Konstrukcje betonowe.docx

Konstrukcje betonowe, utrzymanie i remont

G.nther Ruffert - Tłumaczył Andrzej Machalski

1. Wiadomości ogólne
Stosownie do przepisów budowlanych, budowle należy tak wykonywać i utrzymywać, aby nie powstało niebezpieczeństwo dla ludzi i rzeczy. Przestrzeganie reguł techniki budowlanej gwarantujących wymagane bezpieczeństwo, jest w normalnym przypadku sprawdzane przed rozpoczęciem, podczas wykonywania i po ukończeniu przedsięwzięcia budowlanego - przez różne upoważnione do tego placówki. Wprawdzie po zakończeniu budowy, według przepisów budowlanych już nie jest wymagana periodyczna kontrola - z wyjątkiem budowli komunikacyjnych - to jednak właściciel budowli jest prawnie odpowiedzialny za jej utrzymanie wykluczające jakiekolwiek niebezpieczeństwo.

Wskazówki praktyczne
W przypadku wad (usterek) betonu, jakie dzisiaj podlegają naprawie, często chodzi nie o odosobnione wady, lecz o zmniejszoną jakość całej konstrukcji.

Przy każdej szkodzie występującej w danej konstrukcji żelbetowej należy zbadać jej możliwy wpływ na ogólną stateczność konstrukcji - przez rzeczoznawcę inżyniera-projektanta, nawet wtedy, gdy widoczne szkody nie dotyczą stateczności.

2. Uszczelnianie rys w budowlach wodnych z betonu

Beton jest w szerokim zakresie stosowany do zatrzymywania wody naporowej działającej na budowlę (tzw. białe wanny), albo też do tworzenia zbiorników na wodę (baseny plywackie, zbiorniki wody pitnej). Wodoszczelność jest jednak w nich zachowana dopóty, dopóki w betonie nie pojawią się rysy. W takim wypadku często nie jest konieczne, aby rysa przebiegala przez całą grubość ściany. Do występowania nieszczelności często już wystarcza, gdy rysa siega do zbrojenia, gdyż woda wtedy szuka sobie drogi wzdłuż pustek i raków w zwartej strukturze betonu, najczęściej zdarzających się wokół prętów zbrojeniowych. Wtedy woda może wyjść gdzieś na zewnątrz. Jeżeli w rezultacie użytkowania lub naprężeń własnych dojdzie do powstania rys, wówczas w celu odzyskania wodoszczelności należy przeprowadzić stosowne zabiegi uszczelniające w strefie rysy.

Jest to naturalnie zjawisko także i wtedy (a nawet najczęściej wtedy), gdy zjawią się rysy w wannach i zasobnikach, ktore służą do ochrony wody gruntowej i gleby przed przedostaniem się cieczy zawierającej produkcyjne odpady przemysłowe itp.

Wskazówki praktyczne
Przy uszczelnianiu rys w tego rodzaju budowlach ważne jest, czy rysa ma być uszczelniana od strony wody czy też z przeciwnej strony. Jeżeli jest dostateczny dostęp od strony wody, to najpewniejszym i najtańszym rozwiązaniem będzie założenie uszczelniającego paska folii lub też nałożenie powłoki nakrywającej rysę Jeśli jednak uszczelnianie jest możliwe tylko od drugiej strony, to z reguły w grę wchodzi tylko wtłaczanie żywic iniekcyjnych, a w ograniczonym zakresie również zawiesin cementowych.

Wtłaczanie żywic iniekcyjnych
Przy małych szerokościach rys (poniżej 1 mm), lub gdy silny napór wody wymaga bardzo krótkiego czasu twardnienia, do iniekcji są stosowane różnorodne tworzywa sztuczne. Ponieważ aby wypełnienie mogło przenosić siły z reguły musi być ono w znacznej części (około 80 %) wypełnione wysokowytrzymałą żywicą epoksydową. W przypadku wtłaczania uszczelniającego wymagane wypełnienie powinno praktycznie wynosić 100 %, gdyż inaczej woda będzie sobie szukać drogi obok wypełnienia. Tak wysoki stopień wypełnienia, przede wszystkim w przypadku wilgotnych rys, można osiągnąć jedynie przy użyciu żywic poliuretanowych (PUR), które sprężyście twardnieją także w obecności wilgoci, a ponadto przy twardnieniu powiększają swoją objętość przez pobieranie wody z otoczenia. W praktyce do uszczelniającego wtłaczania w rysę nadają się prawie wyłącznie dwuskładnikowe żywice poliuretanowe, które oprócz właściwości niezbędnych do prawidłowego wtłaczania, jak niska lepkość i wysoka zdolność podciągania kapilarnego, wykazują jeszcze kilka dodatkowych zalet, wynikających z postawionego im zadania jako uszczelniacza.

Przy silniejszym naporze wody stosuje się pianki poliuretanowe, tzw. stopery wody, w których składniki żywicy przy kontakcie z wodą reagują intensywnym zwiększeniem objętości. Ponieważ wielkie pory tego spieniającego się tworzywa przy utrzymującym się naporze wody ulegają potem zniszczeniu lub też stają się przepuszczalne dla wody, metoda ta służy jedynie jako wstępne uszczelnienie przeciwko silnemu naporowi wody. Gdy tylko przepływ wody zostanie zatrzymany dzięki wstępnej iniekcji tych żywic, dokonuje się ostatecznej iniekcji uszczelniajacej za pomocą stabilnych typów żywic epoksydowych, poliuretanowych lub też akrylowych.

Wtłaczanie w rysę zawiesin cementowych
Zawiesiny cementowe tworzą po stwardnieniu sztywne, pod względem odkształcalności zachowujące się bardzo podobnie jak beton, zamknięcie drogi przepływu wody. Mają one uzasadnienie tylko tam, gdzie rysa powstała wskutek jednorazowego przekroczenia wytrzymałości materiału budowlanego na rozciąganie. Przy uszczelnianiu za pomocą zawiesin cementowych trzeba pamiętać, że przy zwykle występujących współczynnikach w/c (ponad 1,0) tylko część wody zarobowej zostaje zużyta na hydratację, tak, że wskutek sedymentacji dochodzi jedynie do częściowego wypełnienia i drogi przepływu wody często pozostają otwarte. Problemu tego można w dużej mierze uniknąć dzięki ostatnio wprowadzonym na rynek cementowym środkom iniekcyjnym, w których zawartość wody za sprawą domieszek chemicznych daje się utrzymać na niskim poziomie, a ponadto zawierają mikrocementy (cementy o skrajnie wysokim stopniu zmielenia). Problemem nadal jednak pozostaje szybkie odciąganie wody przez otaczający beton. Wskutek tego może dojść do zatkania górnych stref rysy i wtedy do niżej położonych stref masa iniekcyjna nie może już dotrzeć. Ponieważ spoiwa hydrauliczne potrzebują pewnego czasu do związania, ich użycie przeciwko wodzie naporowej nie jest możliwe.

Z drugiej strony, środki iniekcyjne na bazie cementu nie tylko są znacznie tańsze od żywic sztucznych, ale w zastosowaniu są niewrażliwe na obecność wilgoci, ponieważ w przeciwieństwie do żywic epoksydowych (przeważnie używanych do iniekcji przenoszących siły), których twardnienie bywa znacznie zakłócane przez wilgoć, hydrauliczne spoiwo cementowe nawet wymaga wody do swego stwardnienia. Również materiały cementowe mogą być wstrzykiwane nawet jeszcze przy wyraźnie niskich temperaturach - praktycznie do 0 !C, podczas gdy najniższa temperatura dla robót z żywicami epoksydowymi wynosi około 8 !C. W większości wypadków podczas robót uszczelniających, iniekcje cementowe są jedynie stosowane w razie potrzeby wypełniania istniejących większych pustek i raków w betonie.

3. Ochrona katodowa przed korozją

Ochrona stali przed korozją w alkalicznym betonie opiera się na tym, że przy wskaźniku pH pomiędzy 9 a 13, na powierzchni stali tworzy się mikroskopijnie cienka błona tlenkowa, która zapobiega uchodzeniu z metalu jonów żelaza i tym samym uniemożliwia powstawanie rdzy.

Ochronę stali zbrojeniowej przed korozją umożliwia ochrona katodowa przed korozją. Korozja następuje wskutek wymiany jonów, jest więc procesem elektrochemicznym. Aby zapobiec spowodowanemu przez to procesowi rozpuszczania się metalu, do betonu mocuje się kratkę metalową działającą jako anoda, połączoną w dostatecznie wielu miejscach ze znajdującymi się w betonie i działającymi jako katoda prętami zbrojeniowymi. System ten jest poddawany zewnętrznemu działaniu prądu stałego o niewielkim natężeniu, a więc sztucznie powstaje napięcie skierowane przeciwko występującemu przy korozji strumieniowi elektronów. Zamocowana kołkami kratka z drutu (pod uwagę można brać tylko metale stojące wyżej od żelaza w elektrolitycznym szeregu napięciowym, a więc na przykład druty miedziane lub tytanowe powleczone tlenkami metali szlachetnych) następnie zostaje pokryta zaprawą cementową lub betonem natryskowym.

Wskazówki praktyczne
Metoda ta nadaje się tylko w wyjątkowych wypadkach, głównie do ochrony elementów żelbetowych, narażonych na działanie soli do tajania lodu.

4. Iniekcje ze sztucznych żywic

Iniekcji z żywic sztucznych dokonuje się w celu wypełnienia (pod ciśnieniem) pustek w betonie, w szczególności rys. Zależnie od zadania remontowego, używa się przy tym albo żywic epoksydowych, których wytrzymałość w stanie stwardniałym wykracza ponad zwykłe wytrzymałości betonu i które są stosowane przede wszystkim do połączeń zdolnych do przenoszenia siły, albo też sprężyste żywice poliuretanowe, stosowane głównie do celu uszczelniania.

Zasadniczo przed każdym wypełnianiem rys powinno się trwale usunąć ich przyczynę. Po zlikwidowaniu takiej przyczyny, na przyklad przez wzmocnienie konstrukcji, wbudowanie kotew sprężających itd. należy sprawdzić, czy rysę należy tylko zamknąć czy też wypełnić tak, aby była zdolna do przenoszenia sił.

Jeżeli rysa zagroziła stateczności budowli, to należy przeprowadzić wtłaczanie materiału aby uszczelnienie było zdolne do przenoszenia sił.

Wskazówki praktyczne
Wciskanie żywicy pod ciśnieniem wymaga odpowiednich końcówek (rurek) tłocznych (pakerów). Do wtłaczania żywic pod ciśnieniem służą dwa różne rodzaje pakerów.

5. Kotwy iniekcyjne
Zadaniem kotew jest związanie luźnych warstw gruntu z mocnymi strukturami otaczającymi, a także mocne zespolenie popękanych części murów. Kotwy o odpowiedniej długości wwierca się we wzmacnianą strukturę gruntową lub w łączone części muru. Tam się je łączy z otaczającym materiałem przez iniekcję z twardniejącego spoiwa, następnie ustala przez nasadzone na końcach "płyty kotwiące". Często kotwy wstępnie spręża się.
Spotyka się dwa typy kotw iniekcyjnych: 1) kotwy z zastosowaniem tłoczenia, 2) samowiercące kotwy iniekcyjne.

6. Zawiesiny koloidalne

Definicja
Iniekcje z zawiesin cementowych są stosowane przede wszystkim do wzmacniania luźnych skał, do zabezpieczającego uszczelniania dawnych wysypisk odpadów oraz do wypelniania rys w konstrukcjach betonowych i murowych.

Spotyka się tutaj nadające się do iniekcji zawiesiny cementowe lub wapienno-pucolanowe, które przez przygotowanie w wysokoobrotowych mieszarkach specjalnych nabrały szczególnych, koloidalnych właściwości.

Jeżeli cement o wysokim rozdrobnieniu wymiesza się z wodą, powstaje zawiesina.

Aby otrzymać zawiesinę bardziej rozpływową i stabilizującą, mieszaninę wodno-cementową rozbija się w specjalnych mieszarkach o wysokiej prędkości obrotowej (do 1000 obrotów na minutę). Przez występujące przy tym wielkie siły ścinające i tarcia następuje lepsze udostępnienie i zwilżenie cząstek cementowych. Dochodzi wtedy o wiele szybciej do tworzenia się żelu i powstaje stabilna zawiesina. Mieszanina uzyskana tą metodą nazywa się zawiesiną koloidalną.

Po dodaniu piasku powstaje śmietanopodobna, dobrze rozpływająca się zaprawa, doskonale nadająca się do wtłaczania. Koloidalne zawiesiny cementowe stosuje się przede wszystkim do wzmacniania murów zabytkowych budynków.

Wskazówki praktyczne
Wtłoczona zaprawa cementowa wypełnia pustki dające się osiągnąć i po stwardnieniu wzmacnia całą strukturę muru. Przy tym z reguły wcale nie jest potrzebna wytrzymałość kamienia cementowego kilkakrotnie przekraczająca wytrzymałość starego muru (starej zaprawy). Przeciwnie, taki stosunek wytrzymałości może nawet oddziałać negatywnie, m.in. z powodu odmiennego odkształcania się. Schudzenie zawiesiny wtłaczanej piaskiem może znowuż znacznie zredukować rozpływność wtłaczanego materiału, tak, że drobniejsze kanaliki będą nie do osiągnięcia. Dalej, powstaje groźba, że w rezultacie wprowadzenia znacznej ilości wody - niezbędnej dla rozpływności zawiesiny - powstaną nowe szkody.
Literatura
FAGERLUND G.: Trwałość konstrukcji betonowych. Arkady, Warszawa 1997.
ŚCIŚLEWSKI Z.: Utrzymanie konstrukcji żelbetowych. ITB, Warszawa 1997.
BADZONG: Zustandsanalyse an Betonbauwerken (Analiza stanu konstrukcji betonowej). Schweizer Baublatt 99(89).
JUNGWIRTH: Elektrochemische Schutzverfahren f.r Stahlbetonbauwerke aus der Sicht der Praxis (Metoda ochrony elektrochemicznej konstrukcji żelbetowych z punktu widzenia praktyki); 2. Fachtagung Betoninstandsetzung, Institut f.r Baustofflehre und Materialpr.fung M.nchen.
KN-FEL D.: Stichwort Baustoffkorrosion (Hasło korozja materiałów budowlanych). Bauverlag, Wiesbaden 1982.
RUFFERT G.: Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Ochrona i remont konstrukcji betonowych). Bauverlag, Wiesbaden 1991.
DIN 4093. Baugrund; Einpressen in den Untergrund; Planung, Ausf.hrung, Pr.fung (Grunt budowlany; zastrzyki do podłoża; projektowanie, wykonanie, badanie).