XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna XXIV Szczecin-Międzyzdroje, -9 maja 9 awarie budowlane Dr hab. inŝ. PAWEŁ ŁUKWSKI Wydział InŜynierii Lądowej, Politechnika Warszawska MśLIWŚCI SAMNAPRAWY BETNU PSSIBILTIES F SELF-REPAIRING F CNCRETE Streszczenie W artykule przedstawiono koncepcję i moŝliwości samonaprawy materiałów budowlanych. mówiono dotychczas proponowane rozwiązania w tym zakresie, w tym samozaleczanie rys w betonie, wprowadzanie do mieszanki betonowej środka naprawczego w mikrokapsułkach lub włóknach oraz wykorzystanie biomateriałów. Szczególną uwagę poświęcono moŝliwości nadawania materiałom cechy samonaprawialności przez stosowanie modyfikacji Ŝywicą epoksydową bez utwardzacza. Przedstawiono wyniki wstępnych badań laboratoryjnych, potwierdzających taką moŝliwość. Koncepcja ta jest wciąŝ na etapie wstępnych badań; do rozwiązania pozostaje szereg problemów technologicznych i materiałowych. Abstract The idea and possibilities of self-repairing of the building materials have been presented in the paper. The hitherto proposed solutions in that area have been described, including self-healing of the cracks in the concrete, application of the repair means in the micro-capsules or fibres to the concrete mix and using of the biomaterials. The particular attention has been paid to the possibility of achieving the self-repairing by modification of the concrete with the epoxy resin without hardener. The results of the introductory lab tests have been presented, which confirm the discussed possibility. The concept is still in the stage of the introductory investigations; several technological and material problems should be resolved. 1. Wprowadzenie W działalności technicznej człowiek stara się często naśladować naturę; w odniesieniu do inŝynierii materiałów budowlanych homeostaza techniczna [1] oznacza nie tylko odporność na działanie czynników destrukcyjnych, ale równieŝ moŝliwość samonaprawy materiału, który uległ uszkodzeniu. Wśród popularnych ostatnio materiałów autotechnologicznych (samopoziomujące, samozagęszczalne, samorozlewne, itd.) wyroby samonaprawialne mogą stanowić krok w kierunku inteligentnych materiałów budowlanych XXI wieku [].. Koncepcja samonaprawialności betonu Naprawa konstrukcji jest często procesem technicznie trudnym, a z ekonomicznego punktu widzenia kosztownym. Jednym z głównych zadań współczesnej inŝynierii materiałów budowlanych jest opracowanie materiałów konstrukcyjnych o większej trwałości, których stosowanie zmniejsza częstotliwość niezbędnych napraw. Drugim wyzwaniem jest poszukiwanie rozwiązań materiałowo-technologicznych, które stanowiłyby ułatwienie samego procesu naprawczego. W latach osiemdziesiątych XX wieku pojawiła się koncepcja stwarzająca perspektywę połączenia obu tych kierunków badawczych betony i zaprawy samonaprawialne.
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw W sprzyjających warunkach na skutek karbonatyzacji (reakcji wodorotlenku wapnia z atmosferycznym dwutlenkiem węgla) w betonie moŝe zachodzić zjawisko samozaleczania rys (rys. 1), to znaczy ich wypełniania produktem karbonatyzacji węglanem wapnia [3]. Reakcja ta, szkodliwa dla Ŝelbetu, zachodzi niezaleŝnie od intencji uŝytkownika i bez udziału dodatkowych środków. Samonaprawianie natomiast polega na działaniu w przewidziany sposób i w załoŝonych okolicznościach materiału naprawczego, który wprowadzono do betonu w trakcie wytwarzania mieszanki betonowej. Rys. 1. Model komputerowy samozaleczania przez sztuczne leukocyty [] Umieszczenie materiału naprawczego we właściwym miejscu, tj. tam, gdzie wystąpiło uszkodzenie, jest jednym z podstawowych problemów, jakie trzeba rozwiązać w trakcie naprawy elementu betonowego. Problemem jest zwłaszcza degradacja betonu następująca wewnątrz elementu. Dotarcie do rysy z materiałem naprawczym jest moŝliwe dopiero po uzewnętrznieniu się uszkodzenia, co często wiąŝe się z powaŝnym stopniem destrukcji. Koncepcja samonaprawialności polega na załoŝeniu, Ŝe materiał naprawczy zostanie umieszczony wewnątrz betonu jeszcze zanim nastąpi uszkodzenie, tzn. podczas wytwarzania mieszanki betonowej. Kiedy napręŝenia wewnętrzne w betonie przekraczają załoŝony poziom, następuje aktywacja materiału naprawczego. RóŜne metody samonaprawiania róŝnią się przede wszystkim sposobem tej aktywacji [5]. 3. Metody technicznej realizacji samonaprawialności Materiał naprawczy zwykle Ŝywica utwardzalna moŝe być umieszczony w mieszance betonowej podczas jej wytwarzania w specjalnych mini-kapsułkach, osobno Ŝywica i utwardzacz. Po przekroczeniu załoŝonego poziomu napręŝeń kapsułki pękają, uwalniając Ŝywicę i utwardzacz, które powinny się wymieszać, wniknąć do powstałej mikrorysy i utwardzając się powstrzymać jej propagację. Wariantem tej metody jest dodawanie do mieszanki betonowej ciekłej Ŝywicy, zawierającej utwardzacz w rozproszonych w niej kapsułkach. Po uwolnieniu środka utwardzającego miesza się on z Ŝywicą. DuŜe osiągnięcia w tej dziedzinie a takŝe rozpropagowanie idei samonaprawialności betonu wiąŝą się z pracami Carolyn M. Dry z University of Illinois, Urbana, USA. Zaproponowała ona umieszczanie środka naprawczego w kruchych włóknach, które następnie dodaje się do mieszanki betonowej jako składnik zbrojenia rozproszonego []. Przekroczenie odpowiedniego napręŝenia powoduje pęknięcie włókna, czego efektem jest uwolnienie środka naprawczego do powstałej mikrorysy i jej scalenie (rys. ). 9
Łukowski P.: MoŜliwości samonaprawy betonu matryca włókno rysa włókno wypełnione środkiem naprawczym rysa powiększając się przebija włókno środek naprawczy wypełnia rysę Rys.. Mechanizm samonaprawiania rys wewnątrz betonu wg metody C.M. Dry Mikrobiologicznie indukowane wytrącanie minerałów wynikające ze zdolności mikroorganizmów do wytrącania soli mineralnych w postaci stabilnych kryształów jest równieŝ przedmiotem badań inŝynierii materiałów budowlanych, poniewaŝ moŝe być wykorzystane do nadania samonaprawialności betonowi [7]. Beton zawierający odpowiednio dobrane mikroorganizmy wykazuje zdolność do samozaleczania wewnętrznych rys i spękań i jest czasem nazywany samonaprawialnym biomateriałem. Szczególnie obiecujące wyniki osiągnięto stosując Bacillus Pasteurii; produktem ich metabolizmu jest kalcyt CaC 3 (rys. 3). Kalcyt intensywnie akumuluje się na ścianie komórkowej bakterii i stopniowo ją przerasta. statecznie całe komórki przybierają formę krystaliczną, wypełniając i uszczelniając pory i rysy w betonie (rys. 3). Rys. 3. Komórki bakterii Bacillus Pasteurii (cbc) w strukturze betonu [] graniczenia metody wynikają przede wszystkim z faktu, Ŝe efektywne działanie bakterii jest moŝliwe tylko w wąskim zakresie ich zawartości w betonie. Konieczne jest równieŝ zapewnienie odpowiednich warunków chemicznych, np. Bacillus Pasteurii wykazuje optymalne działanie przy ph = 1, tymczasem w miarę upływu czasu alkaliczność betonu ulega nieuchronnemu obniŝeniu, a co za tym idzie zmniejsza się skuteczność samonaprawiania. Ponadto, omawiane bakterie są aerobami, ich metabolizm jest więc tym efektywniejszy, im lepszy jest dostęp tlenu. To oznacza, Ŝe są one aktywniejsze w warstwach przypowierzchniowych niŝ w głębi betonu. 99
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw. Spoiwa epoksydowo-cementowe stosowane bez utwardzacza Kompozyty polimerowo-cementowe (PCC, polymer-cement concretes) to materiały, w których dodatek polimeru tworzy osobną fazę ciągłą współspoiwo. Konieczność dozowania utwardzacza, będącego dodatkowym składnikiem układu, stanowi utrudnienie przy wytwarzaniu betonów i zapraw epoksydowo-cementowych. Z drugiej strony, materiały te charakteryzują się korzystnymi właściwościami uŝytkowymi, skłaniającymi do poszukiwania nowych, racjonalnych rozwiązań technologicznych [9]. DuŜa reaktywność grup epoksydowych w łańcuchach nieutwardzonej Ŝywicy powoduje, Ŝe w pewnych warunkach i w pewnym zakresie moŝliwe jest sieciowanie polimeru bez udziału utwardzacza, jedynie pod wpływem czynnika katalitycznego (rys. ); rolę tę moŝe spełniać obecny w zaczynie cementowym wodorotlenek wapnia [1]. Wstępne badania, prowadzone przede wszystkim w Japonii przez Y. hamę, potwierdziły taką moŝliwość. Według hamy, właściwości betonów i zapraw epoksydowo-cementowych bez utwardzacza w niektórych obszarach mogą nawet przewyŝszać cechy materiałów zawierających tradycyjne, dwuskładnikowe modyfikatory epoksydowe [11]. Badania prowadzone w Katedrze InŜynierii Materiałów Budowlanych Politechniki Warszawskiej wskazują jednak, Ŝe nadmiar Ŝywicy, pozostający w układzie w stanie nieutwardzonym, moŝe przy większych zawartościach (powyŝej % masy cementu) powodować pogorszenie niektórych właściwości w porównaniu z tworzywem zawierającym utwardzacz (rys. 5). CH CH CH CH CH + H CH Ca(H) n CH CH CH CH CH H CH n Rys.. Sieciowanie Ŝywicy epoksydowej pod wpływem wodorotlenku wapnia 3 przyczepność, fa, MPa 1 EPBU EPU nasiąkliwość wodą, n W, % EPBU EPU,5,1,15,,5 p/c,5,1,15,,5 Rys. 5. Przyczepność do podkładu betonowego (z lewej) i nasiąkliwość wodą (z prawej) zaprawy epoksydowo-cementowej z utwardzaczem (EPU) i bez utwardzacza (EPBU) w zaleŝności od zawartości Ŝywicy Modyfikacja spoiw cementowych Ŝywicą epoksydową bez utwardzacza stanowi jeden z nowych, a przy tym najbardziej obiecujących ze względów praktycznych, kierunków rozwoju technologii kompozytów polimerowo-cementowych. prócz względów technologicznych, szczególnie atrakcyjna jest tu moŝliwość wykorzystania tego rodzaju materiałów jako samonaprawialnych. Przy zawartości polimeru w spoiwie wynoszącej % i więcej, stopień usieciowania Ŝywicy epoksydowej stosowanej bez utwardzacza szacuje się na około 5% [1]; nadmiar nieutwardzonej Ŝywicy pozostaje początkowo zamknięty w porach stwardniałego zaczynu. W miarę występowania obciąŝeń Ŝywica zostaje uwolniona i wypełnia powstające mikrorysy p/c 5
Łukowski P.: MoŜliwości samonaprawy betonu w strukturze tworzywa, gdzie wchodząc w kontakt z wodorotlenkiem wapnia ulega usieciowaniu i utwardzeniu. Mikrorysy zostają uszczelnione i scalone (rys. ). kruszywo matryca cementowa utwardzona Ŝywica epoksydowa Ŝywica nieutwardzona Po wystąpieniu obciąŝeń powstają mikrorysy Mikrorysy zostają wypełnione Ŝywicą, która następnie ulega utwardzeniu Rys.. Koncepcja samonaprawialności kompozytu epoksydowo-cementowego [9] Podstawową niedogodnością proponowanych dotąd rozwiązań materiałów samonaprawialnych jest pojawiające się zwykle utrudnienie technologiczne, związane z koniecznością wprowadzania do materiału dodatkowego składnika (kapsułki, włókna, itp.), a takŝe konieczność specjalnego przygotowywania środka naprawczego (preparacje chemiczne, impregnacja nośnika, np. specjalnego kruszywa, itp.). Dlatego moŝliwość zastosowania jako modyfikatora Ŝywicy epoksydowej bez dodatkowego środka utwardzającego (a więc przy wyeliminowaniu jednego składnika układu) naleŝy uznać za szczególnie korzystną. Kompozyty epoksydowo-cementowe mają uznane zastosowanie w budownictwie [13]; wykazanie moŝliwości uproszczenia procesu ich wytwarzania stanowiłoby dodatkową oprócz nadania unikatowej cechy samonaprawialności korzyść i ułatwienie ich praktycznego stosowania. Takie działanie wpisuje się w strategię zrównowaŝonego rozwoju w budownictwie [1], przez oszczędność zasobów i mniejsze obciąŝenie środowiska naturalnego, co jest moŝliwe przy mniejszej częstotliwości prac naprawczych i konserwacyjnych. DłuŜsze odstępy między naprawami oznaczają obniŝenie kosztów uŝytkowania obiektów budowlanych. 5. Wyniki wstępnych badań laboratoryjnych Celem badań była wstępna weryfikacja moŝliwości samonaprawy kompozytu epoksydowo-cementowego (ECC), gdzie jako współspoiwo zastosowano Ŝywicę epoksydową bez 51
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw utwardzacza. Badano zaprawy ECC o zawartości Ŝywicy epoksydowej 15% i 3% w stosunku do masy cementu. Współczynnik woda/cement wynosił,5, a stosunek zawartości spoiwa do kruszywa 1:3. Zastosowano cement portlandzki CEM I 3,5R, wg PN 197-1:, piasek normowy jako kruszywo oraz dostępną na rynku Ŝywicę epoksydową. Badaniom wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu poddano próbki zapraw zawierających Ŝywicę epoksydową z utwardzaczem (EPU) oraz bez utwardzacza (EPBU). Podstawowym problemem badawczym przy ocenie moŝliwości samonaprawy jest kontrolowane wymuszanie ograniczonych uszkodzeń struktury materiału tak, aby nie prowadziły one do całkowitego zniszczenia, a jedynie do pogorszenia wytrzymałości. W tym celu zastosowano dwie odmienne procedury: 1) Dwukrotne obciąŝenie ściskające do poziomu 7% obciąŝenia niszczącego; drugie ściskanie poprzedzone obróceniem próbki o 9. ) 1 cykli obciąŝenia zginającego o maksymalnej wartości 7% obciąŝenia niszczącego, z szybkością N/min. Przebieg badań był następujący: badanie części próbek po dniach dojrzewania w warunkach zalecanych przez normy europejskie (np. PN-EN 15): 1 dzień przykrycia folią, po rozformowaniu dni szczelnego zawinięcia w folię, pozostały czas do badania w warunkach powietrzno-suchych (temperatura ok. 1 C, wilgotność względna ok. %), kontrolowane obciąŝenie części próbek, badanie części próbek po obciąŝeniu, pozostawienie pozostałych próbek po obciąŝeniu w warunkach powietrzno-suchych, badanie próbek obciąŝanych i nieobciąŝanych po 1 dniach od obciąŝania. Badania przeprowadzono w laboratorium Katedry InŜynierii Materiałów Budowlanych na Wydziale InŜynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej (rys. 7 9). ceniano stopień powrotu wytrzymałości po samonaprawie do wartości sprzed obciąŝenia, zdefiniowany jako SP = f b po samonaprawie / f b przed obciąŝeniem. 1 1 fb [MPa] fb [MPa] 1 3 5 1 3 5 a) b) czas [dni] czas [dni] bez obc. zgin. bez obc. zgin. Rys. 7. Wytrzymałość na zginanie kompozytu epoksydowo-cementowego o zawartości Ŝywicy epoksydowej,15% masy cementu; a) układ z utwardzaczem (EPU), b) układ bez utwardzacza (EPBU) 5
Łukowski P.: MoŜliwości samonaprawy betonu fb [MPa] 1 1 fb [MPa] 1 1 3 5 czas [dni] a) b) bez obc. ścisk. zgin. 1 3 5 czas [dni] bez obc. ścisk. zgin. Rys.. Wytrzymałość na zginanie kompozytu epoksydowo-cementowego o zawartości Ŝywicy epoksydowej,3% masy cementu; a) układ z utwardzaczem (EPU), b) układ bez utwardzacza (EPBU) 1 stopień powrotu,,,, obc. zgin. obc. ścisk. EPU 15 EPBU 15 EPU 3 EPBU 3 Rys. 9. Stopień powrotu wytrzymałości na zginanie do wartości sprzed obciąŝania w zaprawach ECC z utwardzaczem (EPU) i bez utwardzacza (EPBU); zawartość Ŝywicy epoksydowej 15% i 3% masy cementu PowyŜsze wyniki potwierdzają, Ŝe: przy mniejszej zawartości Ŝywicy epoksydowej (15% masy cementu) wytrzymałości w obu układach z utwardzaczem i bez nie róŝnią się znacząco, natomiast większa zawartość Ŝywicy (3% masy cementu) bez utwardzacza powoduje obniŝenie wytrzymałości kompozytu, zastosowane metody kontrolowanego wymuszania uszkodzeń w próbkach są skuteczne, prowadząc do oczekiwanego obniŝenia wytrzymałości materiału; większe obniŝenie uzyskano stosując cykle obciąŝenia zginającego, niezaleŝnie od ilości wprowadzonej Ŝywicy, stopień powrotu wytrzymałości do wartości sprzed obciąŝenia był korzystnie wyŝszy w przypadku układu bez utwardzacza (SP niemal równe 1 wobec,5, w układzie z utwardzaczem).. Podsumowanie Typowe metody napraw konstrukcyjnych betonu, np. iniekcja polimerami, polegają na dostarczaniu materiału naprawczego do betonu z zewnątrz. Koncepcja samonaprawialności zakłada, Ŝe wytworzony beton zawiera w sobie środek naprawczy, który zostanie automatycznie wykorzystany w miejscu i czasie, w którym jest potrzebny. Naprawa zostaje podjęta w chwili wystąpienia uszkodzenia bez konieczności interwencji człowieka. Koncepcja ta jest wciąŝ na 53
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw etapie wstępnych badań; do rozwiązania pozostaje nadal szereg problemów technologicznych i materiałowych. Nie ulega jednak wątpliwości, Ŝe beton samonaprawialny stanowi krok w kierunku inteligentnych materiałów budowlanych XXI wieku. Jednym z obiecujących kierunków rozwoju materiałów budowlanych o zdolności do samonaprawy są kompozyty epoksydowo-cementowe stosowane bez utwardzacza. Literatura 1. Czarnecki L.: Wyzwania inŝynierii materiałów budowlanych. XLVII Konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica, 1, 13 31. Czarnecki L., Kurdowski W., Mindess S.: Future developments in concrete. In: Developments in the formulation and reinforcement of concrete, Woodhead Publishers Ltd. Abington, Cambridge, England, 7 3. Reinhardt H.-W., Jooss M.: Permeability and self-healing of cracked concrete as a function of temperature and crack width. Cement and Concrete Research, 7, 3, 91 95. Balazs A.: Modeling self-healing materials. Materials Today, 9, 7, 1 3 5. Czarnecki L., Łukowski P.: Betony i zaprawy samonaprawialne krok ku inteligentnym materiałom naprawczym. Materiały Budowlane,,,. Dry C.M.: US Patent No. 1995191 Self-Repairing, Reinforced Matrix Materials 7. Ramakrishnan V., Ramesh K., Bang S.: Bacterial concrete. Proc. of SPIE Conference, Vol. 3, 1 17. Rodriguez-Navarro C. et al.: Conservation of rnamental Stone by Myxococcus xanthus- Induced Carbonate Biomineralization. Applied and Environmental Microbiology,, 3, 1 193 9. Łukowski P.: Rola polimerów w kształtowaniu właściwości spoiw i kompozytów polimerowo-cementowych. Politechnika Warszawska, Prace Naukowe Budownictwo, z.1, ficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1. Kakiuchi H.: New epoxy resins. Shokodo, Tokio, 195 11. hama Y., Demura K.: Superior properties of epoxy-modified mortars and concretes without hardener. 3rd Southern African Conference on Polymers in Concrete, Johannesburg, 1997, 9 1. Katsuhata T., hama Y., Demura K.: Investigation of microcracks self-repair function of polymer-modified mortars using epoxy resins without hardeners. 1th Int. Congress on Polymers in Concrete, 1, Hawaii (CD) 13. Łukowski P.: Zastosowanie spoiw i kompozytów polimerowo-cementowych w budownictwie. InŜynieria i Budownictwo, 1, 7, 53 55 1. Kibert C.J.: Establishing principles and a model for sustainable construction. Proc. of the 1 st International Conference CIB TG 1, Floryda, 1999, 3 1 Niniejszy artykuł opracowano w ramach realizacji pracy statutowej Wydziału InŜynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej. 5