Metody Oceny Stanu Betonu W Eksploatownych Konstrukcjach Mostowych

W czasie oceny wizualnej mostu należy zwrócić uwagę na

ewentualnie występujące

- nacieki wapienne na spodzie konstrukcji pomostu świadczące o postępującej korozji ługującej betonu,

- plamy korozyjne będące dowodem bezpośrednim obecności procesów korozji stali zbrojeniowej lub obcych ciał w betonie (śruby, haki itp. ),

- obszary o wyraźnym zawilgoceniu wskazującym na przypuszczalne uszkodzenie izolacji lub odwodnienia, możliwość zmian w struk­turze betonu oraz większe zagrożenie korozją stali zbrojenio­wej,

• złoszczenia powierzchni betonu wskazujące na jego obniżoną mrozoodporność i ewentualne działanie soli odłączających, co również może być powodem wywołanej przez chlorki korozji zbro­jenia,

• rozwarstwienie (delaminacje) i odłupywanie otuliny, świadczące o znacznym zaawansowaniu korozji zbrojenia, w wyniku której zanikły już siły przyczepności pomiędzy betonem i stalą, a od­słaniające się zbrojenie narażone jest na bezpośrednie oddzia­ływanie czynników agresywnych

- rysy podłużne wzdłuż prętów wskazujące na ekspansję produktów korozji stall zbrojeniowej i pewność dalszego szybkiego prze­biegu procesu destrukcji,

- rysy skurczowe oraz wywołane wpływem temperatury (nasłone­cznienia),

- rysy wynikające z wytężenia materiału w polu sił wewnętrznych, równoważącego działanie ciężaru własnego i obciążeń zewnętrz­nych,

- pęknięcia na styku elementów prefabrykowanych z betonem wyle­wanym, w połączeniu betonu starego i użytego do naprawy ,bądź świadczące o nieciągłościach betonowania,

- ubytki betonu wynikłe z niedokładności betonowania bądź uszko­dzeń mechanicznych,

- nadmierne ugięcia elementów, bądź ich przemieszczenia.

Testy uderzeniowe na powierzchni betonu

Metody określania wytrzymałości betonu na podstawie jej związku z lokalną powierzchniową odpornością na działanie obciążenia skupionego nazywamy metodami sklerometrycznymi.

Najprostszym przykładem takiego badania jest ocena dźwięku, jaki wydaje on po uderzeniu młotkiem oraz śladu odbicia, jaki pozostaje po uderzeniu na powierzchni badanego elementu. Dodatkowych informacji dostarcza tu próba zarysowania betonu ostrym przecinakiem.

Testy wbijania lub wyrywania elementów obcych

Przy realizacji tych testów następuje lokalne wytężenie materiału. Testy te nie są nieniszczące, lecz spowodowane uszkodzenia betonu są niewielkie.

-testy wbijania trzpienia

-testy wyciągania trzpienia

-testy wyrywania kotwy(często stosowana w obiektach nowobudowanych)

-próba odrywania(stosowana do oceny jakości zewnętrznych warstw betonu konstrukcyjnego ,do oceny połączenia betonu płyty pomostu z warstwami nawierzchni oraz połączenia betonu starego z warstwami naprawczymi)

-testy wyciągania dybla

Testy z drganiami mechanicznymi

-pomiar częstotliwości rezonansowej(zależy od wymiarów próbki i rozłożenia jej masy) szczególnie nadaje się do oceny betonu na próbkach w formie beleczek, w przypadku badania obiektu mostowego przydatność jej jest ograniczona

-pomiary ultradźwiękowe(konieczne jest stosowanie niskich częstotliwości drgań 40-500kHz, najczęściej 50kHz, im niższa jest jakość betonu i większa jego grubość tym niższe częstotliwości należy stosować) do pomiarów ultradźwiękowych najczęściej stosuje się fale podłużne

-ultradźwiękowe badanie kątowe jest wykorzystywane do ciągłej oceny jakości wykonania i stanu dużych powierzchni betonowych

-metoda młoteczkowo-impulsowa(do kontroli uszkodzeń warstw powierzchniowych betonu i do oceny nośności podbudowy pod drogi i pasy startowe)

-analiza emisji akustycznej(pozwala na ocenę zgodności naprężeń rzeczywistych z obliczeniowymi)

Badania na próbkach pobranych z konstrukcji

Badania ta zapewniają większa wiarygodność wyników, mają charakter częściowo niszczący, a ubytki w konstrukcji uzupełnia się za pomocą zapraw naprawczych. Są stosowane do potwierdzenia badań prowadzonych metodami nieniszczącymi.

Próbki pobiera się za pomocą wiertnic z diamentowymi koronami roboczymi i konstrukcją umożliwiającą chłodzenie.

Ze względu na zagęszczenie zbrojenia stosuje się odwierty w formie rdzeni o średnicy 50mm.

W betonie o max frakcji 16mm w jednym pomiarowym miejscu wykonuje się od 6 (B25) do 12 (pow B25) odwiertów. Długość rdzenia 50 lub 56mm do oznaczenia wytrzymałości na ściskanie, do innych oznaczeń min 150mm.

Wytrzymałość na ściskanie: rdzeń przyciąć do 50mm i oszlifować powierzchnie. Ściskanie na walcu = ściskanie kostki sześciennej 200mm (walec 56mm = 0,9R₂₀₀).

Wilgotność betonu: wysuszenie próbki do stałej masy w temp 105^oC lub próba CM gdzie próbkę się rozdrabnia przesiewa przez sito 2mm, zamyka szczelnie w pojemniku z karbidem i na podstawie ciśnienia na manometrze odczytuje się z monogramu wilgotność (badanie do wykonania w terenie).

Określenie głębokości karbonizacji: Określa się za pomocą indykatorów barwnych na świeżym przełomie betonu zwilżonym woda destylowaną, którym może być rozłupany wzdłuż tworzącej rdzeń odwiertu. Identyfikator to 1% roztwór fenoloftaleiny w alkoholu etylowym. Warstwa obojętna nie ulegnie zabarwieniu (obniżone pH). Przy zabarwieniu warstw wewnętrznych na czerwono pH=8,3 do 10. Rzadziej używa się tymoloftaleiny, wskaźnika Crumb'a lub pH-metru (na podstawie wyciągu wodnego drobno zmielonego betonu.

Określenie zawartości chlorków: wykonujemy w funkcji głębokości od powierzchni elementu, korzystając z materiału uzyskanego po rozdrobnieniu 10mm plasterków wyciętych z odwierconego rdzenia materiałem może być też mączka pobrana w czasie odwiertu rdzenia. Przeprowadza się je metodami analizy ilościowej:

- Miareczkowanie potencjometryczne przy pomocy rozcieńczonego kwasu azotowego,

- Oznaczenie argentometryczne metoda Volharda lub z użyciem chromianu potasowego jako wskaźnika miareczkowania,

- Pomiar zmętnienia zawiesiny AgCl (metoda normowa oznaczania chlorków w cemencie),

- Analiza kolorymetryczna (z wykorzystaniem gotowych odczynników),

- Potencjometria bezpośrednia (elektrody jonoselektywne i roztwory wzorcowe)

- Analiza rentgenofluorescencyjna

- Energio-dyspersyjna analiza rentgenowska

Oznaczenie zawartości chlorków bezpośrednio na eksploatowanym obiekcie:

- Jonoselektywna elektrodą (w odwiercie wypełnionym roztworem soli kwasu borowego i azotowego)

- Promieniowaniem neutronowym i promieniowaniem X (do 8cm głębokości od pow. Betonu)

- Wykrywanie stref otuliny betonowej o zwiększonej zawartości chlorków przy użyciu promieniowania ultrafioletowego (UV-test)

Określenie zawartości cementu w betonie: sprawdza się na zgodność z projektem i minimalną ilość oraz dla zagrożenia korozją chlorkową (krytyczną zawartość chlorków określamy w stosunku do masy cementu). Metoda ta zależy od składu petrograficznego.

Określenie wyjściowego stosunku W/C: potrzebne do oceny technologicznej poprawności wykonania betonu oraz uzyskania pośredniej informacji o szczelności betonu. Beton powinien być o niezniszczonej strukturze, stosunkowo szczelny, nie objęty korozja chemiczną i posiadający kruszywo nie porowate. Pierwotna ilośc wody oblicza się jako ilośc wody związanej i niezwiązanej.

Inne oznaczenia chemiczne:

- stopień hydratacji cementu

- zawartość siarczanów w betonie

- ocena składu mineralnego betonu (analiza termiczna, rentgenofazowa, spektralna w podczerwieni)

Badania mikroskopowe: do oceny struktury i tekstury betonu. Próbki jedno lub dwustronnie szlifowane, nasycane roztworami i odpowiednio oświetlane. Sterowny komputerowo analizator umożliwia zaliczanie i klasyfikacje porów oraz określenie wielkości ziaren kruszywa i jego rozdział na frakcje. Określenie składu mineralnego betonu umożliwia obserwacja próbek w skaningowym mikroskopie elektronowym oraz badania rentgenofazowe. Metoda stereoskopii w podczerwieni umożliwia identyfikację do betonu oraz innych zawartyc w nim substancji organicznych.

Określenie nasiąkliwości, struktury porowatości oraz mrozoodporności: określenie charakterystyki nasiąkliwości oraz struktury porowatości betonu pozwalają wnioskować o jego mrozoodporności. Określenie krytycznego stopnia nasycenia, zawartości porów kapilarnych oraz całkowitej porowatości betonu. Rdzenie o średnicy i wysokości 50mm. Można przeprowadzić także przy użyciu porozymetru rtęciowego, piknometru.

Badania gazo i wodoprzepuszczalności betonu: pomiar współczynnika dyfuzji stwarza możliwość prognozowania postępu korozji betonu i stali. Od gazo przepuszczalności betonu uzależniony jest postęp karbonizacji betonu, powodujący w momencie osiągnięcia poziomu zbrojeni utratę własności ochronnych przez warstwę pasywną. Prędkość korozji uzależniona jest od dostępu tlenu. Z gazo przepuszczalnością powiązana tez jest wodoprzepuszczalność, która wpływa na przebieg korozji ługującej betonu pod wpływem wód opadowych, szybkość niszczącego działania mrozu i soli odladzających oraz korozję stali zbrojeniowej, która może przebiegać tylko w wilgotnym środowisku. Metody:

- prózniowa (z odwiertem, lub z przyssawką) częściowo niszcząca. Mierzony jest czas powrotu wywołanego na początku pomiaru ciśnienia w zakorkowanym otworze do wartości ciśnienia atmosferycznego.

- ciśnieniowa: wprowadzona ukośnie w odwiercony otwór® w betonie sonda pomiarowa wskazuje wzrost ciśnienia w funkcji czasu na głębokości na której się znajduje, a z jego przebiegu można wyciągnąć wnioski dotyczące przepuszczalności warstwy betonu, przez która przechodzi wtłaczane pod ciśnieniem powietrze. Ważnym wskaźnikiem jakości betonu jest wodoprzepuszczalność. Stwierdzono że przy W/C = 0,40÷0,45 i dobrej pielęgnacji posiadają współczynnik równy ok. 1*10^-14m/s.

Metody elektryczne i elektromagnetyczne: służą do:

Określenia wilgotności powierzchniowych warstw betonu w warunkach polowych. Służy do określenia miejsc zwiększonego zagrożenia korozyjnego stali zbrojeniowej, jak również do oceny przygotowania powierzchni dla nałożenia warstw naprawczych z zapraw cementowych, cementowych modyfikowanych polimerami i żywicznych

- Pomiar rezystancji metoda 4 punktów lub pomiar pomiędzy zbrojeniem a głowicą pomiarową na powierzchni elementy betonowego

- Pomiary pojemnościowe przy zastosowaniu warstwy betonowej jako dielektryka)

- Pomiary mikrofalowe (woda związana częst. 18GHz, niezwiązana 1GHz)

- Pomiar przy pomocy czujnika ciekłokrystalicznego reagującego na zmianę wilgotności przez zmianę barwy

- Pomiar wilgotności powietrza stykającego się z powierzchnią betonu

Wykrywanie rys metoda sondy potencjału:

Sonda potencjału mierzy różnice potencjału dwóch znajdujących się stosunkowo blisko obok siebie punktów, znajdujących się pomiędzy dwoma elektrodami zasilanymi prądem stałym. Gdy natrafi na rysę sonda wskazuje większy potencjał. Tą metoda można także ustalić grubość płyty betonowej, wilgotność betonu oraz położenie zbrojenia.

Metody radiograficzne:

Używa się promieni Rentgena oraz promieni γ (w opracowaniu α i β). W polowych badaniach używa się najczęściej promieniowania γ (iryd 192 lub kobalt 60). Są tez przenośne źródła promieniowania rentgenowskiego. Umożliwiają:

- analizę jednorodności betonu, położenia rys oraz stali zbrojeniowej, określenia grubości warstw oraz gęstości materiału,

- analizę stanu naprężeń, w tym naprężeń własnych.

Metody termiczne: opierają się na wykorzystaniu zjawiska zakłócenia przewodzenia ciepła przez niejednorodności materiału. Są one wykrywane poprzez pomiar temperatury na powierzchni elementu konstrukcyjnego. Może być on realizowany przy pomocy termoelementów, farb reagujących zmianą barwy na zmianę temperatury, ciekłych kryształów oraz detektorów promieniowania cieplnego. Najczęściej stosuje się detektory promieniowania podczerwonego.

Metody elektryczne i elektromagnetyczne

W odniesieniu do betonu metody elektryczne i elektromagnetyczne znajdują największe zastosowanie w następujących zadaniach:

a) Określenie wilgotności powierzchniowych warstw betonu w warunkach polowych.

Służy to do określania miejsc zwiększonego zagrożenia korozyjnego stali zbrojeniowej jak również do oceny przygotowania powierzchni dla nałożenia warstw naprawczych. Wnioski dotyczące wilgotności betonu można wyciągnąć poprzez:

- pomiar rezystancji otuliny betonowej metodą czterech punktów wg Wannersa, lub poprzez pomiar pomiędzy zbrojeniem i głowicą pomiarową na powierzchni elementu betonowego.

- pomiary pojemnościowe przy zastosowaniu warstwy betonowej jako dielektryka.

- pomiary mikrofalowe.

- pomiar przy pomocy czujnika ciekłokrystalicznego reagującego na zmiany wilgotności poprzez zmianę barwy.

- pomiar wilgotności powietrza stykającego się z powierzchnią betonu.

b) Wykrywanie rys metodą sondy potencjału

Sonda potencjału mierzy różnicę potencjału dwóch znajdujących się stosunkowo blisko obok siebie punktów, znajdujących się pomiędzy dwoma elektrodami zasilanymi prądem stałym.

Metody radiograficzne i termiczne

Cechą wspólną metod radiograficznych i termicznych badania stanu betonu jest duży koszt ich realizacji. Metody radiograficzne wymagają wielkiej ostrożności w posługiwaniu się nimi, ze względu na szkodliwość promieniowania w nich używanego dla organizmów żywych.

a) Metody radiograficzne - wśród metod radiograficznych najczęściej stosowane są badania przy użyciu promieni Rentgena oraz promieni γ. Badania przy użyciu promieniowania rentgenowskiego oraz γ umożliwiają:

- analizę jednorodności betonu, położenia rys oraz stali zbrojeniowej, określenie grubości warstw oraz gęstości materiału.

- analizę stanu naprężeń, w tym naprężeń własnych.

Podejmowane są również próby wykorzystania dla celów diagnostycznych innych rodzajów promieniowania, np. neutronowego, α oraz β. Największe zastosowanie wydaje się tu mieć promieniowanie neutronowe, wykorzystane np. do oceny wilgotności betonu.

b) Metody termiczne - opierają się na wykorzystaniu zjawiska zakłócenia przewodzenia ciepła przez niejednorodności materiału. Najczęstsze zastosowanie znajdują obecnie detektory promieniowania podczerwonego zbudowane na bazie półprzewodników. Umożliwiają one pomiar temperatury z dokładnością do dziesiątych części Kelwina [^oC].

Mechanizm korozji stali zbrojeniowej

Korozja stali zbrojeniowej prowadzi do zmniejszenia jej przekroju zdolnego do przenoszenia naprężeń. Konsekwencją tego jest obniżenie się lub w skrajnym przypadku całkowita utrata nośności obiektu betonowego. proces ten możemy podzielić na dwa zasadnicze etapy: przygotowawczy i właściwy proces niszczenia.

W okresie przygotowawczym karbonizacja, chlorki i inne szkodliwe substancje z otoczenia obiektu przenikają do jego wnętrza, nie powodując jeszcze żadnych uszkodzeń zbrojenia, bądź zauważalnej destrukcji betonu. We właściwym procesie niszczenia w efekcie częściowego bądź całkowitego zniszczenia warstwy pasywnej, na powierzchni zbrojenia rozwija się proces jego korozji, a narastające jej produkty po upływie pewnego czasu powodują zarysowanie i odspajanie otuliny betonowej.

Proces powstawania i warunki istnienia warstwy pasywnej

Znajdująca się w alkalicznym środowisku świeżo stwardniałego betonu stal zbrojeniowa pokrywa się cienką warstewką pasywną. Wg teorii warstewkowej procesu pasywacji, jest ona utworzona z produktów wzajemnego oddziaływania metalu i środowiska, w którym się on znajduje. W przypadku stali zbrojeniowej w skład warstwy pasywnej wchodzą tlenki żelaza FeO oraz Fe₂O₃ powstające w wyniku oddzielania się cząsteczek wody z będących częściowymi produktami korozji stali wodorotlenków żelaza:

Fe(OH)₂⇒FeO+H₂O

2Fe(OH)₃⇒Fe₂O₃+3H₂O

W betonach z cementów portlandzkich wodorotlenek wapnia reaguje z amorficznym wodorotlenkiem żelaza. W wyniku tej reakcji powstaje niewrażliwy na działanie wody żelazian wapnia:

2Fe(OH)₃+Ca(OH)₂⇒Fe₂O₃ ⋅ CaO+4H₂O

W wyniku tych zachodzących na powierzchni zbrojenia reakcji, pokrywa się ono cienką, nieprzepuszczalną dla wody, tlenu oraz jonów żelaza warstwą. Powoduje to zahamowanie przechodzenia jonów Fe²⁺ do roztworu cieczy porowej, będącego warunkiem zachodzenia anodowej części procesu korozji. Warstwa pasywna posiada jednak zdolności przewodzenia elektronów, co sprawia, że po inicjacji procesu korozji w miejscach sąsiednich może ona w nienaruszonym stanie pełnić funkcję katody w elektrochemicznym ognisku korozji. Pasywacja stali następuje już w ciągu 10÷12 godzin po jej otuleniu betonem, ulega jej zarówno stal czysta jak i pokryta niewielkim nalotem rdzy. Dzięki temu stosowanie zbrojenia posiadającego już niewielki nalot korozyjny nie obniża jego trwałości, a może nawet polepszyć warunki jego przyczepności do betonu. Na trwałość warstwy pasywnej decydujący wpływ wywiera zasadowy odczyn otaczającego ją betonu, określany wartością wykładnika jonów wodorowych pH cieczy porowej. Już przy pH<10 warstwa ochronna zbrojenia staje się niestabilna, a przy pH<9 ulega zniszczeniu, co przy dopływie wilgoci i tlenu powoduje rozwój procesów korozyjnych. Zmiana obszaru termodynamicznego, w którym znajduje się zbrojenie, może nastąpić poprzez obniżenie pH jego środowiska (karbonizacja, korozja ługująca, zarysowanie konstrukcji), celową zmianę jego potencjału (ochrona katodowa) lub niezamierzoną zmianę potencjału (prądy błądzące).

1 okres przygotowawczy do właściwego procesu korozji

do rozpoczęcia procesu korozji stali zbrojeniowej niezbędna jest obecność na jej powierzchni cząsteczek tlenu i wody oraz przynajmniej lokalne naruszenie warstwy pasywnej, dla umożliwienia udziału jonów Fe²⁺. Utrata stabilnośći warstwy pasywnej nasepuje przez wody opadowe i sole odladzające. Na szybkość wnikania jonów cl- i zwiazane z tym zagrożenia korozją ma wpływ opór dyfuzyjny betonu. Zależy on od stopnia porowatości kapilarnej (W/C) oraz od grubości otuliny. Niemniej ważna jest też wazna pielęgnacja betonu.adolność wiązania jonów Cl- przez Al₂O₃ betonu w sól Friedla pozbawia część z nich możliwośći agresywnego oddziaływania na warstwę pasywną zbrojenia. Betony wykonane z cementów o małej zawartośći C₃A oraz cementów hutniczych mają stosunkowao małą zdolność wiązania chlorków. Krytyczna wartość chlorków na 0,4% masy Cl w stosunku do masy cementu - warunek w którym może zachodzić korozja. Korozja zbrojenia często powstaje w miejscach zarysowań i rys.

2 właściwy proces korozji

korozja stali zbrojeniowej jest procesem elktro chemicznym skłądającym się z dwóch części: procesu anodowego oraz katodowego. W miejscu uszkodzenia ochraniającej zbrojenie warstwy pasywnej tworzy się strefa anodowa powstającego ogniska korozji, a katodowa w sąsiadujących z nią odcinkach tego samego pręta.

Wywołany lokalnym zanieczyszczeniam warstwy pasywnej proces korozji może zachodzić bez powiększania swego zasięgu w zdłuż pręta zbrojeniowego. Mamy w tedy do czynienia ze zjawiaskiem korozji wżerowej, szczególnie niebezpiecznej dla mocno wytężonych konstrukcji mostowych. W połączeniu z wrażliwością wysoko wytrzymałych stali na działanie karbu może być ono przyczyną nieoczekiwanych awarii

3 wpływ dostepu tlenu, wilgotności betonu i zawartości chlorków na szybkość postępu procesu korozji

dostęp tlenu jest niezbednym warunkiem przebiegu procesu korozji. W pobliżu czynnego ogniska korozji, gdzie jest on zużywany stężenia tlenu jest dużo niższe niż na powierzchni betonu. Dostęp wilgoci jest również niezbedny dla przebiegu zjawiska korozji.

• wzrost grubości otuliny spowalnia proces korozji

• w mokrym lub wilgotnym betonie występuje tylko niewielka korozja

• w bardzo suchym betonie korozja zanika

• wraz ze wzrostem zawartości jonów chloru na powierzchni zbrojenia Cl^-_s wzrasta szybkość korozji, lecz proporcjonalnie do (Cl)^m>1

Dla uniknięcia procesu korozji zbrojenia wskazane jest:

• stosowanie mieszanek betonowych o dużej zawartości cementu (portlandzkiego) i niskim stosunku W/C, pozwalających na uzyskanie szczelnych betonów o dużej zdolności wiązania agresywnych jonów Cl^-,

• unikanie stosowania małych grubości otuliny,

• zwrócenie uwagi na właściwą pielęgnację betonu,

• niedopuszczanie do nadmiernego zarysowania konstrukcji.

METODY OCENY STANU STALI ZBROJENIOWEJ W EKSPLOATOWANYCH KONSTRUKCJACH MOSTOWYCH

Położenie zbrojenia wewnątrz konstrukcji uniemożliwia jego bezpośrednią ocenę wizualną i bezpośredni pomiar ubytków korozyjnych. Jest to możliwe w rezultacie:

• Odspojenia i odpadnięcia warstwy otuliny, mają miejsce tylko w głęboko zaawansowanym stadium niszczenia konstrukcji

• Rdzawe nacieki- które mogą być zresztą spowodowane korozją metalowych ciał obcych zabetonowanych przypadkowo w czasie budowy obiektu.

Metody oceny stanu stali zbrojeniowej można podzielić na dwie grupy, obejmujące określenie położenia średnicy prętów i grubości otuliny oraz właściwą ocenę stanu korozyjnego zbrojenia:

1. określenie położenia, średnicy oraz grubości otuliny prętów zbrojeniowych:

• metody magnetyczne

• met. Termograficzne

• met. Radiograficzne

2. ocena stanu korozyjnego stali zbrojeniowej

• pomiar rozkładu potencjału stacjonarnego na powierzchni elementu

• pomiar rezystancji otuliny betonowej

• pomiar przewodności warstwy pasywnej

• galwanostatyczne pomiary impulsowe

• analiza gradientu potencjału na powierzchni elementu betonowego

• spektroskopia impedancyjna

• analiza szumu elektrochemicznego

• analiza krzywych polaryzacji stali zbrojeniowej w wodnych wyciągach z betonu

• metoda pomiaru zmian potencjału po anodowej i katodowej polaryzacji zbrojenia

MECHANIZM DEGRADACJI KONSTRUKCJI POMOSTU JAKO CAŁOŚCI ORAZ METODY OCENY JEJ STANU.

1. Utrata szczelności izolacji oraz systemu odwodnienia

2. Zarysowania konstrukcji, rodzaje rys i przyczyny ich powstania

Zarysowanie pomostu w strefie ściskanej ma wpływ na nośność przekroju, w całej konstrukcji na przyspieszenie korozji stali zbrojeniowej.

Rysy dzielimy na:

• Rysy od obciążenia, mają znaczną rozwartość, powstają od nieprzewidzianych w projekcie znacznych obciążeń, zbyt wczesnego rozszalowania konstrukcji, za niskiej wytrzymałości betonu, zbyt małej ilości zbrojenia

• Rysy od lokalnej koncentracji naprężeń, występują w strefie zakotwień

• Rysy od skurczu i naprężeń betonu

• Rysy powierzchniowe od agresji chemicznej i reakcji alkalicznych zachodzących pomiędzy składnikami betonu, mają układ sieciowy

• Rysy wzdłuż zbrojenia wywołane działaniami sił przyczepności stali i betonu przy zbyt małej grubości otuliny

METODY OCENY STANU KONSTRUKCJI POMOSTU JAKO CAŁOŚCI

1.Ocena wizualna - pozwala ustalić zaawansowane stany obniżenia trwałości konstrukcji nośnej i stan elementów wyposażenia.

2.Ocena grubości i jakości warstw nawierzchni i izolacji

• Badanie na odwiertach i wycinkach

• Badanie metodami elektromagnetycznymi

• Badanie metodami młoteczkowymi

• Pomiar różnic fazowych (rozchodzenie się fal dźwiękowych pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem)

• Pomiary mikrofalowe i rentgenograficzne (dla warstw na podłożu metalicznym)

3. Ocena stanu zarysowania konstrukcji

• Określenie miejsc powstawania i propagacji rys (powierzchnię elementu pokrywamy lakierem, przy narastającym odkształceniu pękający lakier wskazuje obszary szczególnie wytężone)

• Określenie rozwartości rys (lupa Brinell'a , szblony wykonane metodą fotograficzną)

• Określenie głębokości rys (igły, sonda potencjału, ultradźwięki 60-100kHz)

4. Pomiar odkształceń i przemieszczeń konstrukcji

• Pomiary tensometryczne (czujniki zegarowe 0,01-0,001mm ; suwak z noniuszem do pomiaru ugięć 0,1-0,05mm ; indukcyjne mierniki przemieszczeń ; czujniki strunowe do pomiaru przemieszczeń i odchyleń kątowych ; tensometry mechaniczne, elektrooporowe i strunowe)

• Pomiary geodezyjne (niwelatory samopoziomujące Zeiss007 Zeiss002 ; niwelator szwajcarski TESA)

• Pomiary fotogrametryczne

• Interferometria laserowa

• Holografia

5. Metoda obciążeń próbnych (obciążenia powodują: pojazdy w ruchu, wirujące masy wibratorów, impulsy wzbudzone poprzez upadek obciążnika na pomost. Obciążenia mierzymy: rejestratory elektroniczne, wielokanałowe, automatyczne ; urządzenia filmowe, laserowe ; wibrografy Geigera)

PRZYCZYNY POWSTAWANIA USZKODZEŃ ELEMENTÓW BETONOWYCH I ŻELBETOWYCH

• Karbonizacja przy działaniu dwutlenku węgla

• Przemiany spoiwa przy działaniu dwutlenku siarki

• Silnych uszkodzeń korozyjnych przy wnikaniu chlorków

• Odspojeń przy oddziaływaniu wilgoci i mrozu

• Zarysowania od oddziaływań termicznych

• Błędnego wykonania i pielęgnacji

• Niewłaściwego obciążenia

• Niewystarczającego otulenia zbrojenia

IDENTYFIKACJA USZKODZEŃ I BADANIA

1. ocena wizualna

2. badania na obiekcie przy użyciu przyrządów

• Miejsca z pustkami (opukujemy młotkiem powierzchnię elementu w celu zlokalizowania ubytków)

• Karbonizacja (uzywamy FENOFTALEINY - zmienia barwę z bezbarwnej na czerwoną, TYMOLOFTALEINA - z bezbarwnej na niebieską)

3. Położenie zbrojenia

• Szybki pomiar magnesem

• Wykrywacze elektromagnetyczne (pomiar grubości otuliny)

• Pobranie rdzeni z odwiertów (używamy wiertnicy z diamentową nasadką)

4. Wytrzymałość betonu na ściskanie

• Sklerometr

• Pobranie rdzeni z odwiertów

5. Profil wniknięcia chlorków

• Metoda Darr'a (porównanie ciężaru próbki wilgotnej i wysuszonej)

• Pomiar CM (dla obszarów przypowierzchniowych)

• Rurki Carsten'a (badania nasiąkliwości podłoża)

METODY NAPRAW

ochrona zbrojenia przed korozją.

zaprawy reprofilujace do napraw betonu,

masy szpachlowe w postaci warstw wyrównujących

systemy materiałów ochrony powierzchniowej.

• PRZYGOTOWYWANIE PODŁOŻY

stru­mieniowanie sprężonym powietrzem z trwałym ścierniwem frezowa­nie kulowanie

strumieniowanie wodą o wysokim ciśnieniu

OCHRONA PRZED KOROZJĄ

• Usuwanie rdzy ze zbrojenia

metody mechaniczne

• Przy wystarczającej grubości otuliny betonowej

Dodatkowe zabezpieczenie powłokami przeciwkorozyjnymi nie jest dopuszczalne względnie konieczne.

• Normowy stopień oczyszczenia St2

Usunąć luźna zgorzelinę; rdze należy usuwać aż do uzyskania powierzchni stali o lekkim metalicznym połysku.

• Normowy stopień oczyszczenia SA 2

Zgorzelinę i rdze usunąć prawie w całości w takim stopniu, aby na powierzchni zbrojenia pozostały tylko resztki zgorze­liny i rdzy o dobrej przyczepności (bez nawarstwień), odpo­wiadające fotograficznemu wzorcowi porównawczemu.

• Przy niewystarczającej grubości otulenia i koniecznej do wykonania ochrony przeciwkorozyjnej

Normowy stopień oczyszczenia SA 2 ½

Zgorzelinę i rdze usunąć w takim stopniu, aby ich pozostałości na powierzchni stali dawały jedynie lekkie zacienienia w miejscach porów.

• Oprzyrządowanie

St 2 - czyszczenie wysokociśnieniowe (>600 bar) ręczne czyszczenie rdzy szczotki mechaniczne

SA 2 - strumieniowanie trwałym ścierniwem

SA 24 - strumieniowanie trwałym ścierniwem (w przypadku występowania chlorków wstępne strumieniowanie woda pod wysokim ciśnieniem)

• Metoda ochrony przed korozją R

• Ochrona przeciwkorozyjna, mająca na celu przywrócenie alka­liczności środowiska

• R l : realkalizacja alkalicznym betonem lub zaprawa

• R 2 : miejscowe naprawy alkalicznym betonem lub zaprawa

• Metoda W

• Ochrona przeciwkorozyjna przez ograniczenie zawartości wody w betonie

• Metoda C

• Ochrona przeciwkorozyjna przez pokrycie zbrojenia ma­teriałami antykorozyjnymi jak: żywice epoksydowe z aktywny: pigmentem i mineralne powłoki antykorozyjne.

• Metoda K

• Katodowa ochrona przeciwkorozyjna - zasilanie z zewnętrznego źródła energii:

• Powłoki ochrony przed korozją

-ściśle przylegające do prętów zbrojeniowych, wystarczająca grubość, ochronna zbrojenia przed od­działywaniem wilgoci i szkodliwych gazów, powinna ona odpowiadać stosowanej zaprawie i warstwie sczepnej (łączącej)

• Ochrona przed korozją na bazie EP

Wolne od rozpuszczalników, dwuskładnikowe system-żywica/utwardzacz w koniecznych przypadkach z aktywnymi dodatkami pigmentujacymi (fosforan cynku, opiłki cynku, chromian cynku mączka klinkierowa i cement)

Grubości warstw:

nanoszenie jednokrotnie > 0.30 mm

nanoszenie dwukrotnie > 0.20 mm (1.warstwa)z obsypaniem

• Ochrona przed korozją na bazie mineralnej

Na bazie szlamów cementowych mody­fikowanych tworzywami sztucznymi nanoszona przynajmniej w dwóch cyklach roboczych przy grubości każdej warstwy powyżej 1.00 mm.

• Reprofilacja

W zależności od stopnia uszkodzenia i koniecznej dokładność: reprofilacji ' stosowane są różne systemy łącznie z warstwami sczepnymi.

• Systemy zastępujące beton

• Beton > B 35

• Beton natryskowy > B 35

• CC - Cement - Concrete (Beton)

• PC - Polimer - Concrete

• PCC - Polimer - Cement - Concrete

• SPCC - Spritz - Polimer - Cement - Concrete (Natrysk)

• ECC - Epoksy - Cement - Concrete

OCHRONA POWIERZCHNI

• Określenia możliwości powlekania

Impregnacja

Zamkniecie nawierzchni

Pokrycie powierzchniowe

Grubowarstwowe pokrycie powierzchniowe

• Opór dyfuzji

• Hydrofobowanie

-Ochrona przed zawilgoceniem powierzchni, pełniąca funkcje ochronne dla betonu. ale bez zabezpieczania przed karbonizacja,

• Powłoki ochronne dla betonu

Roztwory żywic akrylowych lub ich dyspersje

• -powstrzymują proces karbonizacji

• -odporne na działanie zasad, światła, warunków atmosferycznych i promieniowania ultrafioletowego

• -możliwe do pokrycia nawet po wielu latach

• -systemy sztywne i elastyczne

Dyspersje polimerowe maja większe grubości i mogą przekrywać rysy. Systemy zimno elastyczne zachowują elastyczność również przy niskich temperaturach.

Systemy żywic EP dla powierzchni obciążonych woda, jednak stwarzają problem co do zdolności dyfuzji.

W naprawach betonu stosowane celowo na:

• powierzchniach poziomych np. przy balustradach

• powierzchniach obciążonych woda np . cokoły w obszarach rozbryzgów

• powierzchniach z oddziaływaniami chemicznymi np. w oczyszczalniach ścieków

• Wyrównywanie nawierzchni

Chropowate powierzchnie lub powierzchnie z pakami wymagają wyrównania przy użyciu mas szpachlowych lub szlamów drobnoziarnistych w celu uzyskania zamkniętej powierzchni.

• szpachlówki drapane przy użyciu systemów PCC lub systemów żywicznych

• szpachlówki wyrównawcze z mas szpachlowych typu PCC

• elastyczne, powierzchniowe masy szpachlowe - system PCC

• zaprawy nawierzchniowe systemu PCC lub żywiczne.

• Nanoszenie warstwy wyrównującej

• masy szpachlowe

• system szlamów

• metoda szpachlowania, szlamowania lub natrysku

• max grubość nanoszonej warstwy 5 mm

• podłoże wstępnie nasączyć

• obróbka powierzchni: wygładzenie, pianka, gąbka, struktura deski itd. w zależności od wymagań.

• Nanoszenie pokrycia (powłoka ochronna)

• stosować przerwy przed nanoszeniem

• hydrofobowanie (metoda natrysku lub polewania)

• gruntowanie w wymaganych przypadkach (zależnie od systemu)

• naniesienie powłoki ochronnej - dwa cykle robocze

• kontrola grubości warstwy

• problemy: przy obróbce systemów zawierających rozpuszczalniki lub wodnych

• wybór koloru (możliwie jasne kolory)

• Dobór materiałów

Przy wyborze materiałów należy brać pod uwagę, m.in. następujące kryteria:

Ogólnie:

• nośność

• rodzaj i zakres robót

• przebieg robót w czasie

• warunki klimatyczne

Rodzaj naprawy:

• beton, zaprawa cementowa

• zaprawy modyfikowane tworzywami sztucznymi

• zaprawy z żywic syntetycznych np . PC lub ECC

Rodzaj obróbki:

• ręcznie

• maszynowo

Wymagania, warunkujące stosowanie systemu:

• różnorodność czynności roboczych

• długotrwałość prac (naprawa)

• wytrzymałość w młodym wieku i pielęgnacja.

Iniekcja rys

1. Przyczyny powstawania rys:

- wadliwa jakość betonu

- błędne rozmieszczenie prętów zbrojeniowych

- wahania temp.

- przeciążenia mechaniczne i dynamiczne

- osiadania i pożary

Rysy o szerokości rozwarcia większej od podanych wartości muszą zostać zabezpieczone:

- dla elem. w pomieszczeniach pomieszczeniach o normalnej wilg. >0,3mm

- dla elem. poddanym oddziaływaniom atmosferycznym >0,2mm

- dla elem. w środowisku agresywnym >0,1mm

2.0. Pomiary rys

Do pomiaru rys wykorzystujemy lupy do rys z podziałką pomiarową lub miarki do określenia szerokości rozwarcia rys.

3. Systemy zabezpieczenia rys

Wyróżniamy następujące rodzaje iniekcji: uciąglające, uszczelniające, elastyczne i wypełniające.

W celu zabezpieczenia rys stosujemy następujące kombinacje iniekcji:

- uciąglająco - uszczelniająco - wypełniające

- elastyczno - uszczelniająco - wypełniające

4.0. Materiały do wypełniania rys

Materiały iniekcyjne dzieli się na produkty z tworzyw sztucznych lub na bazie materiałów mineralnych:

- tworzywa sztuczne (termoplasty, duroplasty, elastomery lub plastomery otrzymane w wyniku polimeryzacji, polikondensacji lub poliaddycji)

Płynne tworzywa sztuczne to: żywice epoksydowe, poliuretany, nienasycone poliestry i polimetakrylany metylu.

Właściwości płynnych tworzyw sztucznych to: mała lepkość, dobra zwilżalność, dobra spójność, mały skurcz, twardnienie nielekkie, odporność na działanie zasad i kwasów.

- materiały mineralne- powodem ich stosowania są niższe koszty jak również mniejsza uciążliwość dla środowiska naturalnego. Są to głównie zaczyny cementowe, suspensje cementowe i silikaty.

5.0. Metody iniekcji

Metody iniekcji klasyfikuje się zależnie od materiału budowlanego, konstrukcji, przesklepienia, materiału iniekcyjnego. Przy wypełnieniu rys wykorzystywane są następujące metody:

- pędzlowa i kropelkowa (przypowierzchniowe rysy do 0,3mm)

- grawitacyjna względnie penetracyjna (najłatwiejsza, do rys w posadzkach)

- iniekcja niskociśnieniowa (max. ciśnienie 2MPa, rysy o dużej szerokości)

- iniekcja wysokociśnieniowa (ciśnienie powyżej 2MPa, nie większe niż wytrz. bet./3, częściej stosowane razem z niskociśnieniową)

- metoda próżniowa (materiał iniekcyjny jest zasysany przez wywołane podciśnienie na całej długości rysy, rzadko stosowana)

6.0. Pakery iniekcyjne

Są to specjalne urządzenia w postaci rurek wlotowych i odpowietrzających służących do wprowadzenia materiału iniekcyjnego do rysy. Rozróżniamy:

- pakery wiertnicze (iniekcja wysoko- i niskociśnieniowa)

- pakery udarowe (j.w.)

- pakery naklejane (iniekcja do ciśnienia 3MPa)

- pakery specjalne (iniekcja niskociśnieniowa)

- węże iniekcyjne (wbudowywane wcześniej rury, które po stwardnieniu betonu umożliwiają ukierunkowanie wprowadzania materiału iniekcyjnego do miejsc z potencjalnymi uszkodzeniami)

7.0. Urządzenia do iniekcji

W zależności od rodzaju pompy wyróżnia się następujące urządzenia do iniekcji:

- urządzenia membranowe i bezpowietrzne (najczęściej stosowane, do wtłaczania niskolepkich materiałów metodą nisko- i wysokociśnieniową)

- pompy tłokowe (materiał iniekcyjny o niskiej lepkości, metodą nisko- i wysokociśnieniową)

- prasy ślimakowe (do wtłaczania zapraw iniekcyjnych, suspensji iniekcyjnych jak również wysokolepkich materiałów)

- prasy kolanowe (iniekcja przy małej ilości materiału)

- pompy próżniowe (insekt zostaje zassany przez podciśnienie bezpośrednio do rysy)

- pompy specjalne (dają one niskie ciśnienie)

- pompy jedno- i dwuskładnikowe (w zależności od rodzaju podawanego iniektu)

8.0. Sposób wykonania iniekcji

Zależy od rodzaju materiału budowlanego, rodzaju uszkodzenia i rodzaju rysy.

1. przy użyciu pakerów wiertniczych:

- prace przygotowawcze

- wykonanie odwiertów

- ustalenie odległości między pakerami (grub. elem./2)

- usunięcie pyłu wiertniczego (pistolety do przedmuchiwania)

- montaż pakerów

- przesklepienie rysy

- iniektowanie

- usunięcie pakerów i obróbka przesklepienia

b) przy użyciu pakerów naklejanych

- prace przygotowawcze

- ustalenie rozstawu pakerów

- naklejenie pakerów

- przesklepienie rysy

- iniektowanie

- usunięcie pakerów i obróbka przesklepienia

c) iniekcja rys wodonośnych - tak jak dla pakerów wiertniczych

Metody elektryczne i elektromagnetyczne

W odniesieniu do betonu metody elektryczne i elektromagnetyczne znajdują największe zastosowanie w następujących zadaniach:

a) Określenie wilgotności powierzchniowych warstw betonu w warunkach polowych.

Służy to do określania miejsc zwiększonego zagrożenia korozyjnego stali zbrojeniowej jak również do oceny przygotowania powierzchni dla nałożenia warstw naprawczych. Wnioski dotyczące wilgotności betonu można wyciągnąć poprzez:

- pomiar rezystancji otuliny betonowej metodą czterech punktów wg Wannersa, lub poprzez pomiar pomiędzy zbrojeniem i głowicą pomiarową na powierzchni elementu betonowego.

- pomiary pojemnościowe przy zastosowaniu warstwy betonowej jako dielektryka.

- pomiary mikrofalowe.

- pomiar przy pomocy czujnika ciekłokrystalicznego reagującego na zmiany wilgotności poprzez zmianę barwy.

- pomiar wilgotności powietrza stykającego się z powierzchnią betonu.

b) Wykrywanie rys metodą sondy potencjału

Sonda potencjału mierzy różnicę potencjału dwóch znajdujących się stosunkowo blisko obok siebie punktów, znajdujących się pomiędzy dwoma elektrodami zasilanymi prądem stałym.

Metody radiograficzne i termiczne

Cechą wspólną metod radiograficznych i termicznych badania stanu betonu jest duży koszt ich realizacji. Metody radiograficzne wymagają wielkiej ostrożności w posługiwaniu się nimi, ze względu na szkodliwość promieniowania w nich używanego dla organizmów żywych.

a) Metody radiograficzne - wśród metod radiograficznych najczęściej stosowane są badania przy użyciu promieni Rentgena oraz promieni γ. Badania przy użyciu promieniowania rentgenowskiego oraz γ umożliwiają:

- analizę jednorodności betonu, położenia rys oraz stali zbrojeniowej, określenie grubości warstw oraz gęstości materiału.

- analizę stanu naprężeń, w tym naprężeń własnych.

Podejmowane są również próby wykorzystania dla celów diagnostycznych innych rodzajów promieniowania, np. neutronowego, α oraz β. Największe zastosowanie wydaje się tu mieć promieniowanie neutronowe, wykorzystane np. do oceny wilgotności betonu.

b) Metody termiczne - opierają się na wykorzystaniu zjawiska zakłócenia przewodzenia ciepła przez niejednorodności materiału. Najczęstsze zastosowanie znajdują obecnie detektory promieniowania podczerwonego zbudowane na bazie półprzewodników. Umożliwiają one pomiar temperatury z dokładnością do dziesiątych części Kelwina [^oC].

Mechanizm korozji stali zbrojeniowej

Korozja stali zbrojeniowej prowadzi do zmniejszenia jej przekroju zdolnego do przenoszenia naprężeń. Konsekwencją tego jest obniżenie się lub w skrajnym przypadku całkowita utrata nośności obiektu betonowego. proces ten możemy podzielić na dwa zasadnicze etapy: przygotowawczy i właściwy proces niszczenia.

W okresie przygotowawczym karbonizacja, chlorki i inne szkodliwe substancje z otoczenia obiektu przenikają do jego wnętrza, nie powodując jeszcze żadnych uszkodzeń zbrojenia, bądź zauważalnej destrukcji betonu. We właściwym procesie niszczenia w efekcie częściowego bądź całkowitego zniszczenia warstwy pasywnej, na powierzchni zbrojenia rozwija się proces jego korozji, a narastające jej produkty po upływie pewnego czasu powodują zarysowanie i odspajanie otuliny betonowej.

Proces powstawania i warunki istnienia warstwy pasywnej

Znajdująca się w alkalicznym środowisku świeżo stwardniałego betonu stal zbrojeniowa pokrywa się cienką warstewką pasywną. Wg teorii warstewkowej procesu pasywacji, jest ona utworzona z produktów wzajemnego oddziaływania metalu i środowiska, w którym się on znajduje. W przypadku stali zbrojeniowej w skład warstwy pasywnej wchodzą tlenki żelaza FeO oraz Fe₂O₃ powstające w wyniku oddzielania się cząsteczek wody z będących częściowymi produktami korozji stali wodorotlenków żelaza:

Fe(OH)₂⇒FeO+H₂O

2Fe(OH)₃⇒Fe₂O₃+3H₂O

W betonach z cementów portlandzkich wodorotlenek wapnia reaguje z amorficznym wodorotlenkiem żelaza. W wyniku tej reakcji powstaje niewrażliwy na działanie wody żelazian wapnia:

2Fe(OH)₃+Ca(OH)₂⇒Fe₂O₃ ⋅ CaO+4H₂O

W wyniku tych zachodzących na powierzchni zbrojenia reakcji, pokrywa się ono cienką, nieprzepuszczalną dla wody, tlenu oraz jonów żelaza warstwą. Powoduje to zahamowanie przechodzenia jonów Fe²⁺ do roztworu cieczy porowej, będącego warunkiem zachodzenia anodowej części procesu korozji. Warstwa pasywna posiada jednak zdolności przewodzenia elektronów, co sprawia, że po inicjacji procesu korozji w miejscach sąsiednich może ona w nienaruszonym stanie pełnić funkcję katody w elektrochemicznym ognisku korozji. Pasywacja stali następuje już w ciągu 10÷12 godzin po jej otuleniu betonem, ulega jej zarówno stal czysta jak i pokryta niewielkim nalotem rdzy. Dzięki temu stosowanie zbrojenia posiadającego już niewielki nalot korozyjny nie obniża jego trwałości, a może nawet polepszyć warunki jego przyczepności do betonu. Na trwałość warstwy pasywnej decydujący wpływ wywiera zasadowy odczyn otaczającego ją betonu, określany wartością wykładnika jonów wodorowych pH cieczy porowej. Już przy pH<10 warstwa ochronna zbrojenia staje się niestabilna, a przy pH<9 ulega zniszczeniu, co przy dopływie wilgoci i tlenu powoduje rozwój procesów korozyjnych. Zmiana obszaru termodynamicznego, w którym znajduje się zbrojenie, może nastąpić poprzez obniżenie pH jego środowiska (karbonizacja, korozja ługująca, zarysowanie konstrukcji), celową zmianę jego potencjału (ochrona katodowa) lub niezamierzoną zmianę potencjału (prądy błądzące).

1

---