pomiary wykonywano aparatem GD [6], [5] do potencjometrycznego wykrywania stref korodującego zbrojenia. Wyniki pomiarów ph i rezystancji przedstawiono na wykresach zamieszczonych na rysunkach nr 3 i 4. WartoÊç Êrednia rezystancji [k!] klasyczny system PCC innowacyjny system naprawczy WartoÊç wspó czynnika zmiennoêci klasyczny system PCC innowacyjny system naprawczy Rys. 4. Wartości średnie rezystancji otuliny zbrojenia Fig. 4. Average values of rebar cover AC resistance Rys. 5. Wartości współczynników zmienności w poszczególnych pomiarach potencjału Fig. 5. Coefficient of variation values in particular measurements of potential Na podstawie wyników badań potencjału obliczono współczynniki zmienności dla poszczególnych pomiarów na obu badanych polach. Wyniki przedstawiono na wykresie zamieszczonym na rysunku nr 5. W wyniku badań stwierdzono, że: - wartość ph na powierzchni naprawionej systemem innowacyjnym, była przez cały okres pomiarów wyższa niż na powierzchni klasycznego systemu naprawczego PCC, co wskazywałoby na wolniejszy postęp karbonatyzacji w innowacyjnym materiale naprawczym, - wartość średnia rezystancji otuliny mierzona na polu innowacyjnego systemu naprawczego była przez cały okres pomiarów wyższa, co potwierdzałoby lepsze właściwości ochronne tego systemu, - współczynniki zmienności dla poszczególnych pomiarów potencjału były niższe (i zdecydowanie bardziej ustabilizowane) w strefie naprawionej innowacyjnym systemem naprawczym, co świadczy o bardziej równomiernym rozkładzie potencjału, a tym samym o mniejszym zagrożeniu korozyjnym

6 3.4. ZABEZPIECZENIE CAŁEJ POWIERZCHNI KORYTA Za cechę decydującą o wyborze powłoki do zabezpieczenia powierzchni uznano jej zdolność do hamowania korozji zbrojenia otulonego betonem. Za właściwości decydujące o prędkości korozji uznano w tym przypadku : - współczynnik oporu dyfuzyjnego dla pary wodnej (jako cechę warunkującą osuszanie się otuliny [4], [11] w ścianie żelbetowej drugostronnie kontaktującej się z gruntem), - emitowanie inhibitora korozji MCI, którego cząsteczki migrują w betonie i docierają do zbrojenia [9], [2], [1], [12]. Szpachlowanie koryta przeprowadzono innowacyjnym systemem naprawczym użytym także do naprawy płyt ekranu. Przy ustawionym tu module sprężystości 7 GPa posiada on współczynnik oporu dyfuzyjnego dla pary wodnej równy zaledwie 17,8 [12]. Na wyrównane powierzchnie naniesiono zawiesinę wodną migrujących cząsteczek inhibitora korozji MCI oraz farbę ochronną o współczynikach oporów dyfuzyjnych: dla pary wodnej - mniejszym niż i dla dwutlenku węgla - równym Dodatkowym zadaniem tej farby jest przeciwdziałanie ulatnianiu się z betonu cząsteczek MCI [12] WERYFIKACJA SYSTEMU OCHRONNEGO W okresie od listopada 1998 r. do marca 2000 r. przeprowadzono badanie, którego celem była weryfikacja skuteczności działania migrujących inhibitorów korozji MCI aplikowanych na powierzchnię konstrukcji, w której grubość otuliny zbrojenia wynosiła 35 mm. Do przeprowadzenia badań wybrano fragment ściany przelewu szczytowego (Rys. 9). Powierzchnię podzielono na dwa pola. Na jednym z nich nałożono zawiesinę wodną inhibitora korozji MCI. Drugą część pozostawiono jako powierzchnię porównawczą. Na obu polach zaznaczono po 8 punktów pomiarowych, w których co dwa miesiące mierzono wartość rezystancji i potencjału. Pomiary wykonywano aparatem GD do potencjometrycznego wykrywania stref korodującego zbrojenia. Wyniki badań przedstawiono na wykresach zamieszczonych na rysunkach nr 6 i 7. WartoÊç Êrednia rezystancji [k!] beton pokryty zawiesinà wodnà inhibitora korozji MCI beton porównawczy WartoÊç Êrednia potencja u [mv] beton pokryty zawiesinà wodnà inhibitora korozji MCI beton porównawczy Rys. 6. Wartości średnie rezystancji otuliny zbrojenia Fig. 6. Average values of rebar cover AC resistance Rys. 7. Wartości średnie potencjału Ag/AgCl Fig. 7. Average values of Ag/AgCl potential

7 W rezultacie przeprowadzonych badań zaobserwowano następujące prawidłowości: - wartość średnia rezystancji otuliny mierzona w obszarze, na który naniesiono zawiesinę wodną cząsteczek inhibitora MCI w całym okresie pomiarów rośnie zdecydowanie szybciej niż w obszarze porównawczym betonu, - wartość średnia potencjału była korzystnie wyższa (mniej elektroujemna) na powierzchni pokrytej środkiem z MCI w okresie od listopada 1998 r. do lipca 1999 r. oraz od marca 2000 r.; od września 1999 r. do stycznia 2000 r. większe wartości potencjału zmierzono na powierzchni betonu nie pokrytej żadnym preparatem. Należy dodać, że badania przeprowadzono w warunkach, które mogły zaniżyć obserwowaną skuteczność MCI. Normalna procedura stosowania MCI wymaga dodatkowego pokrycia powierzchni farbą ochronną ograniczającą wymywanie i ulatnianie się inhibitora, co nie mogło mieć miejsca na obszarze testowym, ponieważ uniemożliwiłoby wykonanie pomiarów. Rys. 8. Widok ogólny na ekran żelbetowy zapory w trakcie remontu Fig. 8. General view of the dam concrete shield during repair Rys. 9. Oględziny powierzchni testowych na ścianie koryta przelewowego Fig. 9. Inspection of test areas on the wall of overflow spillway channel 4. WNIOSKI Klasyczne systemy naprawcze typu PCC powszechnie stosowane w inżynierii lądowej z reguły nie sprawdzają się przy wykonaniu rozległych napraw o grubości do 6 cm, na płaskich powierzchniach betonowych budowli piętrzących wodę. Wykonanie tych napraw materiałem o wyjątkowo niskim module sprężystości i małym oporze dyfuzyjnym dla pary wodnej wyeliminowało odspojenia i radykalnie zmniejszyło ilość zarysowań skurczowych w 2-letnim okresie obserwacji. Kluczowe właściwości dyfuzyjne i możliwości odkształcania się pod wpływem naprężeń najnowszych systemów naprawczych i ochronnych są lepsze niż klasycznych systemów typu PCC.

8 Lepsze są także właściwości ochronne dla stali, co potwierdzone zostało terenowymi badaniami porównawczymi, które w czasie 16 miesięcy wykazały m.in. mniejsze gradienty potencjału, wyższą rezystancję otuliny i wyższe wartości ph. LITERATURA [1] BJEGOVIC D., MIKSIC B., Protecting Concrete with Migrating Inhibitor, Materials Performance, November, [2] BJEGOVIC D., MIKULIC D., KRSTIC V., Calculation of Diffusion Rate of Migrating Corrosion Inhibitors (MCI ) Through Concrete, CONSEC 98 Concrete Undere Severe Conditions, Tromso, Norway, June [3] Determinazione rapida della carbonatazione del calcestruzzo. TFB L ISTITUTO TECNICO SPERIMENTALE DELLE INDUSTRIE SVIZZERE DEL CEMENTO, Wildegg, Szwajcaria [4] FAGERLUND G., Trwałość konstrukcji betonowych, Arkady, Warszawa, [5] Informacje i Instrukcje Instytutu Badawczego Dróg i Mostów. Wstępne wytyczne potencjometrycznego wykrywania stref korodującego zbrojenia w mostach betonowych, Warszawa, 1992 [6] Instruction and Maintenance Manual Mini Great Dane GD-2000 [7] MIESZKOWSKI A., PIĄTKOWSKI Z., Remont betonów elektrowni wodnej Gródek, VIII Konferencja Technicznej Kontroli Zapór, Zakopane, czerwca [8] MIRZA J., DURAND B., Evaluation, selection and installation of surface repair mortars at a dam site, Construction and Building Materials 1994, Volume 8, Number 1. [9] NAGAYAMA M., MCI-2020 Long Term Test Protection of Rebar in Concrete Year Interim Report, General Building Research Corporation of Japan, Osaka, Japan, October [10] Repair, Evaluation, Maintenance and Rehabilitation Research Program: Overlays on Horizontal Concrete Surfaces: Case Histories. NTIS National Technical Information Service, Springfield, USA, February [11] ŚCIŚLEWSKI Z., Ochrona konstrukcji żelbetowych, Arkady, Warszawa, [12] VHDRS Very High Durability Repair Systems, "OTiK" Sp. z o.o., Gdańsk, INNOVATIVE REPAIR SYSTEMS IN COMPLETED REPAIR OF HYDRAULIC DAM REINFORCED CONCRETE STRUCTURES The literature survey and authors observations reveal serious problems with the execution of durable resurfacing repairs on extensive, flat areas of hydraulic dams concrete shields. Essential parameters of applied modern materials and parameters of classic PCC materials available on the market are contrasted. The features enabling efficient repair completion are pointed out. The system emitting anticorrosion protection for the rebar embedded in carbonated concrete was applied in renovation of overflow spillway. It has been monitored during 16 months after repair completion.