0 ksiazka1 - Awarie budowlane

XXIV
awarie budowlane
XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna
Szczecin-Międzyzdroje, 26-29 maja 2009
Dr hab. inŜ. PAWEŁ ŁUKOWSKI
Wydział InŜynierii Lądowej, Politechnika Warszawska
MOśLIWOŚCI SAMONAPRAWY BETONU
POSSIBILTIES OF SELF-REPAIRING OF CONCRETE
Streszczenie W artykule przedstawiono koncepcję i moŜliwości samonaprawy materiałów budowlanych. Omówiono dotychczas proponowane rozwiązania w tym zakresie, w tym „samozaleczanie” rys w betonie, wprowadzanie do mieszanki betonowej środka naprawczego w mikrokapsułkach lub włóknach oraz wykorzystanie
biomateriałów. Szczególną uwagę poświęcono moŜliwości nadawania materiałom cechy samonaprawialności
przez stosowanie modyfikacji Ŝywicą epoksydową bez utwardzacza. Przedstawiono wyniki wstępnych badań
laboratoryjnych, potwierdzających taką moŜliwość. Koncepcja ta jest wciąŜ na etapie wstępnych badań; do
rozwiązania pozostaje szereg problemów technologicznych i materiałowych.
Abstract The idea and possibilities of self-repairing of the building materials have been presented in the paper.
The hitherto proposed solutions in that area have been described, including “self-healing” of the cracks in the
concrete, application of the repair means in the micro-capsules or fibres to the concrete mix and using of the
biomaterials. The particular attention has been paid to the possibility of achieving the self-repairing by
modification of the concrete with the epoxy resin without hardener. The results of the introductory lab tests have
been presented, which confirm the discussed possibility. The concept is still in the stage of the introductory
investigations; several technological and material problems should be resolved.
1. Wprowadzenie
W działalności technicznej człowiek stara się często naśladować naturę; w odniesieniu do
inŜynierii materiałów budowlanych „homeostaza techniczna” [1] oznacza nie tylko odporność
na działanie czynników destrukcyjnych, ale równieŜ moŜliwość „samonaprawy” materiału,
który uległ uszkodzeniu. Wśród popularnych ostatnio materiałów „autotechnologicznych”
(samopoziomujące, samozagęszczalne, samorozlewne, itd.) wyroby samonaprawialne mogą
stanowić krok w kierunku „inteligentnych” materiałów budowlanych XXI wieku [2].
2. Koncepcja samonaprawialności betonu
Naprawa konstrukcji jest często procesem technicznie trudnym, a z ekonomicznego punktu
widzenia – kosztownym. Jednym z głównych zadań współczesnej inŜynierii materiałów
budowlanych jest opracowanie materiałów konstrukcyjnych o większej trwałości, których
stosowanie zmniejsza częstotliwość niezbędnych napraw. Drugim wyzwaniem jest poszukiwanie rozwiązań materiałowo-technologicznych, które stanowiłyby ułatwienie samego procesu
naprawczego. W latach osiemdziesiątych XX wieku pojawiła się koncepcja stwarzająca
perspektywę połączenia obu tych kierunków badawczych – betony i zaprawy samonaprawialne.
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw
W sprzyjających warunkach na skutek karbonatyzacji (reakcji wodorotlenku wapnia
z atmosferycznym dwutlenkiem węgla) w betonie moŜe zachodzić zjawisko „samozaleczania”
rys (rys. 1), to znaczy ich wypełniania produktem karbonatyzacji – węglanem wapnia [3].
Reakcja ta, szkodliwa dla Ŝelbetu, zachodzi niezaleŜnie od intencji uŜytkownika i bez udziału
dodatkowych środków. Samonaprawianie natomiast polega na działaniu – w przewidziany
sposób i w załoŜonych okolicznościach – materiału naprawczego, który wprowadzono do
betonu w trakcie wytwarzania mieszanki betonowej.
Rys. 1. Model komputerowy samozaleczania przez sztuczne leukocyty [4]
Umieszczenie materiału naprawczego we właściwym miejscu, tj. tam, gdzie wystąpiło
uszkodzenie, jest jednym z podstawowych problemów, jakie trzeba rozwiązać w trakcie
naprawy elementu betonowego. Problemem jest zwłaszcza degradacja betonu następująca
wewnątrz elementu. Dotarcie do rysy z materiałem naprawczym jest moŜliwe dopiero po
uzewnętrznieniu się uszkodzenia, co często wiąŜe się z powaŜnym stopniem destrukcji.
Koncepcja samonaprawialności polega na załoŜeniu, Ŝe materiał naprawczy zostanie
umieszczony wewnątrz betonu jeszcze zanim nastąpi uszkodzenie, tzn. podczas wytwarzania
mieszanki betonowej. Kiedy napręŜenia wewnętrzne w betonie przekraczają załoŜony
poziom, następuje aktywacja materiału naprawczego. RóŜne metody „samonaprawiania”
róŜnią się przede wszystkim sposobem tej aktywacji [5].
3. Metody technicznej realizacji samonaprawialności
Materiał naprawczy – zwykle Ŝywica utwardzalna – moŜe być umieszczony w mieszance
betonowej podczas jej wytwarzania w specjalnych mini-kapsułkach, osobno Ŝywica i utwardzacz. Po przekroczeniu załoŜonego poziomu napręŜeń kapsułki pękają, uwalniając Ŝywicę
i utwardzacz, które powinny się wymieszać, wniknąć do powstałej mikrorysy i utwardzając
się powstrzymać jej propagację. Wariantem tej metody jest dodawanie do mieszanki
betonowej ciekłej Ŝywicy, zawierającej utwardzacz w rozproszonych w niej kapsułkach.
Po uwolnieniu środka utwardzającego miesza się on z Ŝywicą.
DuŜe osiągnięcia w tej dziedzinie – a takŜe rozpropagowanie idei samonaprawialności
betonu – wiąŜą się z pracami Carolyn M. Dry z University of Illinois, Urbana, USA. Zaproponowała ona umieszczanie środka naprawczego w kruchych włóknach, które następnie dodaje
się do mieszanki betonowej jako składnik zbrojenia rozproszonego [6]. Przekroczenie odpowiedniego napręŜenia powoduje pęknięcie włókna, czego efektem jest uwolnienie środka
naprawczego do powstałej mikrorysy i jej scalenie (rys. 2).
498
Łukowski P.: MoŜliwości samonaprawy betonu
matryca
rysa
włókno
włókno wypełnione
środkiem naprawczym
rysa powiększając się
przebija włókno – środek
naprawczy wypełnia rysę
Rys. 2. Mechanizm samonaprawiania rys wewnątrz betonu wg metody C.M. Dry
Mikrobiologicznie indukowane wytrącanie minerałów – wynikające ze zdolności mikroorganizmów do wytrącania soli mineralnych w postaci stabilnych kryształów – jest równieŜ
przedmiotem badań inŜynierii materiałów budowlanych, poniewaŜ moŜe być wykorzystane do
nadania samonaprawialności betonowi [7]. Beton zawierający odpowiednio dobrane mikroorganizmy wykazuje zdolność do samozaleczania wewnętrznych rys i spękań i jest czasem
nazywany „samonaprawialnym biomateriałem”. Szczególnie obiecujące wyniki osiągnięto
stosując Bacillus Pasteurii; produktem ich metabolizmu jest kalcyt CaCO3 (rys. 3). Kalcyt
intensywnie akumuluje się na ścianie komórkowej bakterii i stopniowo ją przerasta.
Ostatecznie całe komórki przybierają formę krystaliczną, wypełniając i uszczelniając pory
i rysy w betonie (rys. 3).
Rys. 3. Komórki bakterii Bacillus Pasteurii (cbc) w strukturze betonu [8]
Ograniczenia metody wynikają przede wszystkim z faktu, Ŝe efektywne działanie bakterii
jest moŜliwe tylko w wąskim zakresie ich zawartości w betonie. Konieczne jest równieŜ
zapewnienie odpowiednich warunków chemicznych, np. Bacillus Pasteurii wykazuje optymalne działanie przy pH = 10, tymczasem w miarę upływu czasu alkaliczność betonu ulega
nieuchronnemu obniŜeniu, a co za tym idzie zmniejsza się skuteczność samonaprawiania.
Ponadto, omawiane bakterie są aerobami, ich metabolizm jest więc tym efektywniejszy,
im lepszy jest dostęp tlenu. To oznacza, Ŝe są one aktywniejsze w warstwach przypowierzchniowych niŜ w głębi betonu.
499
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw
4. Spoiwa epoksydowo-cementowe stosowane bez utwardzacza
Kompozyty polimerowo-cementowe (PCC, polymer-cement concretes) to materiały, w których dodatek polimeru tworzy osobną fazę ciągłą – współspoiwo. Konieczność dozowania
utwardzacza, będącego dodatkowym składnikiem układu, stanowi utrudnienie przy wytwarzaniu betonów i zapraw epoksydowo-cementowych. Z drugiej strony, materiały te charakteryzują się korzystnymi właściwościami uŜytkowymi, skłaniającymi do poszukiwania nowych,
racjonalnych rozwiązań technologicznych [9].
DuŜa reaktywność grup epoksydowych w łańcuchach nieutwardzonej Ŝywicy powoduje,
Ŝe w pewnych warunkach i w pewnym zakresie moŜliwe jest sieciowanie polimeru bez udziału utwardzacza, jedynie pod wpływem czynnika katalitycznego (rys. 4); rolę tę moŜe spełniać
obecny w zaczynie cementowym wodorotlenek wapnia [10]. Wstępne badania, prowadzone
przede wszystkim w Japonii przez Y. Ohamę, potwierdziły taką moŜliwość. Według Ohamy,
właściwości betonów i zapraw epoksydowo-cementowych bez utwardzacza w niektórych
obszarach mogą nawet przewyŜszać cechy materiałów zawierających „tradycyjne”, dwuskładnikowe modyfikatory epoksydowe [11]. Badania prowadzone w Katedrze InŜynierii Materiałów Budowlanych Politechniki Warszawskiej wskazują jednak, Ŝe nadmiar Ŝywicy, pozostający w układzie w stanie nieutwardzonym, moŜe przy większych zawartościach (powyŜej 20%
masy cementu) powodować pogorszenie niektórych właściwości w porównaniu z tworzywem
zawierającym utwardzacz (rys. 5).
CH2
CH
CH2
O
+
CH2 CH
OH
O
Ca(OH)2
CH2 O
CH2 CH
O
O
n
CH2 O
CH2 CH
CH2
n
OH
Rys. 4. Sieciowanie Ŝywicy epoksydowej pod wpływem wodorotlenku wapnia
8
2
EPBU
EPU
1
nasiąkliwość wodą, nW, %
przyczepność, fA, MPa
3
6
EPBU
EPU
4
2
0
0
0
0,05
0,1
0,15
p/c
0,2
0,25
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
p/c
Rys. 5. Przyczepność do podkładu betonowego (z lewej) i nasiąkliwość wodą (z prawej) zaprawy
epoksydowo-cementowej z utwardzaczem (EPU) i bez utwardzacza (EPBU) w zaleŜności od zawartości Ŝywicy
Modyfikacja spoiw cementowych Ŝywicą epoksydową bez utwardzacza stanowi jeden
z nowych, a przy tym najbardziej obiecujących ze względów praktycznych, kierunków rozwoju
technologii kompozytów polimerowo-cementowych. Oprócz względów technologicznych,
szczególnie atrakcyjna jest tu moŜliwość wykorzystania tego rodzaju materiałów jako samonaprawialnych. Przy zawartości polimeru w spoiwie wynoszącej 20% i więcej, stopień usieciowania Ŝywicy epoksydowej stosowanej bez utwardzacza szacuje się na około 50% [12]; nadmiar
nieutwardzonej Ŝywicy pozostaje początkowo zamknięty w porach stwardniałego zaczynu.
W miarę występowania obciąŜeń Ŝywica zostaje uwolniona i wypełnia powstające mikrorysy
500
Łukowski P.: MoŜliwości samonaprawy betonu
w strukturze tworzywa, gdzie wchodząc w kontakt z wodorotlenkiem wapnia ulega usieciowaniu i utwardzeniu. Mikrorysy zostają uszczelnione i scalone (rys. 6).
kruszywo
matryca cementowa
utwardzona Ŝywica epoksydowa
Ŝywica nieutwardzona
Po wystąpieniu obciąŜeń powstają
mikrorysy
Mikrorysy zostają wypełnione
Ŝywicą, która następnie ulega
utwardzeniu
Rys. 6. Koncepcja samonaprawialności kompozytu epoksydowo-cementowego [9]
Podstawową niedogodnością proponowanych dotąd rozwiązań materiałów samonaprawialnych jest pojawiające się zwykle utrudnienie technologiczne, związane z koniecznością
wprowadzania do materiału dodatkowego składnika (kapsułki, włókna, itp.), a takŜe konieczność specjalnego przygotowywania środka naprawczego (preparacje chemiczne, impregnacja
nośnika, np. specjalnego kruszywa, itp.). Dlatego moŜliwość zastosowania jako modyfikatora
Ŝywicy epoksydowej bez dodatkowego środka utwardzającego (a więc przy wyeliminowaniu
jednego składnika układu) naleŜy uznać za szczególnie korzystną. Kompozyty epoksydowo-cementowe mają uznane zastosowanie w budownictwie [13]; wykazanie moŜliwości
uproszczenia procesu ich wytwarzania stanowiłoby dodatkową – oprócz nadania unikatowej
cechy samonaprawialności – korzyść i ułatwienie ich praktycznego stosowania.
Takie działanie wpisuje się w strategię zrównowaŜonego rozwoju w budownictwie [14],
przez oszczędność zasobów i mniejsze obciąŜenie środowiska naturalnego, co jest moŜliwe
przy mniejszej częstotliwości prac naprawczych i konserwacyjnych. DłuŜsze odstępy między
naprawami oznaczają obniŜenie kosztów uŜytkowania obiektów budowlanych.
5. Wyniki wstępnych badań laboratoryjnych
Celem badań była wstępna weryfikacja moŜliwości samonaprawy kompozytu epoksydowo-cementowego (ECC), gdzie jako współspoiwo zastosowano Ŝywicę epoksydową bez
501
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw
10
10
8
8
fb [MPa]
fb [MPa]
utwardzacza. Badano zaprawy ECC o zawartości Ŝywicy epoksydowej 15% i 30% w stosunku
do masy cementu. Współczynnik woda/cement wynosił 0,50, a stosunek zawartości spoiwa
do kruszywa 1:3. Zastosowano cement portlandzki CEM I 32,5R, wg PN 197-1:2002, piasek
normowy jako kruszywo oraz dostępną na rynku Ŝywicę epoksydową.
Badaniom wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu poddano próbki zapraw zawierających Ŝywicę epoksydową z utwardzaczem (EPU) oraz bez utwardzacza (EPBU).
Podstawowym problemem badawczym przy ocenie moŜliwości samonaprawy jest kontrolowane wymuszanie ograniczonych uszkodzeń struktury materiału tak, aby nie prowadziły one
do całkowitego zniszczenia, a jedynie do pogorszenia wytrzymałości. W tym celu zastosowano dwie odmienne procedury:
1) Dwukrotne obciąŜenie ściskające do poziomu 70% obciąŜenia niszczącego; drugie ściskanie poprzedzone obróceniem próbki o 90°.
2) 10 cykli obciąŜenia zginającego o maksymalnej wartości 70% obciąŜenia niszczącego,
z szybkością 2000 N/min.
Przebieg badań był następujący:
– badanie części próbek po 28 dniach dojrzewania w warunkach zalecanych przez normy
europejskie (np. PN-EN 1542): 1 dzień przykrycia folią, po rozformowaniu 2 dni
szczelnego zawinięcia w folię, pozostały czas do badania w warunkach powietrzno-suchych (temperatura ok. 21°C, wilgotność względna ok. 60%),
– kontrolowane obciąŜenie części próbek,
– badanie części próbek po obciąŜeniu,
– pozostawienie pozostałych próbek po obciąŜeniu w warunkach powietrzno-suchych,
– badanie próbek obciąŜanych i nieobciąŜanych po 12 dniach od obciąŜania.
Badania przeprowadzono w laboratorium Katedry InŜynierii Materiałów Budowlanych na
Wydziale InŜynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej (rys. 7 – 9). Oceniano stopień
powrotu wytrzymałości po samonaprawie do wartości sprzed obciąŜenia, zdefiniowany jako
SP = fb po samonaprawie / fb 28 przed obciąŜeniem.
6
4
4
2
2
0
0
a)
6
0
10
20
30
czas [dni]
bez obc.
zgin.
40
50
b)
0
10
20
30
40
50
czas [dni]
bez obc.
zgin.
Rys. 7. Wytrzymałość na zginanie kompozytu epoksydowo-cementowego o zawartości Ŝywicy epoksydowej
0,15% masy cementu; a) układ z utwardzaczem (EPU), b) układ bez utwardzacza (EPBU)
502
12
10
10
8
8
fb [MPa]
fb [MPa]
Łukowski P.: MoŜliwości samonaprawy betonu
6
4
6
4
2
2
0
0
0
10
20
30
40
czas [dni]
a)
bez obc.
ścisk.
50
0
b)
zgin.
10
20
30
40
50
czas [dni]
bez obc.
ścisk.
zgin.
Rys. 8. Wytrzymałość na zginanie kompozytu epoksydowo-cementowego o zawartości Ŝywicy epoksydowej
0,30% masy cementu; a) układ z utwardzaczem (EPU), b) układ bez utwardzacza (EPBU)
1
stopień powrotu
0,8
0,6
obc. zgin.
obc. ścisk.
0,4
0,2
0
EPU 15
EPBU 15
EPU 30
EPBU 30
Rys. 9. Stopień powrotu wytrzymałości na zginanie do wartości sprzed obciąŜania w zaprawach ECC
z utwardzaczem (EPU) i bez utwardzacza (EPBU); zawartość Ŝywicy epoksydowej 15% i 30% masy cementu
PowyŜsze wyniki potwierdzają, Ŝe:
– przy mniejszej zawartości Ŝywicy epoksydowej (15% masy cementu) wytrzymałości
w obu układach – z utwardzaczem i bez – nie róŜnią się znacząco, natomiast większa
zawartość Ŝywicy (30% masy cementu) bez utwardzacza powoduje obniŜenie wytrzymałości kompozytu,
– zastosowane metody kontrolowanego wymuszania uszkodzeń w próbkach są skuteczne,
prowadząc do oczekiwanego obniŜenia wytrzymałości materiału; większe obniŜenie
uzyskano stosując cykle obciąŜenia zginającego,
– niezaleŜnie od ilości wprowadzonej Ŝywicy, stopień powrotu wytrzymałości do wartości
sprzed obciąŜenia był korzystnie wyŜszy w przypadku układu bez utwardzacza (SP niemal równe 1 wobec 0,65 – 0,8 w układzie z utwardzaczem).
6. Podsumowanie
Typowe metody napraw konstrukcyjnych betonu, np. iniekcja polimerami, polegają na
dostarczaniu materiału naprawczego do betonu z zewnątrz. Koncepcja samonaprawialności
zakłada, Ŝe wytworzony beton zawiera w sobie środek naprawczy, który zostanie automatycznie
wykorzystany w miejscu i czasie, w którym jest potrzebny. Naprawa zostaje podjęta w chwili
wystąpienia uszkodzenia bez konieczności interwencji człowieka. Koncepcja ta jest wciąŜ na
503
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw
etapie wstępnych badań; do rozwiązania pozostaje nadal szereg problemów technologicznych
i materiałowych. Nie ulega jednak wątpliwości, Ŝe beton samonaprawialny stanowi krok
w kierunku „inteligentnych” materiałów budowlanych XXI wieku. Jednym z obiecujących
kierunków rozwoju materiałów budowlanych o zdolności do samonaprawy są kompozyty
epoksydowo-cementowe stosowane bez utwardzacza.
Literatura
1. Czarnecki L.: Wyzwania inŜynierii materiałów budowlanych. XLVII Konferencja Naukowa
KILiW PAN i KN PZITB, Krynica, 2001, 213–231
2. Czarnecki L., Kurdowski W., Mindess S.: Future developments in concrete. In: „Developments in the formulation and reinforcement of concrete”, Woodhead Publishers Ltd.
Abington, Cambridge, England 2008, 270–284
3. Reinhardt H.-W., Jooss M.: Permeability and self-healing of cracked concrete as a function
of temperature and crack width. Cement and Concrete Research, 7, 2003, 981–985
4. Balazs A.: Modeling self-healing materials. Materials Today, 9, 2007, 18–23
5. Czarnecki L., Łukowski P.: Betony i zaprawy samonaprawialne – krok ku inteligentnym
materiałom naprawczym. Materiały Budowlane, 2, 2008, 2–4
6. Dry C.M.: US Patent No. 19900540191 – Self-Repairing, Reinforced Matrix Materials
7. Ramakrishnan V., Ramesh K., Bang S.: Bacterial concrete. Proc. of SPIE Conference,
Vol. 4234, 168–176
8. Rodriguez-Navarro C. et al.: Conservation of Ornamental Stone by Myxococcus xanthusInduced Carbonate Biomineralization. Applied and Environmental Microbiology, 4, 2003,
2182–2193
9. Łukowski P.: Rola polimerów w kształtowaniu właściwości spoiw i kompozytów
polimerowo-cementowych. Politechnika Warszawska, Prace Naukowe – Budownictwo,
z.148, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2008
10. Kakiuchi H.: New epoxy resins. Shokodo, Tokio, 1985
11. Ohama Y., Demura K.: Superior properties of epoxy-modified mortars and concretes
without hardener. 3rd Southern African Conference on Polymers in Concrete, Johannesburg, 1997, 240–249
12. Katsuhata T., Ohama Y., Demura K.: Investigation of microcracks self-repair function
of polymer-modified mortars using epoxy resins without hardeners. 10th Int. Congress
on Polymers in Concrete, 2001, Hawaii (CD)
13. Łukowski P.: Zastosowanie spoiw i kompozytów polimerowo-cementowych w budownictwie. InŜynieria i Budownictwo, 12, 2007, 653–655
14. Kibert C.J.: Establishing principles and a model for sustainable construction. Proc. of the
1st International Conference CIB TG 16, Floryda, 1999, 3–12
Niniejszy artykuł opracowano w ramach realizacji pracy statutowej Wydziału InŜynierii
Lądowej Politechniki Warszawskiej.
504