Materiały pomocnicze do nauki przedmiotu „Materiały budowlane” na kierunku „Budownictwo” na Wydziale Inżynierii WAT. Na prawach rękopisu. Prawa autorskie zastrzeżone. Wyrażam zgodę na kserowanie wyłącznie na potrzeby studentów Wydziału Inżynierii WAT. mgr inż. Tadeusz Błażejewicz

METODY BADANIA BETONU W KONSTRUKCJI

1. Metoda sklerometryczna badania wytrzymałości betonu na ściskanie za pomocą młotka Schmidta typ N.

Zasady pomiaru podają PN-EN 12504-2 oraz Instrukcja ITB nr 210/1977.

1. Zasada pomiaru.

Młotki Schmidta określają powierzchniową twardość betonu na podstawie pomiaru odskoku masy uderzeniowej młotka. Wartość odskoku czyli tzw. liczbę odbicia L odczytuje się na skali młotka. Na podstawie liczby odbicia, z krzywej regresji R_c = f(L) wyznacza się wytrzymałość betonu na ściskanie. Krzywa regresji obowiązuje tylko dla tego betonu, dla którego została opracowana.

1.2. Zakres stosowania metody.

Młotek Schmidta daje informacje o wytrzymałości elementów betonowych o grubości do 20 cm przy dostępie jednostronnym, a 40 cm przy dwustronnym. Stosowany jest głównie do diagnostyki konstrukcji betonowych. W prefabrykacji może być wykorzystywany do bieżącej kontroli wytrzymałości betonu, jednakże dla elementów konstrukcyjnych podlegających obowiązkowej certyfikacji nie może zastępować badania próbek normowych. Ze względu na dużą energię uderzenia nie nadaje się do badania elementów o małej sztywności (o grubości poniżej 10 cm), wprawianych w drgania pod uderzeniem młotka. Warstwy powierzchniowe betonu, w przypadku zmiany ich właściwości (wskutek korozji, karbonatyzacji itp.), powinny być przed pomiarem usunięte, gdyż ich wytrzymałość jest odmienna, niż wynikająca z krzywej regresji. Przy braku znajomości krzywej regresji dla danego betonu, za pomocą młotka Schmidta można ocenić tylko jednorodność betonu. Młotkiem typu N nie należy badać betonów, dla których liczby odbicia są niższe od 20 (klas poniżej B10).

1.3. Obsługa młotka Schmidta.

Młotek Schmidta należy wciskać zawsze prostopadle do powierzchni badanego betonu aż do uderzenia i nie zwalniając nacisku wcisnąć przycisk blokujący wskazówkę, po czym odczytać liczbę odbicia. Lekkie wciśnięcie trzpienia młotka i zwolnienie nacisku powoduje wysunięcie trzpienia, co umożliwia kolejny pomiar. Przed każdym badaniem i po jego zakończeniu należy skontrolować działanie młotka na kowadle kontrolnym o twardości 500 według Brinnela, na którym młotek Schmidta powinien pokazać liczbę odbicia L = 80 ±2.

1.4. Wybór miejsc do badań.

Na elemencie konstrukcyjnym (belka, słup, płyta stropowa, ściana wykonana z jednej partii betonu itp.), należy wykonać badania w co najmniej 12 miejscach pomiarowych. Dopuszcza się zmniejszenie liczby miejsc pomiarowych do 6 przy kontroli elementów prefabrykowanych wykonywanych w warunkach przemysłowych (beton bardzo jednorodny). Miejsca badań powinny być rozłożone równomiernie na całej powierzchni elementu. Korzystniejsze jest badanie powierzchni pionowych betonu, gdyż beton jest tam bardziej jednorodny i nie występuje wymagające zeszlifowania mleczko cementowe. Przy wyborze miejsc do badań występują następujące ograniczenia:

• nie należy uderzać w ziarna kruszywa grubego, gdyż wpływa to na zawyżenie wyników;

• nie należy wykonywać pomiaru w miejscach rakowatych i uszkodzonych;

• nie należy wykonywać uderzeń bliżej niż 3 cm od krawędzi elementu;

• nie należy badać miejsc skorodowanych (należy usunąć skorodowaną warstwę do zdrowego betonu, a do obliczeń nośności przyjąć przekrój betonu nie skorodowanego);

• nie należy badać betonu wilgotnego zamarzniętego (wytrzymałość lodu w temperaturze -15^oC odpowiada wytrzymałości betonu około B20);

• nie należy badać betonu zamarzniętego podczas wiązania (jego krzywa regresji byłaby odmienna);

• nie należy badać elementów o małej sztywności, nie gwarantujących sprężystego odbicia (należy przed badaniem elementy usztywnić).

W każdym miejscu pomiarowym (o powierzchni około 10 x 10 cm) należy wykonać co najmniej 9 miarodajnych odczytów liczby odbicia. Poszczególne punkty pomiarowe powinny być odległe od siebie o nie mniej niż 25 mm.

1.5. Przygotowanie miejsc do badań.

Przygotowanie miejsc do badań ma na celu zapewnienie warunków dla sprężystego odbicia części ruchomych młotka obciążających dynamicznie badaną powierzchnię betonu.

Miejsca pomiarowe należy wygładzić (najlepiej mechanicznie) za pomocą kamienia ściernego i odkurzyć (kurz może zmniejszyć liczbę odbicia o 2 jednostki). Dla starych betonów (co najmniej kilkuletnich), zwłaszcza eksploatowanych w warunkach przemiennego nawilżania i wysychania, należy w kilku miejscach zeszlifować beton głębiej (nawet do 10 mm), wykonując co 2 mm pomiar twardości młotkiem Schmidta i prowadząc szlifowanie aż do ustabilizowania się (braku spadku) liczb odbicia. Czynność ta umożliwia stwierdzenie, czy beton nie utwardził się powierzchniowo wskutek karbonatyzacji oraz umożliwia wyznaczenie wartości poprawki na ewentualną karbonatyzację. W zeszlifowanych głęboko miejscach należy ocenić beton wizualnie, ustalając:

• na jakim kruszywie został wykonany (rodzaj, uziarnienie, jednorodność);

• czy spoiwo świadczy o dużej, czy małej zawartości cementu;

• jakie jest zagęszczenie betonu.

Powyższe dane są przydatne przy doborze hipotetycznej krzywej regresji. W przypadku badania próbek sześciennych 15 cm, w celu wyznaczenia krzywej regresji próbkę należy badać w 6 miejscach pomiarowych na całej powierzchni za wyjątkiem górnej płaszczyzny podczas betonowania. W czasie badania próbki powinny być zaciśnięte w maszynie wytrzymałościowej tak, by naprężenia ściskające wynosiły 2 MPa (jak w przeciętnej konstrukcji).

1.6. Opracowanie wyników pomiarów.

Podczas wykonywania badań w danym miejscu pomiarowym odrzuca się na bieżąco jako nie miarodajne liczby odbicia różniące się w istotny sposób od pozostałych (o co najmniej 5 jednostek w stosunku do średniej). Dla każdego badanego miejsca pomiarowego należy wyliczyć średnią liczbę odbicia, a następnie średni odczyt sprowadzony (przeliczony na poziome położenie młotka podczas pomiaru). Na wyznaczone wartości liczb odbicia ma wpływ siła ciężkości, która oddziaływuje na masę uderzeniową młotka i przy położeniu młotka pionowo w dół powoduje maksymalne zaniżenie liczb odbicia, a przy położeniu pionowo w górę maksymalne zawyżenie (przy poziomym położeniu młotka brak wpływu siły ciężkości na odczytywane wartości L). Aby wyliczyć średni odczyt sprowadzony, do średniej liczby odbicia należy dodać poprawkę zależną od kąta położenia młotka podczas pomiaru oraz od zakresu liczb odbicia:

Liczba odbicia L	Poprawki
		Uderzenie w górę		Uderzenie w dół
		Kąt 90^o	Kąt 45^o	Kąt 45^o	Kąt 90^o
20	-5,4	-3,5	+2,5	+3,4
30	-4,7	-3,1	+2,3	+3,1
40	-3,9	-2,6	+2,0	+2,7
50	-3,1	-2,1	+1,6	+2,2
60	-2,3	-1,6	+1,3	+1,7

Następnie należy obliczyć średni odczyt sprowadzony, odchylenie standardo-we liczb odbicia S_L oraz współczynnik zmienności ν_L dla każdego elementu konstrukcyjnego.

1.7. Wyznaczenie krzywej regresji.

Krzywą regresji można wyznaczyć:

• metodą statystycznej analizy korelacyjnej wyników badania próbek betonowych;

• metodą doboru hipotetycznej krzywej regresji i korygowania jej przebiegu na podstawie badania odwiertów rdzeniowych pobranych z konstrukcji.

1. Metoda statystycznej analizy korelacyjnej (skalowania).

Skalowanie przeprowadza się na podstawie badania wytrzymałości i liczby odbicia co najmniej 30 próbek z badanego betonu, dla których wyniki badania wytrzymałości powinny być rozproszone w całym zakresie skalowania. To rozproszenie uzyskuje się badając próbki po różnych czasach dojrzewania. Próbki do celów skalowania wykonuje się specjalnie lub uzyskuje poprzez losowy wybór podczas normalnej produkcji betonu o stałym składzie. Następnie należy dobrać krzywą regresji jak najlepiej aproksymującą wyniki badań. W Polsce zaleca się przyjmowanie krzywej regresji w postaci paraboli drugiego stopnia:

R = aL² + bL + c,

a w przypadku paraboli bardzo płaskich można przyjmować także zależność prostoliniową:

R = aL. + b.

Wartości parametrów a, b i c dla konkretnego betonu wyznacza się metodą najmniejszych kwadratów. Wyznaczona krzywa regresji może być stosowana do wyznaczania wytrzymałości betonu w konstrukcji z wystarczającą dokładnością, jeżeli:

• paraboliczny współczynnik regresji jest większy od 0,75;

• średnie kwadratowe odchylenie względne ν_k jest mniejsze od 12%.

,

gdzie: R_oi - wytrzymałość i-tej próbki odczytana z krzywej regresji;

R_i - wytrzymałość wyznaczona w maszynie wytrzymałościowej.

b) Metoda doboru hipotetycznej krzywej regresji.

Metoda jest stosowana dla konstrukcji już istniejących, dla których nie wyznaczono krzywej regresji dla wbudowanego betonu. Hipotetyczną krzywą regresji dobiera się z literatury technicznej, przy czym powinna to być krzywa uzyskana metodą skalowania dla betonu o składzie i właściwo-ściach jak najbardziej zbliżonych do betonu w badanej konstrukcji. Na przykład: dla betonów na żwirze wykonanych przed rokiem 1980, klas B15 - B30, można przyjmować hipotetyczną krzywą regresji z Instrukcji ITB nr 210 w postaci:

_cube = 0,04094 ⋅ L² - 0,91425 ⋅ L + 7,36 [MPa].

Dla betonów na żwirze wykonywanych współcześnie, klas B20 - B40, można przyjmować hipotetyczną krzywą regresji z instrukcji młotka Schmidta w postaci:

_cube = 0,0108 ⋅ L² + 0,8983⋅ L-12,9

Dla betonów wysokiej wytrzymałości, klas do B-70, można przyjmować hipotetyczną krzywą regresji (Inżynieria i Budownictwo, nr 7/2000) w postaci:

_cube = 0,107 ⋅ L² - 4,37 ⋅ L + 55,3.

Następnie z badanej konstrukcji należy pobrać 3 odwierty rdzeniowe i zba-dać ich wytrzymałość w maszynie wytrzymałościowej oraz liczbę odbicia, po czym tak przesunąć hipotetyczną krzywą regresji, aby przechodziła przez punkt wyznaczony przez średnią wytrzymałość i liczbę odbicia odwiertów. W tym celu należy wyliczyć współczynnik korygujący C_k :

C_k =

gdzie:
- średnia wytrzymałość odwiertów wyznaczona w maszynie;

_h - średnia wytrzymałość wyznaczona z krzywej hipotetycznej na podstawie liczb odbicia.

Następnie współczynniki a, b i c krzywej hipotetycznej należy pomnożyć przez współczynnik korygujący C_k. Wyznaczona skorygowana krzywa regresji może być stosowana do oszacowania średniej wytrzymałości betonu w konstrukcji.

1.8. Wyznaczenie klasy betonu w konstrukcji.

Przy stosowaniu parabolicznej zależności R = f(L) odchylenie standardowe wytrzymałości S_R można wyliczyć ze wzoru:

1.9. Dobór współczynników poprawkowych dla wytrzymałości betonu w konstrukcji.

1. W przypadku badania betonu nasyconego wodą wytrzymałość wyliczoną z krzywej regresji należy pomnożyć przez 1,12.

2. Dla konstrukcji silnie wytężonych, przy naprężeniach w betonie od 2 do 5 MPa wytrzymałość wyliczona z krzywej regresji może być zawyżona do 25%.

3. Karbonatyzacja betonu poprzez utwardzenie powierzchni może powodo-wać zawyżenie wytrzymałości wyznaczonej młotkiem Schmidta do 70%. Wartość poprawki należy określić empirycznie na konstrukcji (przez szlifowanie głębokie betonu).

4. Betony prefabrykatów naparzanych do temperatury powyżej 80^oC mają odmienne krzywe skalowania.

5. Poprzez badanie młotkiem Schmidta i wyliczenie wytrzymałości betonu z krzywych regresji otrzymuje się aktualną wytrzymałość betonu w konstrukcji. Dla wyliczenia wytrzymałości 28-dniowej należy uwzględnić współczynnik poprawkowy na wiek betonu. Aktualnie produkowane cementy szybko uzyskują pełną wytrzymałość i dalszy jej przyrost jest niewielki. Młotek Schmidta reaguje przede wszystkim na twardość zaczynu - wyższe liczby odbicia będą wykazywały betony na zaczynach o wysokim stosunku c/w oraz na cementach wysokich klas (nawet przy słab-szym kruszywie i stosunkowo niewysokiej sumarycznej wytrzymałości.

2. Metoda ultradźwiękowa badania wytrzymałości betonu na ściskanie.

Zasady pomiaru określa Instrukcja ITB nr 209 oraz PN-74/B-06261.

2.1. Zasada pomiaru.

Wytrzymałość wylicza się na podstawie pomiaru prędkości rozchodzenia się fal ultradźwiękowych w betonie, wykorzystując krzywą regresji R = f(V). Czas przejścia fali przez beton mierzy się przy pomocy betonoskopów wyposażonych w głowicę nadawczą (wytwarzającą impuls ultradźwiękowy) i głowicę odbiorczą. Standardowy zestaw głowic wymaga przyłożenia ich do betonu z dwóch stron, na jednej linii i dokonania pomiaru odległości głowic (grubości elementu). Dostępne są także głowice przykładane do betonu jednostronnie, we wspólnym uchwycie (w tym przypadku długość drogi impulsu ultradźwiękowego jest równa odległości przyłożenia głowic).

2.2. Zakres stosowania metody.

Nie ma ograniczeń jeżeli chodzi o grubość elementu - betonoskop pokaże średnią szybkość przebiegu fali (i wytrzymałość betonu będzie średnią wzdłuż grubości elementu). Fale ultradźwiękowe nie biegną przez powietrze, więc nie można badać tą metodą ścian z pustką powietrzną lub izolacją termiczną. Krzywa regresji R = f(V) obowiązuje tylko dla betonu, dla którego została wykonana.

2.3. Obsługa betonoskopu.

Należy dobrać do pomiaru głowice o odpowiedniej częstotliwości. Częstotliwość głowic wylicza się ze wzoru:

[kHz],

gdzie: a [mm] - grubość badanego elementu lub odległość od przyłożenia głowicy do krawędzi elementu (należy wybrać mniejszą z tych wartości).

Na przykład:

Przy badaniu próbek normowych sześciennych o krawędzi 15 cm a = 75 mm

kHz

Należy przyjąć do pomiaru głowice o częstotliwości 100 kHz (0,1 MHz).

Następnie należy przyrząd wyzerować mierząc czas przejścia fali ultradźwiękowej przez wzorcową płytkę stalową (np.: 2 μs). Dla zapewnienia sprzężenia akustycznego głowic z betonem, powierzchnię betonu w miejscu przyłożenia głowic należy wyrównać i posmarować smarem (np.: towotem), aby usunąć powietrze spod przyłożonych głowic. O sprzężeniu głowic świadczy brak migotania wskaźników cyfrowych przyrządu.

2.4. Wybór miejsc do badań.

Na 1 elemencie konstrukcyjnym należy wykonać pomiary w co najmniej 20 miejscach, rozłożonych równomiernie na całej powierzchni. Przy ustaleniu punktów pomiarowych należy unikać:

• miejsc spękanych, rakowatych lub skorodowanych;

• stref z wkładkami obcymi lub zbrojeniem głównym;

• miejsc największej koncentracji naprężeń.

2.5. Opracowanie wyników pomiarów.

Zawilgocenie betonu zwiększa szybkość rozchodzenia się fali, dlatego przy pomiarach konstrukcji silnie zawilgoconych należy wyliczoną wytrzymałość obniżyć o 10%. Prędkość rozchodzenia się fali wylicza się z wzoru:

Dla danego elementu kostrukcyjnego należy obliczyć średnią prędkość fali, odchylenie standardowe i współczynnik zmienności prędkości fali ultradźwiękowej.

2.6. Wyznaczenie krzywej regresji.

Krzywą regresji można wyznaczyć:

• metodą statystycznej analizy korelacyjnej wyników badania co najmniej 30 próbek betonowych;

• metodą doboru hipotetycznej krzywej regresji.

Zasady postępowania w obu przypadkach są takie same, jak dla młotka Schmidta. Jako hipotetyczną krzywą regresji można przyjąć parabolę z Instrukcji ITB nr 209:

f_cm = 2,75 ⋅ V² - 8,12 ⋅ V + 4,83 [MPa].

Krzywą tą opracowano w latach 70-tych dla przeciętnych betonów (klas B15 - B30) na żwirze, przy stosunku c/w około 2, na cemencie marki 25. Przy aktualnie produkowanych cementach i podwyższonych stosunkach c/w (superplastyfikatory) krzywa ITB bez skorygowania daje znacznie zaniżone wartości wytrzymałości betonu. Szybkość fali ultradźwiękowej zależy głównie od procentowej zawartości kruszywa grubego i modułu sprężystości skały, z której zrobiono kruszywo. Dla betonów z dużą ilością kruszywa ze skał magmowych lecz ze słabym zaczynem może dawać zawyżone wyniki wytrzymałości.

3. Ocena wytrzymałości betonu na ściskanie metodą „pull-out”.

Metoda „pull-out” służy do badania wytrzymałości warstw powierzchniowych betonu. Metoda polega na wywierceniu w betonie otworu z podcięciem w kształcie odwróconego grzybka, umieszczenie w nim rozprężnej kotwy w kształcie grzybka i następnie wyrwanie kotwy z betonu z pomiarem siły niszczącej. Ważne są proporcje pomiędzy wymiarami kotwy i pierścieniem oporowym siłownika, które powinny zapewniać, że kąt pomiędzy pobocznicami stożka z betonu wyrwanego w miejscu pomiaru będzie wynosił około 62^o. Można udowodnić, że w takim przypadku siła niszcząca jest wprost proporcjonalna do wytrzymałości betonu na ściskanie (a nie na rozciąganie). Krzywa regresji f_m = f(P) w metodzie „pull-out” jest najczęściej linią prostą. Krzywa regresji obowiązuje tylko dla betonu, dla którego została opracowana. Ponieważ dla betonów o uziarnieniu do 32 mm krzywa regresji jest w niewielkim stopniu zależna od rodzaju cementu i stosunku c/w oraz zastosowanych dodatków, IBDM podał ogólną krzywą korelacyjną dla betonu, która może być stosowana w praktyce inżynierskiej:

f_{cm, cube} = 1,41 P - 2,82 dla betonów do B50,

f_{cm, cube} = 1,59 P - 9,52 dla betonów powyżej B50.

Klasę betonu wylicza się ze wzoru:

f_{ck, cube} = f_{cm, cube} /1,3.

Badania na konstrukcji powinny być przeprowadzone w co najmniej 5 miejscach na elemencie (można ich liczbę ograniczyć do 3 przy małym rozrzucie wyników). Minimalna odległość kotwy od krawędzi elementu powinna wynosić 100 mm, a od zbrojenia 50 mm. Od nazwy przyrządu stosowanego do badań metoda nosi też nazwę „Capo-Test”.

4. Ocena wytrzymałości betonu na rozciąganie metodą „pull-off”.

Zasadę pomiaru podaje PN-EN-1542 : 2000. Metoda służy głównie do pomiaru przyczepności wyrobów do napraw i ochrony konstrukcji betonowych (powłok żywicznych, izolacjonawierzchni, systemów do napraw żelbetu, wylewek samopoziomujących). Próba polega na odrywaniu metalowego krążka o średnicy 50 mm przyklejonego do powierzchni materiału naprawczego ułożonego na betonie. Przed odrywaniem należy wiertłem koronowym nawiercić beton w konstrukcji na głębokość 15 ± 5 mm wokół krążka. W badaniach normowych zaleca się stosowanie wzorcowych podłoży betonowych o uziarnieniu do 8 mm. Przy badaniu wytrzymałości betonu w konstrukcji na odrywanie należy liczyć się z tym, że wraz ze wzrostem wymiarów kruszywa w betonie mogą wystąpić duże rozrzuty wyników i w przypadku żwirów - obniżenie wytrzymałości na odrywanie. Dla żwirów o większym D_max celowe byłoby użycie krążków o większych średnicach (niektóre przyrządy mają też krążki 75 mm). Podczas badania należy zwracać uwagę na dobre wypoziomowanie przyrządu. W protokole z badań należy podać, jaki charakter miało zniszczenie (adhezyjny czy kohezyjny) i w której warstwie (beton, warstwa naprawcza, klej epoksydowy) wystąpiła. Dla izolacji z żywic wymagana jest przyczepność do podłoża betonowego co najmniej 2,5 MPa (beton B25), a dla zapraw naprawczych polimerowo-cementowych do żelbetu wytrzymałość podłoża betonowego na odrywanie powinna wynosić co najmniej 1,5 MPa.

5. Ocena głębokości karbonatyzacji otuliny betonowej.

Najlepszym sposobem jest pobranie betonu z otuliny (np.: przez nawiercenie), rozdrobnienie, sporządzenie 10% zawiesiny w wodzie destylowanej i po przesączeniu oznaczenie pH pehametrem. Do oceny na konstrukcji można wykorzystać ciekłe wskaźniki pH, które natryskuje się na beton zwilżony wodą destylowaną. Często stosowana w tym celu fenoloftaleina nie jest dobrym wskaźnikiem, gdyż zmienia barwę z bezbarwnej na buraczkową już od pH 8,5. Brak zmiany barwy tego wskaźnika następuje więc dopiero wtedy, gdy beton jest całkowicie skarbonatyzowany. Lepszym wskaźnikiem jest tymoloftaleina, która zmienia barwę z bezbarwnej na niebieską przy pH 9,3 ÷ 10,5. Dostępne są kompozycje wskaźników pH (np.: „Rainbow-Test” firmy Germann Instruments), które od pH 6 do 8 mają barwę żółtą, od 8 do 10 zieloną, od 10 do 12 jasnofioletową i powyżej 12 ciemnofioletową.

Zdrowy beton powinien mieć pH powyżej 12,5. pH wyciągu wodnego betonu jest tym niższe, im bardziej zaawansowana jest karbonatyzacja lub korozja kwasowa. Przy spadku pH do około 11 beton traci właściwości pasywujące w stosunku do stali zbrojeniowej.

6. Sporządzenie mapy zasolenia betonu w konstrukcji.

Próbki betonu można pobrać z konstrukcji nawiercając beton do różnej głębokości i zbierając zwierciny. Są dostępne urządzenia do pobierania betonu metodą szlifowania do określonej głębokości (można pobierać próbki co kolejne 0,5 mm). Pobrane próbki betonu po rozdrobnieniu poddaje się ekstrakcji wodą destylowaną (w stosunku 1 : 10), a następnie w przesączu oznacza zawartość wolnych jonów chlorkowych i siarczanowych metodą analizy chemicznej ilościowej.

W przypadku potrzeby oznaczenia całkowitej zawartości chlorków (także związanych chemicznie w betonie w postaci soli Friedla), próbkę betonu rozpuszcza się w stężonym kwasie azotowym. Są dostępne przenośne zestawy odczynników dla orientacyjnego oznaczenia zawartości chlorków.

Normy dopuszczalnej zawartości jonu chlorkowego w betonie (w betonie niezbrojonym do 1%, w żelbecie do 0,4%, w konstrukcjach sprężonych do 0,2%; dla betonu skarbonatyzowanego powyższe normy są o 50% niższe) są określone w procentach masy cementu (a nie betonu). Przy braku znajomości zawartości cementu w betonie można przyjmować orientacyjnie, że zawartość cementu wynosi 360 kg/m³, a gęstość pozorna betonu 2400 kg/m³.

Materiały pomocnicze do nauki przedmiotu „Materiały budowlane” na kierunku „Budownictwo” na Wydziale Inżynierii WAT. Na prawach rękopisu. Prawa autorskie zastrzeżone. Wyrażam zgodę na kserowanie wyłącznie na potrzeby studentów Wydziału Inżynierii WAT. mgr inż. Tadeusz Błażejewicz

MATERIAŁY I TECHNOLOGIE

NAPRAW SKORODOWANEGO ŻELBETU

1. Przyczyny korozji i uszkodzeń żelbetu.

a) Uszkodzenia powierzchniowe.

Stosowana w żelbecie stal niskostopowa lub węglowa jest podatna na korozję. Działa na nią korozyjnie szereg substancji nawet nieszkodliwych dla betonu, jak tlen i wilgoć z powietrza lub jony chlorkowe. Stal wbudowana w odpowiednio wykonanym betonie nie ulega rdzewieniu (korozji atmosferycznej) w ciągu całego okresu eksploatacji. Wynika to z faktu, że odczyn (pH) wewnątrz betonu utrzymuje się na poziomie powyżej 12,5. W tak silnie alkalicznym środowisku na powierzchni stali tworzy się bardzo szczelna, bardzo cienka warstwa wodorotlenku żelazowego, odcinająca dostęp do stali wody i tlenu, a więc zabezpieczająca przed korozją atmosferyczną (warstwa pasywująca nie chroni przed korozją chlorkową oraz kwasową). Mówi się, że w betonie stal ulega pasywacji. Wysokie pH wynika z obecności w spoiwie cementowym wodorotlenku wapniowego Ca(OH)₂ (portlandytu), powstającego w reakcji cementu z wodą:

2C₃S + 6H = C₃S₂H₃ + 3Ca(OH)₂

C₂S + 4H = C₃S₂H₃ + Ca(OH)₂

Jeżeli z jakiś przyczyn pH spadnie poniżej 11,5, zanika pasywacja stali w betonie. Taką przyczyną jest najczęściej karbonatyzacja betonu (reakcja portlandytu z dwutlenkiem węgla z powietrza, stanowiąca proces naturalnego starzenia się betonu) lub korozja ługująca (wypłukująca wapno); może nią być również korozja kwasowa lub wprowadzenie do betonu zbyt dużej ilości dodatków o charakterze kwaśnym (mikrokrzemionka, popioły lotne). Jeżeli pH wyciągu wodnego z betonu spadnie poniżej 10, rozpoczyna się rozpad uwodnionych krzemianów wapniowych C₃S₂H₃, prowadzący do destrukcji i osypywania się spoiwa (stare betony wykazują na powierzchni dużą zawartość wystającego kruszywa).

Reakcja karbonatyzacji:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

powoduje spadek pH tym szybciej, im więcej CO₂ znajduje się w powietrzu (atmosfera przemysłowa, spaliny pojazdów), im bardziej porowaty jest beton (łatwość dyfuzji CO₂), im mniej portlandytu jest w betonie (beton z mała ilością cementu) oraz wtedy, gdy beton podlega przemiennemu nawilżaniu i wysychaniu. Szybkość reakcji jest największa przy zewnętrznej powierzchni betonu i karbonatyzacja osiąga głębokość około 3 mm po 6 miesiącach, a potem szybkość reakcji wraz z głębokością maleje. Rozrzut wyników badań jest duży: od 8 mm po 18 latach badań do 20 mm po 4 latach. Betony na cementach portlandzkich karbonatyzują 2 razy wolniej niż na hutniczych. Duży wpływ ma stosunek wodno-cementowy - z jego wzrostem karbonatyzacja biegnie szybciej, gdyż beton jest bardziej porowaty. Dosyć szybko karbonatyzują pionowe otuliny prętów zbrojeniowych, gdyż powierzchnie boczne są często słabo zagęszczone. Karbonatyzacja biegnie też szybciej przy stosowaniu złej jakości, zapiaszczonego lub zapylonego kruszywa, gdyż nadmiar drobnych, wodożądnych frakcji zwiększa stosunek w/c. Aby zapewnić pasywację stali w betonie:

• stosuje się odpowiednio dużą (na ogół około 300 kg/m³) zawartość cementu w betonie oraz odpowiednio niski stosunek w/c (na ogół około 0,50). C_min oraz
  dobiera się w zależności od klasy ekspozycji z tabeli F1 normy PN-EN 206-1;

• stosuje się odpowiednio duża grubość otulin prętów zbrojeniowych. Grubość otulin dobiera się z normy PN-B-03264 „Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone” w zależności od grubości prętów zbrojeniowych (nie cieńsze niż grubość pręta) oraz od klasy ekspozycji. Grubość otulin należy zapewnić przez stosowanie wkładek dystansowych, a grubość wykonanych otulin należy kontrolować przyrządami elektromagne-tycznymi podczas odbioru robót;

• stosuje się malowanie powierzchni betonu akrylowymi farbami fasado-wymi o dużym oporze dyfuzyjnym dla dwutlenku węgla i małym oporze dyfuzyjnym dla pary wodnej, które zabezpieczają przed karbonatyzacją betonu i umożliwiają odsychanie konstrukcji (np.: Sikagard 670 W-Color o oporze dyfuzyjnym CO₂ 1766m, a dla H₂ 0,4 m).

Korozja atmosferyczna stali w betonie, która może rozpocząć się po zobojętnieniu otulin, jest korozją elektrochemiczną, to znaczy proces chemiczny utleniania stali przebiega przy współudziale mikroogniw powstających na powierzchni stali. Lokalne mikroogniwa mogą powstawać na skutek różnic w stopniu napowietrzenia stali (różnie zagęszczony beton w otulinach) lub na skutek różnic w stężeniach elektrolitu wewnątrz porów betonu (różny stopień zasolenia lub różne zawilgocenie betonu). W wyniku korozji atmosferycznej, jako produkt reakcji stali z tlenem w obecności wody powstają wodorotlenki żelaza o różnym stopniu utlenienia, zwane rdzą. Powstająca rdza jest silnie porowata i nie stanowi ochrony stali przed dalszą korozją. Objętość rdzy jest znacznie większa od objętości stali, z której rdza powstała, dlatego rdzewiejący pręt wywiera silne pęcznienie na otuliny powodując ich zarysowanie, a następnie ich odspojenie. Typowym objawem korozji atmosferycznej żelbetu są odsadzone otuliny i widoczne zardzewiałe pręty zbrojeniowe. Przy braku otulin o grubości równej co najmniej grubości pręta nie jest spełniony warunek bezpiecznego przekazania sił przyczepności betonu do stali i nie jest znana nośność elementu w takim stanie.

Korozja ługująca (wypłukująca wapno) zachodzi w przypadku przecieków wody prze beton. Korozja biegnie tym szybciej, im bardziej miękka jest woda oraz o wyższej temperaturze (np.: w kotłowniach). Jeżeli przeciekająca przez beton woda odparowuje na dolnej powierzchni, to tworzą się na niej białe wykwity. Jeżeli woda skapuje z dolnej powierzchni betonu, to powstają na niej stalaktydy. Korozja ługująca prowadzi do spadku wytrzymałości betonu oraz korozji atmosferycznej stali. Korozja kwasowa betonu i stali zachodzi pod wpływem kwaśnych wód (np.: kwaśnych deszczy lub wód przemysłowych). Jest ona szybsza niż ługująca, a jej objawem są ubytki betonu spowodowane powstawaniem rozpuszczalnych w wodzie soli wapniowych. Korozja kwasowa stali również objawia się ubytkami powierzchniowymi lub o charakterze głębokich wżerów (sole żelaza są dobrze rozpuszczalne w wodzie).

Korozja siarczanowa betonu prowadzi do kruszenia betonu wskutek pęcznienia (powstaje sól Candlota), a korozja siarczanowa stali daje takie objawy, jak korozja kwasowa. Jony chlorkowe (z soli stosowanej do odladzania nawierzchni, z wody morskiej lub wód przemysłowych) do pewnego stężenia są wiązane przez beton w postaci soli Friedla i są stosunkowo mało groźne dla betonu, natomiast są bardzo korozyjne w stosunku do stali zbrojeniowej. Jon chlorkowy łatwo dyfunduje w wodzie i przenika przez warstwę pasywującą na stali. Zawartość jonu chlorkowego w nie skarbonatyzowanym betonie bez zbrojenia nie powinna przekraczać 1% masy cementu w betonie, w betonie zbrojonym nie powinna być wyższa niż 0,40% masy cementu, a w betonie sprężonym 0,20%. Dla betonu skarbonatyzowanego zbrojonego lub sprężonego klasy dopuszczalnej zawartości chlorków są o 50% niższe. Przy wyższych zawartościach chlorków może wystąpić destrukcja spoiwa cementowego objawiająca się powierzchniowymi złuszczeniami spoiwa, a powierzchnia betonu ma charakterystyczny mokry, szklisty wygląd. Ponieważ chlorek żelaza jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, nie musi wystąpić odsadzanie otulin prętów, natomiast mogą występować zacieki rdzewiastej barwy i zarysowania otulin. Korozja chlorkowa stali objawia się ubytkiem materiału, często występują głębokie wżery. Chlorki związane w betonie w postaci soli Friedla mogą ulec uwolnieniu w przypadku karbonatyzacji betonu, co może doprowadzić do korozji chlorkowej stali.

b) Rysy i pęknięcia.

Rysy i pęknięcia mogą być spowodowane:

• przeciążeniem (występują w przekrojach najbardziej wytężonych, często w strefach rozciąganych elementów konstrukcyjnych, gdzie biegną prostopadle do zbrojenia);

• skurczem (występują przy błędach w dylatowaniu elementów wielkowymiarowych oraz w przypadku ograniczenia swobody odkształceń skurczowych na przykład przez nierówności podłoża lub inne utwierdzone elementy konstrukcyjne);

• odkształceniami termicznymi (w budowlach masywnych mogą powstać wskutek samonagrzewu betonu ciepłem wydzielającym się podczas wiązania; występują często na styku długich elementów żelbetowych z innymi materiałami);

• złym wykonaniem przerw roboczych w betonowaniu;

• osiadaniem budowli (rysy te często zamykają się ku górze).

Dla celu doboru technologii naprawy rysy dzieli się:

• ze względu na rozwartość (o rozwartości 0,1 ÷ 0,2 mm można iniektować tylko żywicami, rysy szersze żywicami lub mikrocementami);

• ze względu na zawilgocenie (rysy suche; zawilgocone oraz przewodzące wodę pod ciśnieniem);

• ze względu na ruchy termiczne (rysy pracujące i niepracujące; rysy można iniektować, gdy rozwartość zmienia się nie więcej niż ±10%).

Celem naprawy rys w żelbecie może być monolityzacja do połączeń siłowych (przywrócenie nośności) lub tylko uszczelnienie rys. Rozwartość rys mierzy się szczelinomierzem drutowym lub lupą z podziałką. Przyjmuje się, że rysy o rozwartości od 0,1 mm wzwyż (widoczne gołym okiem) mogą przewodzić wodę.

2. Diagnostyka stanu technicznego konstrukcji.

Przed przystąpieniem do robót remontowych powinna być przeprowadzona inwentaryzacja uszkodzeń betonu i stali oraz wykonane badania materiałowe:

• określenie wytrzymałości na ściskanie betonu przy pomocy młotka Schmidta lub próbnika ultradźwiękowego, ewentualnie przez pobranie odwiertów rdzeniowych lub wykonanie próby „pull-out”;

• określenie wytrzymałości na rozciąganie betonu metodą „pul-off”;

• określenie pH betonu wzdłuż grubości otuliny;

• określenie zawartości jonów chlorkowych i siarczanowych oraz wykonanie mapy zasoleń;

• w razie potrzeby określenie zdolności betonu do pasywowania zbrojenia przez pomiar krzywych polaryzacji wg PN-86/B-01810.

Należy ustalić przyczyny uszkodzeń i wyeliminować je przed lub w czasie robót remontowych.

3. Cel i zakres robót remontowych.

Naprawa skorodowanego żelbetu powinna:

• uzupełnić utraconą nośność zbrojenia;

• zapewnić ponowną pasywację stali zbrojeniowej;

• odtworzyć otulinę ochronną o właściwościach pasywujących przy zapewnieniu jej monolityzacji z betonem;

• zabezpieczyć otulinę przed karbonatyzacją;

• zapewnić monolityzację pęknięć do połączeń siłowych (lub tylko je uszczelnić).

Pewien zakres robót jest wspólny dla wszystkich metod naprawy. Należy doń:

• odciążenie konstrukcji na czas naprawy;

• przygotowanie podłoża betonowego;

• przygotowanie powierzchni stali;

• uzupełnienie skorodowanego zbrojenia.

Przygotowanie podłoża betonowego polega na skuciu luźnego betonu oraz betonu skorodowanego i zasolonego aż do zdrowej warstwy (na podstawie mapy zasoleń), a następnie jego nawilżenie. Często do tego celu stosuje się metodę hydrodynamiczną (metoda WSW, tj. wysokociśnieniowego strumienia wody). W metodzie tej woda o ciśnieniu około 40 MPa (strumień długości 1 ÷ 6 cm) powoduje zdjęcie warstwy powierzchniowej o grubości 1 ÷ 3 mm. Uzyskuje się powierzchnię szorstką, czystą i nawilżoną, bez mikropęknięć (bo woda o takim ciśnieniu rozrywa mikropęknięcia; należy zapewnić odprowadzenie tej wody z obiektu). W przypadku występowania plackowatych powierzchniowych wżerów należy ich kontury obrysować na pełną głębokość wżeru przy pomocy tarczy tnącej na szlifierce kątowej, aby obrzeża naprawianej powierzchni nie miały malejącej grubości, co sprzyja odspojeniu materiału naprawczego (aby uniknąć tzw. efektu „jeziorka”). Stal czyści się przez piaskowanie, a na małych powierzchniach szczotkami stalowymi aż do drugiego stopnia czystości (powierzchnia błyszcząca). Jeżeli wskutek odsadzenia otulin odsłonięte było więcej niż połowa obwodu stali, to należy pręt odkuć w tych miejscach na całym obwodzie (1 cm za pręt) i oczyścić ze wszystkich stron. Jeżeli nastąpiło istotne zmniejszenie przekroju stali lub wystąpiła korozja wżerowa, to należy uzupełnić zbrojenie przez dospawanie, dołożenie dodatkowego zbrojenia lub doklejenie na powierzchni elementu płaskowników stalowych lub lameli węglowych. Pożądane jest stosowanie siatek zbrojeniowych lub włókien dla ograniczenia skurczu dodanej warstwy betonu.

4. Technologie nakładania i materiały do napraw powierzchniowych żelbetu.

1. Technologia tradycyjna.

Polega na uzupełnieniu ubytków przy pomocy zapraw cementowych lub drobnoziarnistych (do 8 mm) betonów, nakładanych przy pomocy kielni lub ubijanych bądź pompowanych za częściowy szalunek. Przy nakładaniu ręcznym (bez szalunku) zaprawa powinna mieć właściwości tiksotropowe w przypadku remontu powierzchni pionowych i sufitowych, aby nie miała tendencji do spływania w dół. Metoda ta jest przydatna dla napraw nie obejmujących zbrojenia, gdyż trudno jest zagęścić materiał za zbrojeniem i dobrze otoczyć pręty. Celowe jest pokrycie nawilżonego podłoża warstwą sczepną wykonaną z mocnego zaczynu cementowego (na cemencie wysokich klas), ewentualnie z dodatkiem do 10% emulsji akrylowej. Ze względu na słabe zagęszczenie nowych otulin, często ulegają one dosyć szybkiej karbonatyzacji, a na skutek naprężeń skurczowych na styku starego i nowego betonu, nowe warstwy mają tendencję do odspajania się.

2. Metoda torkretowania.

Polega ona na natrysku odpowiednio zaprojektowanego betonu w strumieniu powietrza o ciśnieniu do kilkunastu atmosfer. Rozróżnia się torkret suchy i mokry. Suchy służy do wytwarzania warstwy sczepnej oraz wypełnienia ubytków, a mokry do wykonania gładkich warstw wykończeniowych. Torket suchy polega na narzuceniu suchej mieszanki betonowej, która z wodą w ograniczonej ilości miesza się dopiero w strumieniu powietrza. Na początku natrysku kruszywo grube odbija się od podłoża i odpada, dzięki czemu powstaje warstwa sczepna bogata w zaczyn, dobrze wbita w podłoże i dobrze zagęszczona uderzeniami kruszywa. Stosuje się małe stosunki w/c - od 0,3 do 0,5. Optymalna odległość dyszy torkretnicy od podłoża wynosi 1 m. Najkorzystniejsze jest poziome położenie dyszy, przy którym straty na odbój są rzędu 10 ÷ 12%. Przy natrysku do góry odbój wzrasta do około 25%. Wielkość strat materiału zależy też od szybkości strumienia powietrza i jest najmniejsza przy szybkości 30 - 70 m/s. Dodatek mikrokrzemionki do mieszanki zmniejsza odbój. Torkretowanie powinno być wykonywane przez specjalistyczne firmy, posiadające wykwalifikowanych pracowników z dużym doświadczeniem.

Przykładowa recepta torkretu suchego (stosowanego przy remoncie wiaduktu mostu Poniatowskiego):

Cement portlandzki 32,5 400 kg,

Piasek rzeczny 0/2 800 kg,

Żwir 2/8 1000 kg,

Woda 170 l.

c/w = 2,35.

Torkret mokry polega na narzuceniu gotowej mieszanki. Przykładowa recepta:

Cement portlandzki 32,5 500 kg,

Piasek rzeczny 0/2 900 kg,

Żwir 2/4 500 kg,

Mączka wapienna 60 kg,

Bentonit 3 kg,

Abiesod 84 2 kg,

Woda 250 l.

c/w = 2.

W obydwu receptach występuje duża ilość cementu, dlatego torkret wykazuje duże skurcze. Dla uniknięcia spękań skurczowych zaleca się długotrwałą pielęgnację mokrą przez zamgławianie (co najmniej 7 dni, pożądane przez 21 dni) oraz pielęgnację termiczną (cieniowanie). Do obu torkretów można dodawać przeciwskurczowe włókna polipropylenowe lub stalowe. Torkret najlepiej nadaje się do napraw ubytków o dużych powierzchniach i małej głębokości oraz do wykonywania cienkościennych elementów żelbetowych o skomplikowanych kształtach, zbrojonych siatkami (siatkobetonów). Torkret nakłada się warstwami o grubości do 3 cm.

c) Naprawy przy użyciu systemów do napraw żelbetu.

Zestawy materiałów do napraw żelbetu zawierają najczęściej:

• powłoki pasywujące stal;

• warstwy sczepne;

• zaprawy naprawcze o różnym uziarnieniu;

• materiały wygładzające powierzchnię;

• materiały uszczelniające (zabezpieczające przed karbonatyzacją).

Powłoki pasywujące na stal zawierają najczęściej cement portlandzki (przywracający alkaliczność i dający przyczepność do następnych warstw) oraz dyspersję akrylową (dającą dużą przyczepność i elastyczność powłoki), mogą zawierać migrujące inhibitory korozji stali (azotyn wapniowy, aminy) oraz mikrokrzemionkę zwiększającą szczelność warstwy i obniżającą przepuszczalność dwutlenku węgla. Powłokę pasywującą nanosi się pędzlem, cienkimi warstwami, dwukrotnie, tak by całkowita grubość wynosiła 1 ÷ 2 mm. Po upływie 12 godzin powinna być nałożona zaprawa naprawcza, aby nastąpiło chemiczne związanie warstw i nie wystąpiła karbonatyzacja powłoki pasywującej. Niektóre rozwiązania polegają na naniesieniu na stal emalii epoksydowej z pyłem cynkowym pasywującym stal. Warstwy sczepne nakładane na beton zawierają emulsję akrylową dobrze penetrującą w podłoże i o wysokiej przyczepności oraz elastyczności, często też zawierają cement. Powinny wykazywać przyczepność większą od wytrzymałości betonu podłoża na rozciąganie („pul-off”, rzędu 2,5 MPa, zerwanie w betonie). Ponieważ jest kłopotliwe nakładanie osobno powłok na podłoże betonowe i osobno na stal, nowsze rozwiązania systemowe zawierają jeden materiał pełniący rolę warstwy sczepnej oraz jednocześnie powłoki pasywującej, nakładany na beton i stal. Warstwy wypełniające obejmują zazwyczaj kilka rodzajów zapraw lub betonów drobnoziarnistych o zróżnicowanym uziarnieniu - im głębsze ubytki, tym bardziej gruboziarnisty powinien być zastosowany beton. Warstwy te powinny być kompatybilne, to znaczy dobrze łączyć się i współpracować z warstwą sczepną i wygładzającą oraz między sobą (należy stosować materiały z jednego systemu). Warstwy wypełniające powinny mieć mały skurcz, nie obciekać po nałożeniu i posiadać wytrzymałość równą wytrzymałości betonu w naprawianej konstrukcji, powinny stanowić duży opór dla dyfuzji CO₂ oraz wody zawierającej sole.

Są one często produkowane na bazie cementów bezskurczowych oraz proszkowych żywic akrylowych samoemulgujących się, superplastyfika-torów i mikrokrzemionki, mogą zawierać dodatek włókien szklanych ze szkła cyrkonowego odpornego na alkalia. Stosowana w tych zaprawach mikrokrzemionka ma rozdrobnienie koloidalne i dzięki temu ma bardzo silne właściwości puculanowe (wiąże na zimno wolne wapno w spoiwie cementowym). Stosuje się ją w ilości do 10% masy cementu (wyjątkowo do 15%). Zbyt duży dodatek mikrokrzemionki (o charakterze kwaśnym) może spowodować spadek właściwości pasywujących w stosunku do stali. Dodatek mikrokrzemionki:

• zwiększa przyczepność zaczynu do kruszywa i zwiększa wytrzymałość najsłabszej w betonie strefy styku kruszywa i zaczynu, dzięki czemu wytrzymałość betonu znacznie wzrasta (zastosowanie mikrokrzemionki jest podstawą technologii Betonów Wysokiej Wytrzymałości);

• uszczelnia strukturę betonu zabudowując kapilary w betonie, dzięki czemu maleje dyfuzja CO₂ oraz chlorków (około 10 - krotnie);

• zwiększa żaroodporność betonu przez związanie wolnego wapna (można otrzymać na cementach portlandzkich betony żaroodporne do 800^oC).

Mikrokrzemionka stanowi produkt handlowy w postaci sypkiej (zgranulowana z superplastyfikatorem) lub rzadziej w postaci zawiesiny wodnej. Można ją dodawać do betonów i zapraw na placu budowy (np.: Sicacrete PP-1). Zaprawy wypełniające nakładane są kielnią, mogą też być torkretowane. Warstwy wygładzające i powłoki ochronne maja zapewnić nie tylko estetykę, ale zabezpieczyć przed wnikaniem wody i rozpuszczonych w niej substancji korozyjnych (jon chlorkowy) oraz odciąć dostęp CO₂ i uszczelnić powstające rysy. Warstwy wygładzające nakłada się o grubości do 5 mm. Są one bardziej elastyczne (moduł sprężystości około 22000 MPa) niż beton konstrukcyjny i zaprawy wypełniające. Przepuszczalność wody przez zaprawę wygładzającą jest około 100 razy mniejsza, niż przeciętnego betonu.

Farby ochronne elewacyjne są to najczęściej emulsje akrylowe. Powłoki akrylowe są elastyczne, mają zdolność do przekrywania powstających rys o rozwartości do 0,3 mm. Powinny charakteryzować się wysokim oporem dyfuzyjnym dla dwutlenku węgla (powyżej 50 m) i niskim oporem dyfuzyjnym dla pary wodnej (poniżej 4 m).

Przykład systemu do napraw żelbetu firmy Sika:

• warstwa sczepno-pasywująca nakładana na stal i beton: Sika MonoTop 610 (dla betonów wysokich klas i zagrożenia agresją chemiczną warstwa szczepna epoksydowo-cementowa Sika Top Armatec 110 EpoCem);

• zaprawa naprawcza wypełniająca: Sika MonoTop 614;

• zaprawa naprawcza wygładzająca, drobnoziarnista: Sika MonoTop 612;

• farba elewacyjna: Sikagard 670 W-Color (o oporze dyfuzyjnym dla CO₂ 1766 m, a dla pary wodnej 0,4 m);

• środek do impregancji betonu zawierający migrujące inhibitory korozji (aminoalkohole): Sika FerroGard 903.

5. Technologie i materiały do napraw rys w konstrukcjach żelbetowych.

Iniekcji ciśnieniowej można poddawać rysy o rozwartości powyżej 0,1 mm. Materiały do iniekcji powinny charakteryzować się niską lepkością, umożliwiającą wtłoczenie w bardzo wąskie szczeliny oraz związanie rys w obszarze ich zamykania się . Moduł sprężystości powinien być znacząco niższy od naprawianego betonu, aby nie wystąpiły wtórne pęknięcia o charakterze dylatacyjnym. Wytrzymałość na ściskanie tych materiałów powinna być nie niższa niż naprawianego betonu, aby możliwe było uzyskanie połączeń siłowych prowadzących do monolityzacji konstrukcji. Przyczepność do betonu powinna być większa od wytrzymałości betonu na rozciąganie, a wydłużenie przy zerwaniu jak największe. Materiały powinny charakteryzować się wysoką trwałością eksploatacyjną. Dla rys nie pracujących (nie zmieniających rozwartości) iniekcję można wykonać zarówno za pomocą mikrocementów (rysy szersze od 0,2 mm), jak i żywic. Mikrocementy (wysoko zmielone cementy) są tańsze od żywic i bardziej kompatybilne z betonem. Dla rys pracujących iniekcja może być tylko żywiczna, a dla zmian rozwartości rys rzędu ±10% średniej szerokości rysy - wyłącznie przy pomocy żywic elastycznych (iniekcja uszczelniająca, bez monolityzacji). Dla rys suchych stosuje się do iniekcji żywice epoksydowe, dla rys z wyciekiem żywice poliuretanowe spieniające się pod wpływem wody, a dla rys wilgotnych żywice poliuretanowe nie spieniające się. Możliwe są iniekcje kombinowane: zatrzymanie wycieku wody przy pomocy żywic poliuretanowych, a następnie wykonanie iniekcji monolityzującej żywicami epoksydowymi. Typową żywicą półsztywną, do iniekcji monolityzujących jest żywica epoksydowa Webac 4110 o następujących właściwościach:

• wytrzymałość na ściskanie 50 MPa,

• moduł sprężystości 3000 MPa,

• wydłużenie przy zerwaniu 50%,

• lepkość 450 m ⋅ Pa ⋅ s,

• czas do początku utwardzania 90 minut,

• wytrzymałość na rozciąganie 17 MPa,

• przyczepność do betonu 5,8 MPa (przekracza wytrzymałość betonu).

Żywica Webac 4110 utwardza się w zasadzie bezskurczowo i wiąże również podłoża lekko wilgotne. Do iniekcji uszczelniających silnie pracujących rys suchych można użyć żywicę epoksydową Webac 4101, bardzo elastyczną, o następujących właściwościach:

• wydłużenie przy zerwaniu 184%,

• wytrzymałość na rozciąganie 3,2 MPa,

• przyczepność do betonu 2,38 MPa,

• lepkość 480 m ⋅ Pa ⋅ s.

Dla zahamowania intensywnego wycieku wody ze szczeliny należy wykonać iniekcję silnie spieniającą się żywicą poliuretanową Webac 157 o następujących właściwościach:

• czas spieniania 80 sekund,

• czas utwardzania 120 sekund,

• lepkość 800 m ⋅ Pa ⋅ s,

• stopień spieniania 8-krotny.

Webac 157 jest żywicą elastyczną i nie powoduje monolityzacji.

Rysy wilgotne można iniekować żywicą poliuretanową Webac 1403 o następujących właściwościach:

• lepkość 100 m ⋅ Pa ⋅ s,

• żywica elastyczna niespieniająca się,

• twardość wg Shore'a 60^o.

Mikrocementy do iniekcji monolityzujących sztywnych (np.: Mikrocem A i B firmy Sika) zawierają domieszki obniżające wodożądność cementu (IH-1 stosowana w ilości 1% masy cementu) oraz zwiększające przyczepność do starego betonu (IH-3 w ilości 1,5%). Mikrocem A służy do iniekcji rys o rozwartości powyżej 0,5 mm, a Mikrocem B do rys powyżej 0,2 mm. Zaczyn miesza się specjalnym mieszadłem koloidalnym (8000 obr./min.), przy stosunku w/c od 1 :1 do 2 :1 (do najdrobniejszych rys więcej wody). Oba mikrocementy po pełnym utwardzeniu osiągają wytrzymałość powyżej 20 MPa. Typowa metoda iniekcji ciśnieniowej składa się z następujących etapów:

• ustalenia i oznaczenia przebiegu rys podlegających iniekcji (może wystąpić potrzeba zbicia tynków zakrywających rysy);

• poszerzenia brzegów rys mechanicznie do szerokości około 1 cm, w kształcie litery V, oraz oczyszczenia rys;

• wykonania naprzemianstronnych nawiertów bocznych przez rysę pod kątem 45^o, tak aby nawiert przechodził przez pęknięcie w połowie grubości elementu budowlanego. Rozstaw otworów wzdłuż rysy przyjmuje się zwykle równy grubości elementu (ale nie więcej niż 20 - 30 cm). Głębokość otworu powinna wynosić co najmniej 70% grubości elementu (ale nie na wylot. Wykonuje się najczęściej nawierty o średnicy 10 mm. Do otworu można wprowadzać trochę cieńszy pręt zbrojeniowy. Przy rysach przechodzących przez całą szerokość elementu i obustronnie widocznych, o oczywistym kierunku przebiegu i dużej rozwartości możliwe jest wiercenie otworów w osi rysy, jak również stosowanie przylepianych pakerów iniekcyjnych;

• usunięcia pyłów z nawiertów przez przedmuchanie suchym, nie zaoliwionym powietrzem;

• zamontowania w otworach pakerów iniekcyjnych;

• wykonania zamknięcia powierzchniowego rys dowolną szybkowiążącą szpachlówką o dużej wytrzymałości (np.: szpachla epoksydowa Webac 4520), pozostawiając nie zamknięty odcinek około 3 cm na końcu rysy w celu zapewnienia odpowietrzania;

• wymieszania komponentów żywicy iniekcyjnej wolnoobrotowym mieszadłem, tak aby uniknąć zapowietrzenia;

• wykonania iniekcji ciśnieniowej pęknięć, prowadząc ją od dołu rys do góry (od najniżej położonego pakera), a dla rys poziomych zaczynając od jednej strony rysy i kontynuując wzdłuż rysy, aby uniknąć zapowietrzenia. Ciśnienie robocze powinno wynosić od 3 do 6 barów. Przed iniekcją mikrocementami rysy należy nawilżyć przez iniekcję wodą i przetrzymanie jej w rysach przez około 30 minut, a następnie wypuszczenie i przedmuchanie pęknięć przez pakery sprężonym powietrzem;

• ponowienia iniekcji przez wszystkie pakery co najmniej raz, w czasie nie przekraczającym dopuszczalnego czasu przetwarzania żywicy;

• demontażu pakerów i profilowania powierzchni rysy po stwardnieniu iniektu.

Źle wykonanej iniekcji nie można poprawić, dlatego roboty te powinny być wykonywane przez specjalistyczne firmy z dużym doświadczeniem. Orientacyjny koszt naprawy waha się od 250 zł do 500 zł za metr bieżący szczeliny, zależnie od zużycia żywic i trudności wykonania robót. Temperatura podczas iniekcji oraz 5 dni po niej nie powinna być niższa od +5^oC. Nie ma rozeznania, jaka jest klasa odporności ogniowej elementów konstrukcyjnych naprawianych metodą iniekcji żywicznej, dlatego należałoby wykonywać na nich zabezpieczenie przeciwogniowe (zaprawy ogniochronne natryskiwane, okładanie wełną mineralną). W przypadku konieczności uszczelnienia dużej ilości drobnych rys, można wykorzystać do iniekcji żele poliakryloamidowe. Iniekcję wykonuje się wówczas w grunt za przegrodą ścienną, w ilości 20 ÷ 30 litrów na 1 m² uszczelnianej powierzchni. Czas żelowania 2-składnikowego roztworu jest rzędu 15 - 20 sekund, a powstający galaretowaty, elastyczny żel hamuje dostęp wody do przegrody. Żel jest elastyczny w stanie mokrym i częściowo wysuszonym, a kruszeje przy pełnym wyschnięciu.

W przypadku rys występujących w posadzkach betonowych, tańszą od iniekcji metodą monolityzacji jest klamrowanie rys i szpachlowanie. Klamrowanie wykonuje się poprzez nacięcie betonu tarczą tnącą lub szlifierską prostopadle do rysy, na głębokość 2 ÷ 3 średnic pręta klamrującego, na długość około 30 cm, w odległościach co 20 ÷ 30 cm. Wykonane nacięcia gruntuje się konstrukcyjną żywicą epoksydową, umieszcza w nich pręty stalowe żebrowane ∅10 ÷ ∅16 mm i metodą „mokre na mokre” zalewa zaprawą epoksydową na suszonym piecowo piasku kwarcowym. Następnie szpachluje rysy poszerzone od góry w kształcie V szpachlówką epoksydową.

6. Literatura uzupełniająca.

L. Czarnecki, Peter H. Emmons „Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych”, „Polski Cement”, Kraków 2002.

---