Czynniki powodujące obniżenie eksploatowanych obiektów mostowych.
Zjawisko obniżenia trwałości mostów spowodowane zostało przez:
Projektowanie zbyt wiotkich, cienkich elementów konstrukcyjnych wrażliwych na oddziaływania dynamiczne i korozję, wywołane przez wprowadzenie wymogu oszczędności materiałów
obniżenie dyscypliny wykonawczej na skutek zniesienia nadzoru inwestorskiego i stosowania nakazów administracyjnych sprzecznych z wymogami technologicznymi
obniżenia jakości produkowanych materiałów, w szczególności przez wprowadzenie dodatków do cementów i zmniejszenie odporności na korozję produkowanych wyrobów hutniczych
spadek kwalifikacji pracowników zatrudnionych w wykonawstwie robót mostowych
Czynniki o charakterze ogólnym dzielimy na:
1.Czynniki zależne od człowieka w fazie projektowania obiektu:
niewłaściwe rozpoznanie geologiczne podłoża
przyjęcie niewłaściwego schematu statycznego konstrukcji, rozkładu obciążeń oraz błędy w obliczeniach
przyjęcie niewłaściwego w danych warunkach rozwiązania konstrukcyjnego, wadliwe ukształtowanie przekroju poprzecznego, stosowanie zbyt cienkich przekrojów elementów konstrukcyjnych
zbyt słabe powiązanie konstrukcyjne prefabrykowanych dźwigarów z resztą pomostu
stosowanie zbyt małych grubości otuliny
stosowanie niewystarczającej ilości cienkiego zbrojenia przeciwskurczowego w przekrojach z prętami grubymi
dopuszczenie do koncentracji naprężeń wskutek nadmiernego zagęszczenia zbrojenia
niedostateczne uwzględnienie koncentracji naprężeń w strefach łączenia prętów grubych
niedostateczne uwzględnienie koncentracji naprężeń w strefach zakotwienia elementów kablobetonowych
wadliwe zaprojektowanie izolacji, dylatacji i systemu odwodnienia
wadliwe zaprojektowanie składu mieszanki betonowej, zbyt mała ilość wody, zbyt wysoki stosunek W/C, niewłaściwy dobór kruszywa i jego stosu okruchowego
2.Czynniki zależne od człowieka występujące w czasie realizacji obiektu:
użycie materiałów o niewłaściwej jakości
nieprzestrzeganie reżimu technologicznego budowy, nieciągłości betonowania, niewystarczające zagęszczenie betonu, bądź jego nadmierne rozrzedzenie
stosowanie niewłaściwych bądź o nieodpowiedniej ilości dodatków do betonu
betonowanie na mrozie bez stosowania środków łagodzących jego działanie
niedobetonowania i pustki wewnętrzne- raki
niewłaściwa pielęgnacja dojrzewającego betonu
niedostateczne wypełnienie kanałów kablowych
przedwczesne sprężenie konstrukcji
błędy montażowe
3.Czynniki zależne od człowieka występujące w czasie eksploatacji obiektu:
obciążenia eksploatacyjne oraz ponadnormatywne
stosowanie soli odladzających
zanieczyszczenie chemiczne wód płynących i atmosfery
występowanie prądów błądzących
występowanie szkód górniczych
uderzenia w przęsła i podpory, uszkodzenia mechaniczne elementów konstrukcji i wyposażenia
opóźnione przystępowanie do napraw zaistniałych uszkodzeń oraz brak postępu technologicznego w tym zakresie
nieregularna realizacja zabiegów wchodzących w zakres utrzymania mostów: wymiany elementów o niższej trwałości niż konstrukcja nośna
niewystarczająca kontrola stanu technicznego obiektów oraz niedoskonałość metod tej oceny
4.Czynniki nie zależne od człowieka występujące w czasie realizacji i eksploatacji obiektu:
karbonizacja betonu pod wpływem zawartego w powietrzu CO2
działanie mrozu, a w szczególności przejść temperatury przez 0°C
działanie wód opadowych
działanie wód płynących
działanie składników organicznych wód gruntowych
wpływ temperatury otoczenia i nasłonecznienia
działanie wiatru
nienormowe osiadanie gruntu i jego ruchy
trzęsienia ziemi
skurcz betonu
nierównomierne osiadanie gruntu, względne ruchy warstw gruntu, parcie gruntu
efekt trzęsień ziemi na terenach sejsmicznych
skurcz betonu
Mechanizm obniżenia trwałości betonu.
Zależy od stali zbrojeniowej i od otaczającej ją otuliny. W dobrze wykonanym obiekcie mostowym decydujące znaczenie dla jego długowieczności posiada stan stali zbrojeniowej. Może ona ulec korozji jednak dopiero wtedy gdy warstwa otuliny przestanie spełniać przynależne jej funkcje ochronne, więc degradacja betonu pełni w obniżeniu trwałości obiektu mostowego funkcję pierwszoplanową.
Działanie wód opadowych.
Działanie to ma charakter ługujący. Składnikiem ulegającym najszybciej wymywaniu jest wodorotlenek wapniowy. Przy niedostatecznej szczelności betonu działanie wód opadowych prowadzi do zwiększenia jego porowatości i obniżenia wytrzymałości na ściskanie. Objawem zewnętrznym ługowania Ca(OH)2 są białe nacieki na powierzchni betonu.
Jeśli obiekt mostowy położony jest w zanieczyszczonej atmosferze terenów przemysłowych agresywności ługującej towarzyszyć może agresywność kwasowa lub węglanowa.
W przypadku agresywności kwasowej sposób degradacji betonu zależny jest od rodzaju powstającej w reakcji z Ca(OH)2 soli.
Jeśli będą to sole rozpuszczalne to są wypłukiwane z betonu a obraz zniszczenia podobny jak w przypadku agresywności ługującej. Jeżeli sole wapniowe przechodzą w związki nierozpuszczalne może nastąpić uszczelnienie struktury betonu. Jeżeli powstaną sole pęczniejące to spowodują one rozsadzanie struktury betonu.
Zabezpieczenie przed degradacją - polega na stosowaniu szczelnego betonu dobrej jakości (odpowiedni rodzaj i ilość cementu, niski stosunek W/C, właściwa pielęgnacja), utrzymywaniu izolacji i systemu odwodnienia w należytym stanie oraz ewentualnym użyciu środków powierzchniowej ochrony betonu (np. substancji hydrofobizujących).
Działanie mrozu
Podatny jest wyłącznie beton zawierający wodę w porach kapilarnych. Zamarzając zwiększa ona swoją objętość ( w temp. 0 C o 9%, w temp. -22 C o 13,2%) powodując niszczenie ścianek kapilar, osłabienie rozwarstwienie i łuszczenie się betonu, zwłaszcza w jego warstwach przypowierzchniowych. Zamarzanie wody następuje najpierw w większych kapilarach, a potem w mniejszych. W porach żelowych lód nie powstaje. Szczególnie niebezpieczna dla betonu jest duża liczba przejść temperatury przez 0 C. Przy każdym takim przejściu w powstałe naruszenia struktury betonu wnikają nowe porcje wody, które zamarzając powodują coraz to większe uszkodzenia.
Wykonanie betonów o wysokiej mrozoodporności wymaga użycia kruszywa mrozoodpornego o małej ilości pyłów i stosowania niskiego stosunku W/C. Korzystne jest stosowanie domieszek napowietrzających.
Działania soli odladzających.
Najczęściej stosowanym środkiem odladzającym jest chlorek sodu NaCl, rzadziej chlorek wapnia CaCl2 oraz mocznik nawozowy CO(NH2)2. Obecność chlorków w betonie jest najgroźniejsza dla stali zbrojeniowej: powodując lokalne uszkodzenia warstwy pasywnej wyzwala wżerową korozję zbrojenia. Efektem działania soli odladzających jest odpryskowe łuszczenie się wierzchnich warstw betonu nawierzchni drogowych i obiektów mostowych.
W wyniku działania zamarzającej wody z betonu wyłupywane są bryły w kształcie „soczewek”, w których jak wykazały badania, beton zachowuje wytrzymałość niemal taką samą jak gdyby był nieskorodowany.
W celu zmniejszenia skutków działania soli odladzających w obiektach mostowych, celowe jest stosowanie przy ich wykonaniu cementów o niskiej zawartości glinianu trójwapniowego 3 CaO Al2O3 (np. poniżej 7%), a także unikanie dodatków do cementu w postaci popiołów lotnych i żużli. Mogą one bowiem zawierać tlenki sodowy i potasowy ułatwiające rozpuszczanie się glinianu trójwapniowego w wodzie i jego łączenie z chlorkiem w sól Friedela. Nie wskazane jest poddawanie konstrukcji betonowej działaniu soli odladzających wcześniej niż przed upływem roku od jej wykonania, gdy zachodzą w niej jeszcze dość intensywne procesy hydratacyjne.
Karbonizacja.
Karbonizacja- wynik oddziaływania -CO2 na beton powodujące jego zobojętnienie:
Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2)
W odniesieniu do samego betonu proces ten nie jest szkodliwy, wręcz odwrotnie w jego rezultacie jego działania polepszają się niektóre cechy użytkowe betonu. Krystalizujący w porach kapilarnych węglan wapnia znacznie zmniejsz ich objętość. Wypełnione są główne
Pory, w których następuje kapilarna kondensacja pary wodnej. Zmniejsza się więc wilgotność sorpcyjna betonu, a zwiększa jego szczelność, gęstość pozorna i wytrzymałość. Wymienione zjawiska w połączeniu z obniżeniem przewodności elektrolitycznej cieczy porowej powodują również wzrost rezystywności betonu ( od 2 do 4 razy w przypadku, gdy do betonu nie stosowano dodatków).
Proces karbonizacji przebiega z wyraźną granicą pomiędzy zobojętnioną a niezobojętnioną warstwą betonu. Warstwa w której następuje reakcja zobojętnienia nie przekracza 1 mm grubości.
Szybkość karbonizacji:
zwiększa się proporcjonalnie do pierwiastka stężenia CO2 w powietrzu
zwiększa się wraz ze zwiększeniem wskaźnika W/C, a więc ze wzrostem porowatości betonu
zmniejsza się ze zwiększeniem ilości cementu w betonie, a więc z większą ilością Ca(OH)2
zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości w cemencie żużla i popiołów lotnych
zależy od warunków wilgotnościowych otoczenia
Karbonizacja możliwa jest tylko poprzez pory wypełnione powietrzem, nie będzie karbonizował beton całkowicie nasycony wodą, jak i beton suchy.
W naszych warunkach klimatycznych wilgotność względna powietrza wynosi ok. 75%, czyli jest odpowiednia dla szybkiego przebiegu procesu karbonizacji. Betonowe elementy konstrukcyjne narażone są na bezpośrednie oddziaływanie atmosfery zewnętrznej ale osłonięte od opadów karbonizują ogólnie szybciej niż elementy wystawione także i na działanie opadów.
Metody oceny stanu betonu w eksploatowanych konstrukcjach mostowych.
Ocena wizualna.
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
obszary o wyraźnym zawilgoceniu wskazującym na przepuszczalne uszkodzenie izolacji lub odwodnienia, możliwość zmian w strukturze betonu oraz większe zagrożenie korozją stali zbrojeniowej
złuszczenia powierzchni betonu wskazujące na jego obniżoną mrozoodporność i ewentualne działanie soli odladzających, co również może być powodem wywołanej przez chlorki korozji zbrojenia
rozwarstwienie i odłupywanie otuliny, świadczące o znacznym zaawansowaniu korozji zbrojenia, wyniku której zanikły już siły przyczepności pomiędzy betonem i stalą, a odsłaniające się zbrojenie narażone jest na bezpośrednie oddziaływanie czynników agresywnych
rysy podłużne wśród prętów wskazujące na ekspansję produktów korozji stali zbrojeniowej i pewność dalszego przebiegu procesu destrukcji
rysy skurczowe oraz wywołane wpływem temperatury
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 nieciągłości 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 105oC 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 ilość wody oblicza się jako ilość 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 zawartych 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:
- próżniowa (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:
a.) 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
b.) 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 i termiczne.
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.
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).
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 stabilności warstwy pasywnej następuje przez wody opadowe i sole odladzające. Na szybkość wnikania jonów cl- i związane 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 ważna pielęgnacja betonu .Zdolność wiązania jonów Cl- przez Al2O3 betonu w sól Friedla pozbawia część z nich możliwości agresywnego oddziaływania na warstwę pasywną zbrojenia. Betony wykonane z cementów o małej zawartości C3A oraz cementów hutniczych mają stosunkowo 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.
Właściwy proces korozji.
Korozja stali zbrojeniowej jest procesem elktro chemicznym składającym 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 zanieczyszczeniom warstwy pasywnej proces korozji może zachodzić bez powiększania swego zasięgu w wzdłuż pręta zbrojeniowego. Mamy w tedy do czynienia ze zjawiskiem 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.
Wpływ dostępu tlenu, wilgotności betonu i zawartości chlorków na szybkość postępu procesu korozji
Dostęp tlenu jest niezbędnym 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 niezbędny 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.
Określenie położenia, średnicy oraz grubości otuliny prętów zbrojeniowych
metody magnetyczne
met. Termograficzne
met. Radiograficzne
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.
Utrata szczelności izolacji oraz systemu odwodnienia
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
Ocena wizualna - pozwala ustalić zaawansowane stany obniżenia trwałości konstrukcji nośnej i stan elementów wyposażenia.
Ocena grubości i jakości warstw nawierzchni i izolacji
Ocena stanu zarysowania konstrukcji 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)
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)
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 samopo- ziomujące Zeiss007 Zeiss002 ; niwelator szwajcarski TESA)
Pomiary fotogrametryczne
Interferometria laserowa
Holografia
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
Ocena wizualna
Badania na obiekcie przy użyciu przyrządów
Miejsca z pustkami (opukujemy młotkiem powierzchnię elementu w celu zlokalizowania ubytków)
Karbonizacja (używamy FENOFTALEINY - zmienia barwę z bezbarwnej na czerwoną, TYMOLOFTALEINA - z bezbarwnej na niebieską)
Położenie zbrojenia:
Szybki pomiar magnesem
Wykrywacze elektromagnetyczne (pomiar grubości otuliny)
Pobranie rdzeni z odwiertów (używamy wiertnicy z diamentową nasadką)
Wytrzymałość betonu na ściskanie
Sklerometr
Pobranie rdzeni z odwiertów
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.
Najczęściej stosowane są:
Ochrona zbrojenia przed korozją.
Zaprawy reprofilujace do napraw betonu,
Masy szpachlowe w postaci warstw wyrównujących
Systemy materiałów ochrony powierzchniowej.
Przygotowywanie podłoży.
Przez zastosowanie strumieniowania sprężonym powietrzem z trwałym ścierniwem, frezowania, kulowania, strumieniowania 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 St 2
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)
ZAPEWNIENIE JAKOŚCI.
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.
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.
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.
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
3