14_Runkiewicz_L_i_inni_Awaria_stropow_monolitycznych_w_budynku_uzytecznosci_publicznej_w_wyniku_destrukcji_wewnetrznej.pdf

XXIV

awariebudowlane

Prof. dr hab. inŜ. L EONARD R UNKIEWICZ

Instytut Techniki Budowlanej, Politechnika Warszawska

Dr hab. inŜ. T OMASZ B ŁASZCZYŃSKI

Dr hab. inŜ. A LDONA Ł OWIŃSKA -K LUGE

Politechnika Poznańska

AWARIA STROPÓW MONOLITYCZNYCH W BUDYNKU

U ś YTECZNO Ś CI PUBLICZNEJ W WYNIKU

DESTRUKCJI WEWN Ę TRZNEJ

DAMAGE OF MONOLITHIC RC FLORS IN OF PUBLIC BUILDINGS

AS RESULT OF INTERNAL ACTION

Streszczenie W czasie realizacji w budynku uŜyteczności publicznej w Poznaniu wystąpiły spękania Ŝelbeto-

wych płyt stropowych. Na podstawie badań na obiekcie i badań laboratoryjnych oraz badań strukturalnych

(SEM, XRD, DTA) przeanalizowano przyczyny zaistnienia stanu awaryjnego i rozwaŜono moŜliwości naprawy.

Stwierdzono, Ŝe do betonu uŜyto oprócz kruszyw naturalnych kruszywo węglanowe oraz kruszywo z recyklingu.

Ponadto zastosowane ilości cementu znacznie odbiegały od wartości recepturowych. Zastosowany rodzaj

cementów jak i kruszyw wywołał podwyŜszoną zawartość magnezu, alkalii i związków siarki w uśrednionych

(reprezentacyjnych) próbach badanych betonów. Niewłaściwy dobór składników do wytworzenia mieszanki

betonowej wywołał spękania spowodowane odkształceniami skurczowymi i stwarzał moŜliwość wystąpienia

„korozji wewnętrznej” betonu stropów w trakcie późniejszej eksploatacji, bowiem wystąpiły warunki do

zaistnienia korozji siarczanowej.

Abstract In one of the public building in Poznań occur cracking of RC floors through the concrete-section

during the construction phase. In order to identify the best rehabilitation strategy, the causes of the damage were

analysed by means of in-situ and laboratory tests, and also the structural behaviour was investigated. It was found

that – besides natural aggregates – the concrete contained some calcareous and recycled (pieces of bricks and of

reinforcement) aggregates. Such an unsuitable mixture was one of the main culprit of both (a) concrete cracking

(because of the differential shrinkage of the various components) and (b) concrete “inner corrosion” (undesirable

chemical reactions, taking place in the whole volume of the concrete due to improper concrete quality or mixture

composition, as well as the construction technology used), starting a few hours or days after concrete casting, and

in spite of proper curing.

1. Wprowadzenie

Coraz częściej mamy do czynienia z występowaniem spękań Ŝelbetowych płyt stropowych na

całej wysokości przekroju betonowego w okresie do kilku dni od ich wykonania, pomimo

prawidłowego wykonawstwa, właściwej pielęgnacji i braku oddziaływań dynamicznych. Takie

spękania oznaczają, Ŝe płyty stropowe tracą swą sztywność i nie pracują jako pełny przekrój Ŝel-

betowy. Konieczne staje się wtedy określenie przyczyn powstania uszkodzeń. To samo zjawisko

obserwuje się równieŜ w przypadku innych Ŝelbetowych elementów konstrukcyjnych [1, 2, 3].

XXIVKonferencjaNaukowoTechniczna

SzczecinMiędzyzdroje,2629maja2009

Materiałowe aspekty awarii, uszkodze ń i napraw

Jako jedną z przyczyn niszczenia betonu uznaje się destrukcję wewnętrzną spowodowaną

niewłaściwym doborem składników mieszanek betonowych (tj. wchodzących ze sobą w niepo-

Ŝądane reakcje prowadzące do zniszczenia struktury betonu). Zjawiska te nasiliły się szczególnie

od roku 2003, czyli po wejściu nowej normy określającej skład, wymagania i kryteria zgodności

dotyczące cementów powszechnego uŜytku [4]. Norma ta wprowadziła nowe rodzaje i składy

cementów. Niestety wytwórcy betonu nie zawsze uwzględniają te dane stosując nadal

wypełnienia i dodatki jak dla niemodyfikowanych cementów. Nie kontrolują przy tym efektów

takich receptur i nie analizują niepoŜądanych reakcji pomiędzy składnikami, które mogą mieć

miejsce. Z takim właśnie przypadkiem mamy do czynienia w analizowanych stropach.

2. Analizowany obiekt i jego stan istniej ą cy

W trakcie realizacji obiektu budowlanego doszło do samoczynnego zarysowania się dwóch

obszarów stropów w części A. Jeden strop zarysował się w miesiącu czerwcu (strop I na poz.

+0,90m – temp. 26–30ºC, brak opadów), a drugi w miesiącu wrześniu (strop II na poziomie

+4,20 m – temp. 6–22ºC brak opadów) – rys. 1, 2.

strop II

strop I

Rys. 1, 2. Rzut i przekrój analizowanego budynku

Na całej grubości przedmiotowych stropów, po kilkunastu godzinach od zabetonowania,

pojawiły się rysy i spękania o układzie nieregularnym, wielokierunkowym, tworząc w efekcie

rodzaj siatki rys (rys. 3, 4). W związku z istniejącymi warunkami pogodowymi po zabetono-

waniu stosowano pielęgnację w postaci bezpośredniego stałego polewania wodą. W celu

zinwentaryzowania powstałych zarysowań wykonano szczegółową dokumentację fotograficz-

ną. W przypadku stropu I (poziom + 0,90m) generalny wykonawca dokonał sklejenia powsta-

łych rys za pomocą systemu iniekcji grawitacyjnej o średniej lepkości.

Rys. 3, 4. Przykładowe zarysowania powstałe na stropie I i II

522

Runkiewicz L. i inni: Awaria stropów monolitycznych w budynku u Ŝ yteczno ś ci publicznej...

W przypadku stropu II (poziom + 4,20 m) nie realizowano Ŝadnych prac naprawczych.

W celu dokonania oceny przyczyn powstałych zjawisk z obu zarysowanych stropów (strop I

i strop II) wykonano niezbędne odwierty próbek betonowych, na całą wysokość stropu.

Na wykonanych odwiertach w miejscach występowania rys stwierdzono, Ŝe w kaŜdym przy-

padku istniejące nawet niewielkie zarysowania widoczne na powierzchni dolnej płyty Ŝelbeto-

wej stropu, mają „wewnątrz” i na powierzchni górnej płyty stropowej znacznie większe

szerokości rozwarcia. Tłumaczyć to moŜna obecnością zbrojenia w dolnej rozciąganej strefie.

Stwierdzono takŜe układ siatkowy rys wewnętrznych, których nie widać na zewnątrz. W tych

złoŜonych uwarunkowaniach dokonanie oceny przyczyn spękań stropów wymagało przepro-

wadzenia szeregu niezbędnych badań specjalistycznych.

3. Badania makroskopowe

Z zarysowanych stropów wycięto po 6 próbek, w tym 3 w strefach zarysowanych i 3 w stre-

fach niezarysowanych, które zostały przebadane w ośrodku poznańskim oraz 6 próbek

(niezaleŜnie od strefy), które zostały przebadane w laboratoriach ITB, Politechniki Krakowskiej

i AGH. Na podstawie obserwacji makroskopowych stwierdzono występowanie pęknięć o roz-

warciu od 0,32mm do 3,4 mm, które biegły przez całą wysokość próbek betonowych ze stropów

I i II (rys. 5, 6). W próbkach wywierconych z niezarysowanych stref stropów zarysowanych,

stwierdzono takŜe rysy wewnętrzne, które nie objawiły się na Ŝadnej z powierzchni. Beton we

wszystkich próbkach zbrojony był dołem, zbrojenie górą występowało jedynie lokalnie.

Ŝy wica na sp odzie

rysa niewypełniona

Rys. 5, 6. Próbki betonu pobrane ze spękanych stropów: a/ ze stropu I z widocznymi spękaniami, zawilgoconymi pomi-

mo sklejenia powstałych rys Ŝywicą epoksydową, b/ ze stropu II z widocznymi spękaniami o znacznych rozwartościach

do 3,4 mm, przebiegające na całej grubości stropu; widoczne zmniejszanie się rozwartości rys w dolnej części stropu

W betonie stropu I i II stwierdzono obecność kruszywa węglanowego. Dodatkowo w beto-

nach z obu ocenianych stropów widoczne były niewielkie kawałki cegieł. Ponadto próbki po

wycięciu miały powierzchnie zabrudzone szlamem o kolorze ceglasto-brunatnym (rys. 7, 8).

Na przełomach próbek betonu wszystkich ocenianych stropów stwierdzono zmiany barwy od

stalowoszarej poprzez jasno-beŜową do ciemno-beŜowej oraz niezwiązany, osypujący się

popiół lotny i opiłki metalowe. Stwierdzono teŜ, Ŝe w ramach kaŜdego z badanych stropów

stosowano betony o róŜnym składzie. Chcąc to sprawdzić próbki przedmiotowych betonów

z róŜnych miejsc tych samych stropów poddano działaniu roztworu wodnego kwasu solnego

(1:3), w taki sposób jak przy określaniu kruszywa i cementu wg [6]. Otrzymane w ten sposób

kruszywa wysuszono w temperaturze 105ºC. Uzyskane wyniki ilustrują rys. 9, 10.

523

Materiałowe aspekty awarii, uszkodze ń i napraw

jasno-beŜowa część betonu

szlam ceglasto-brunatny

Rys. 7, 8. Niejednorodność betonu ocenianych stropów: a/ szlam ceglasto-brunatny na powierzchni próbki

betonu ze stropu I, b/ zmiany barwy w objętości betonu ze stropu II

Rys. 9, 10. Kruszywo otrzymane po ekstrakcji z próbek betonów pobrane z ocenianych stropów

We wszystkich ocenianych betonach zaobserwowano takŜe brak właściwej przyczepności

większych ziaren kruszywa do matrycy cementowej. W miejscach występowania pęknięć

i rys, betony ze stropów I i II, były skarbonatyzowane na głębokości, szerokości i długości

rysy. Beton w pozostałych częściach próbek miał odczyn zasadowy. Betony z obu stropów, od

spodu płyt stropowych, były skarbonatyzowane na głębokość od 0,6 do 0,8 mm. Beton o kolo-

rze beŜowym nie miał odczynu zasadowego. Zbrojenie w stropach znajdowało się jeszcze

w betonie o zasadowym pH. Na zbrojeniu obserwowano juŜ ślady rdzy.

4. Badania wybranych cech mechanicznych i fizycznych

W celu określenia wybranych cech mechanicznych i fizycznych przeprowadzono badania

gęstości objętościowej, nasiąkliwości wagowej oraz pH.

Badanie gęstości objętościowej przeprowadzono na wszystkich próbkach walcowych okre-

ślając średnią gęstość objętościową dla zastosowanego betonu w kaŜdym ze stropów. W efekcie

badań wykonanych w ośrodku poznańskim oceniono, Ŝe beton ze stropu I posiada gęstość

2256 kg/m 3 , a ze stropu II – 2446 kg/m 3 . Wyniki te potwierdziły badania w laboratorium ITB,

gdzie średnią gęstość oszacowano jako 2340 kg/m 3 . Gęstość objętościowa pomiędzy 2300

i 2400 kg/m 3 jest gęstością dobrze charakteryzującą większość betonów konstrukcyjnych.

Dla ocenianych betonów określono takŜe nasiąkliwość wagową, która wynosiła dla betonu

ze stropu I – 6,9%, a ze stropu II – 6,1%. Badane stropy pod względem nasiąkliwości spełnia-

524

Runkiewicz L. i inni: Awaria stropów monolitycznych w budynku u Ŝ yteczno ś ci publicznej...

ły wymagania dla betonów osłoniętych przed bezpośrednim działaniem czynników atmosfe-

rycznych (nasiąkliwość wagowa < 9%).

Odczyny wyciągu wodnego rdzenia próbek betonu ze stropów I i II, oszacowane w ośrodku

poznańskim, wynosiły odpowiednio: dla stropu I – 12,00, a dla stropu II – 11,96. Badania

przeprowadzone w ośrodku krakowskim (Politechnika Krakowska) potwierdziły te wyniki

oceniając pH odpowiednio jako 11,90 i 12,15. Przedstawione wartości odczynów pH świad-

czą o róŜnym stopniu hydratacji spoiw uŜytych do wykonania badanych stropów. Wartości te

są niŜsze od typowych pH dla normalnych betonów (pH ~ 12,5).

5. Wybrane badania strukturalne

W celu określenia struktury i rodzaju powstałych związków oraz rodzaju dodatków doda-

nych do betonu, dla próbek pobranych ze stropów oznaczonych I i II, wykonano badania

mikroskopowe. Badania mikroskopowe miały równieŜ słuŜyć ocenie ewentualnych moŜli-

wości i kierunków zachodzenia dalszych reakcji w analizowanych betonach [5]. Na podstawie

analizy obserwowanych obszarów, jak i zdjęć stwierdzono, Ŝe w badanych próbkach betonu

występowały: portlandyt, fazy tobermorytowe Ŝelowe i wykrystalizowane krótkowłókniste,

niewielkie ilości węglanu wapniowego i ŜuŜel wielkopiecowy. W całej objętości widoczne

były ziarna popiołu lotnego. W betonie ze stropu I występowało mniej ŜuŜla wielkopiecowe-

go, niŜ w pozostałych betonach. W betonie ze stropu II występowały znaczne ilości „luźnego”

popiołu lotnego, sferoidy tlenków Ŝelaza i opiłki metaliczne połączone z matrycą cementową.

Wykonane przy uŜyciu mikrosondy rentgenowskiej mikroanalizy bezwzorcowe EDX obser-

wowanych, w betonie ze stropu II, produktów reakcji wykazywały w nich obecność wapnia,

krzemu, glinu, tlenu, węgla, magnezu, siarki i Ŝelaza.

Badania rentgenowskie wykonano na preparacie proszkowym uzyskanym z wyekstraktowa-

nego „kruszywa czerwonego”, przy uŜyciu skomputeryzowanego dyfraktometru rentgeno-

wskiego. Na dyfraktogramie dla tego kruszywa stwierdzono następujące fazy: kwarc, α – Fe 2 0 3 ,

mulit, kaolinit. Odpowiada to w przybliŜeniu składowi ceramiki, rdzy oraz naturalnemu

kwarcowi.

Aby określić czy w betonach były dodatki wapienia oraz by określić zawartość związków przy-

łączonych w trakcie wiązania i twardnienia cementu, dla próbek betonów pobranych z analizo-

wanych stropów (I, II) przeprowadzono badania derywatograficzne. Próbki badano metodą

termograwimetryczną na derywatografie w atmosferze N 2 w zakresie temperatur od 20 do 900°C.

Na krzywej DTA trzech próbek badanych betonów zaobserwowano trzy endotermiczne

efekty cieplne w zbliŜonym zakresie temperatur.

Pierwszy efekt w zakresie temperatur od 60 do 320°C związany był ze stratą wody

związanej w uwodnionych glinianach, siarczanoglinianach i krzemianach wapnia. Największy

ubytek masy w tym zakresie wykazywał beton ze stropu II, a w dalszej kolejności ze stropu I.

Drugi efekt w zakresie temperatur od 460 do 520°C związany był z rozkładem Ca(OH) 2 .

Biorąc pod uwagę zbliŜone ubytki masy i podobny zakres temperatur obu efektów

endotermicznych moŜna było wnioskować, iŜ ilości cementu w uśrednionych próbkach

badanych betonów ze stropów I i II, były zbliŜone do siebie.

Trzeci efekt endotermiczny w zakresie temperatur od 710 do 860°C związany był z rozkła-

dem węglanów wapnia, przy czym dla próbki ze stropu II, ubytek ten był zbliŜony (odpo-

wiednio 3,76% i 3,32%). Największy ubytek wykazywała próbka betonu ze stropu I – 4,25%.

Ubytek masy przy ogrzewaniu do temperatury 580°C dla próbek z betonu stropów nr I i II,

wynosił odpowiednio: 9,50% i 9,45%. Całkowity ubytek masy wynosił dla próbek betonu ze

stropów I i II, odpowiednio: 15,05% i 13,63%. Po badaniu próbki nie zmieniły swej

proszkowej postaci. Nie zauwaŜono nadtopień.

525

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: