Wybierając materiał do iniekcji, należy koniecznie zwrócić uwagę na minimalną rozwartość rysy, przy której użycie danego materiału jest możliwe. Niekiedy trzeba także przeanalizować maksymalną szerokość rysy lub wpływ skurczu materiału.
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono możliwości i zasady wykonywania napraw betonu przy zastosowaniu iniekcji. Odniesiono się do aktualnej klasyfikacji zasad i metod napraw konstrukcji betonowych zawartych w PN-EN 1504-9 i podano system klasyfikacji wyrobów do iniekcji według PN-EN 1504-5. Na podstawie tych dokumentów projektant powinien dobrać w odniesieniu do zamierzonego zastosowania wymagane właściwości koniecznego do użycia materiału. Te z kolei powinny być potwierdzone przez producenta wyrobu w deklaracji właściwości użytkowych. Opisano także podstawowe charakterystyki najczęściej stosowanych materiałów do wykonywania iniekcji.
ABSTRACT
The article presents the possibilities and principles of concrete repairs with the use of injection. It refers to the current classification of the rules and methods for repairing concrete structures included in PN-EN 1504-9, as well as provides the classification system for injection products in accordance with PN-EN 1504-5. Based on these documents, the designer should choose, depending on the intended use, the required properties of the material to be used. These should be then confirmed by the product manufacturer in performance declaration. The basic characteristics of the most commonly used injection materials have also been described.
Zjawisko rys w betonie
Występowanie rys w konstrukcjach betonowych (żelbetowych i fibrobetonowych) – aczkolwiek jest zjawiskiem normalnym, przewidywanym już na etapie projektowania – należy zawsze uznać za wadę. Jeśli rozwarcie rys mieści się w granicach dopuszczalnych normą (Eurokod 2 [1]) w odniesieniu do przewidywanej klasy ekspozycji, to z punktu widzenia projektowanej trwałości konstrukcji jest to wada nieistotna. Może najwyżej wpływać niekorzystnie na względy estetyczne.
Jeśli jednak wartości te zostaną przekroczone, może to mieć znaczący wpływ na przyspieszoną degradację materiału konstrukcyjnego. Problem staje się jeszcze bardziej znaczący, gdy wymaga się od konstrukcji szczelności (np. zbiorniki na ciecze, ściany i płyty fundamentowe w systemie białej wanny, stropy nad garażami podziemnymi). Zarysowanie jest też niekorzystnym zjawiskiem zarówno estetycznym, jak i użytkowym w przypadku betonów nawierzchniowych – w drogach, parkingach i posadzkach (fot. 1). Podstawową przyczyną powstawania rys w betonie jest jego skurcz, zarówno już we wczesnej fazie wiązania (skurcz plastyczny), jak i później dojrzewania (skurcz twardnienia). Jeśli konstrukcja na etapie projektowania jest na te zjawiska przygotowana – poprzez odpowiednie zbrojenie i właściwy podział na elementy składowe – to zarysowania są mniejsze od dopuszczalnych albo też powstają w miejscach oczekiwanych (dylatacje). Rysy mogą też być skutkiem innych oddziaływań, jak np. cykliczne zmiany temperatury, przeciążenie, osiadanie budowli, ograniczenie odkształceń, lub też korozji betonu – mrozowej, siarczanowej, wewnętrznej.
W sytuacji gdy zarysowania (a czasem nawet pęknięcia) stanowią jakiekolwiek zagrożenie dla konstrukcji (zarówno nośności i użytkowalności, jak i trwałości), wymagają naprawy. Ze względu na ich charakterystyczny kształt najlepszą metodą jest ich wypełnienie materiałem naprawczym poprzez iniekcję. Jest ona jedną z metod naprawy (ochrony), zdefiniowanych w normie PN-EN 1504-9 [2], która zestawia wszystkie przypadki działań w odniesieniu do możliwych zagrożeń konstrukcji betonowej.
Fot. 1. Rysy (pęknięcia) płyty betonowej posadzki w magazynie
Fot. 2. Przykład zastosowania wyrobu iniekcyjnego zawierającego spoiwo polimerowe (żywica epoksydowa)
Zasady doboru metody naprawy (ochrony) betonu
Dobór odpowiedniej metody ochrony (lub naprawy) konstrukcji betonowej opiera się na wskazaniu właściwej zasady ochrony, ustalonej w odniesieniu do rodzaju konstrukcji, przyczyny lub kombinacji przyczyn oraz stopnia uszkodzenia, a to wszystko odpowiednio do przyszłych warunków użytkowania. W tabl. 1 przedstawione są propozycje metod dla poszczególnych zasad ochrony wraz ze wskazaniem odpowiedniej normy z grupy PN-EN 1504 (części 2-7), według których określa się dla tych metod i materiałów odpowiednie właściwości użytkowe. Wśród metod wskazanych dla danej zasady ochrony wyszczególnione jest również wypełnienie i iniekcja rys. Zawarte w tablicy informacje wskazują, kiedy ta metoda może mieć zastosowanie – dla zasady 1: „ochrona przed wnikaniem” dedykowana jest metoda 1.5 „wypełnianie rys”, natomiast dla zasady 4: „wzmacnianie konstrukcji” przewiduje się metodę 4.5 „iniekcję rys i pustek” oraz metodę 4.6 „wypełnianie rys i pustek”.
Zgodnie z normą PN-EN 1504-5 [3] iniekcję stosuje się w celu uniknięcia szkodliwych konsekwencji obecności pustek i rys w betonie, to znaczy, aby:
- osiągnąć nieprzepuszczalność i w ten sposób wodoszczelność;
- uniknąć wnikania agresywnych czynników, które mogłyby spowodować korozję zbrojenia stalowego;
- wzmocnić konstrukcję przez wzmocnienie betonu.
Fot. 3. Pomiar szerokości rysy na powierzchni betonu
|
Tabl. 1. Zasady oraz metody ochrony i naprawy konstrukcji betonowych wg [2]
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Podział i wymagania dla wyrobów do iniekcji w betonie
Przedstawiony na rys. 1 schemat dzieli wyroby iniekcyjne na trzy kategorie – F, D i S, dla których kryterium podziału to zamierzone zastosowanie (zdefiniowane na schemacie). W zależności właśnie od zamierzonego zastosowania poszczególne wyroby używane do iniekcji powinny się charakteryzować odpowiednim zestawem właściwości użytkowych, które muszą być zagwarantowane przez producenta w deklaracji właściwości użytkowych. Wymagania te zestawione są w postaci tablic w normie [3]. Ostatecznym potwierdzeniem prawidłowości wprowadzenia tych wyrobów do obrotu i stosowania jest ich oznakowanie CE lub znakiem budowlanym [4].
Wyroby kategorii F przeznaczone są do przenoszącego siły wypełnienia rys, pustek i szczelin w betonie, przy czym mogą one tworzyć połączenie z powierzchnią betonu, ale nie muszą. Z kolei wyroby kategorii D przeznaczone są do elastycznego wypełnienia, czyli takie, które mogą się dostosowywać do późniejszych odkształceń. Trzecia kategoria S to wyroby dopasowujące się przez pęcznienie do wypełniania rys, pustek i szczelin, przy czym charakteryzują się tym, że w stanie utwardzonym mogą wielokrotnie pęcznieć na skutek adsorpcji wody (cząsteczki wody w tym przypadku są wiązane przez cząsteczki wyrobu iniekcyjnego). Wyroby iniekcyjne ze względu na skład dzielą się na dwie zasadnicze grupy:
- zawierające spoiwo hydrauliczne (H) – dla których utwardzenie jest związane z hydratacją spoiwa hydraulicznego;
- zawierające spoiwo polimerowe (P) – dla których utwardzenie jest związane z reakcją chemiczną grupy funkcyjnej polimeru.
Jak widać na schemacie (rys. 1), wyroby iniekcyjne zawierające spoiwo hydrauliczne nie są używane w kategorii elastycznego (D) lub pęczniejącego (S) zamierzonego zastosowania, natomiast te zawierające spoiwo polimerowe odnajdują się w każdym zastosowaniu (fot. 2). Z kolei wyroby (S) określane są jako żele i są stosowane jedynie do uszczelniania przeciwwodnego rys i pustek w warunkach wilgotnych, mokrych lub płynącej wody.
Rys. 1. Ogólna klasyfikacja materiałów iniekcyjnych wg [3]
Z istotnych cech charakteryzujących materiały do iniekcji można wyróżnić (pozostałe zdefiniowane są w normie [3]):
- czas przydatności do użycia – określany w badaniach identyfikacyjnych przeprowadzanych w znormalizowanych warunkach laboratoryjnych;
- czas urabialności – okres, w którym cały zarób zmieszanego wyrobu iniekcyjnego pozostaje urabialny, przy uwzględnieniu temperatury, wilgotności, objętości mieszanki iniekcyjnej, reaktywności wyrobu, techniki iniekcji (reaktywność wyrobu i objętość mieszanki powinny być dobrane z uwzględnieniem tych parametrów i przewidywanego czasu koniecznego do wykonania iniekcji konstrukcji);
- iniekowalność, czyli zdolność wyrobu do wnikania w głąb rysy (fot. 3) określa się ją jako minimalną szerokość rysy (mierzoną na powierzchni betonu), w stosunku do której wyrób jest przydatny; klasyfikacja normowa przewiduje następujące szerokości rysy: 0,1; 0,2; 0,3; 0,5 oraz 0,8 mm;
- stopień zawilgocenia rysy – czyli zawartość wody w rysie lub wypływającej z rysy, przy czym rozróżnia się następujące warunki:
– suche – brak wody w rysie lub na jej ściankach; wykluczone jest przemieszczanie się wody w rysie w czasie iniekcji i utwardzania wyrobu iniekcyjnego; na suchy stan rysy wskazuje jednakowa barwa rysy i suchej powierzchni betonu;
– wilgotne – brak wody w rysie, obecność wody na ściankach bocznych rysy, ale bez warstwy wody na powierzchni ścianek; na wilgotny stan rysy wskazuje różnica barwy między powierzchnią rysy a suchą powierzchnią betonu;
– mokre – obecność stojącej wody w rysie; charakterystyczna dla mokrej rysy jest obecność kropel wody na powierzchni rysy;
– wypływ wody – woda płynąca przez rysę;
Producent wyrobu na podstawie badań (m.in. iniekowalności) powinien wskazać stopień lub stopnie zawilgocenia, przy których wyrób można stosować; - ruch rysy – czyli zmiana szerokości rysy w czasie powodowana oddziaływaniami mechanicznymi (np. ruch drogowy) lub innymi oddziaływaniami fizycznymi (codziennymi lub okresowymi, jak zmiany temperatury, działanie słońca); w zależności od stabilności rysy należy uwzględnić następujące wskazania:
– ruch drogowy wywołujący ruchy rysy od 10 pm do 15 pm w czasie utwardzania nie wpływa na przyczepność wyrobów iniekcyjnych zawierających spoiwo polimerowe;
– nie stosuje się żeli do iniekcji rys ulegających codziennym ruchom, chyba że nadmiar wyrobu iniekcyjnego jest stosowany także na zewnątrz konstrukcji;
– nie używa się wyrobów iniekcyjnych zawierających spoiwo hydrauliczne do iniekcji rys ulegających zmianom o dużej częstotliwości podczas utwardzania – na ogół nie stosuje się tych wyrobów do iniekcji rys ulegających codziennym ruchom podczas utwardzania, chyba że można wykazać, iż przyczepność do betonu przekroczy 2 N/mm2 w ciągu 10 h w minimalnej temperaturze stosowania.
Fot. 4. Rysy (pęknięcia) podkładu fibrobetonowego pod płytki wypełnione żywicą epoksydową
Tabl. 2. System klasyfikacji wyrobów do iniekcji betonu wg PN-EN 1504-5 [3]
|
System klasyfikacji wyrobów do iniekcji – oznaczenie UW |
||
|
U Po literze U, oznaczającej zamierzone zastosowanie, następuje w nawiasie jedna litera i jedna cyfra, wskazujące zamierzone zastosowanie |
W Po literze W, oznaczającej urabialność, następują w nawiasie 3 lub 4 grupy cyfr |
|
|
Wyrób iniekcyjny F do przenoszącego siły wypełnienia rys *) Wartość w nawiasie jest najniższą dopuszczalną wartością pojedynczego pomiaru |
Zgodnie z zasadą 4 wg tabl. 1, w odniesieniu do iniekcji rys, pustek i szczelin F1: Adhezja określona przez wytrzymałość połączenia na rozciąganie > 3,0 N/mm2 (2,5 N/mm2) *) (H, P) |
pierwsza grupa (jedna cyfra): dopuszczalna minimalna szerokość rysy, mierzona w dziesiątych częściach milimetra (1 – 2 – 3 – 5 – 8); wynika z badań iniekowalności |
|
Zgodnie z zasadą 4 wg tabl. 1, w odniesieniu do iniekcji rys, pustek i szczelin F2: Adhezja określona przez wytrzymałość połączenia na rozciąganie > 2,0 N/mm2 (1,5 N/mm2) *) (H, P) |
druga grupa (jedna lub więcej cyfr): stopień zawilgocenia rysy |
|
|
Zgodnie z zasadą 1 w odniesieniu do rys (wg tabl. 1) |
trzecia grupa (dwie cyfry): minimalna i maksymalna temperatura stosowania |
|
| Wyrób D |
Wyrób iniekcyjny do elastycznego wypełnienia rys D1: Wodoszczelny pod ciśnieniem 2 x 105 Pa |
czwarta grupa (jedna cyfra): stosowana tylko w odniesieniu do wyrobów typu F: |
| Wyrób S |
Wyrób iniekcyjny do wypełnienia rys dopasowujący się przez pęcznienie S1: Wodoszczelny pod ciśnieniem 2 x 105 Pa |
|
|
Pozostałe symbole wg rys. 1 |
||
Szczegółowa klasyfikacja wyrobów iniekcyjnych
Wyroby iniekcyjne klasyfikuje się zgodnie z odpowiednimi wymaganiami dotyczącymi właściwości użytkowych, stosując system klasyfikacji UW opisany w normatywnym załączniku A do normy PN-EN 1504-5 [3], przedstawiono go w tabl. 2. Przykładowa klasyfikacja: U(F1) W(1) (1/2)(5/30)(1), oznacza wyrób iniekcyjny o następującej charakterystyce:
- przeznaczony do przenoszącego siły wypełnienia rys,
- iniekowalny do rys o szerokości 0,1 mm, suchych lub wilgotnych,
- nadający się do stosowania w temperaturze od 5 do 30°C,
- nadający się do stosowania w przypadku rys o dziennej ruchomości w czasie utwardzania większej niż 10% lub 0,03 mm.
Fot. 5. Rysy (pęknięcia) posadzki w technologii DST wypełnione żywicą epoksydową
Materiały do wykonywania iniekcji
Spoiwem polimerowym w materiałach do iniekcji najczęściej bywają żywice epoksydowe, poliuretanowe oraz akrylowe i akryloamidowe [5].
Produkty epoksydowe są systemami dwuskładnikowymi składającymi się z zestawu żywica plus utwardzacz. Niewłaściwa proporcja lub obecność wody mogą obniżyć końcowe parametry tworzywa, choć dostępne są odmiany żywic epoksydowych tolerujących wilgoć, a nawet mogących wiązać wodę w ilości do 15% swojej masy. Minimalna temperatura wiązania to 5-8°C. Ze wzrostem temperatury rośnie szybkość reakcji, a czas urabialności w 20°C wynosi od 20 do 120 min.
Lepkość żywic epoksydowych zależy od temperatury. Można wyróżnić niskolepkie, przy 20°C charakteryzujące się lepkością od ok. 15-400 mPas, zdolne do wypełniania rys o rozwartości 0,1 do 0,2 mm. Żywice o lepkości 500-6000 mPas stosowane są do wypełniania rys szerszych – powyżej 0,5 mm.
Epoksydy charakteryzują się wysoką przyczepnością do betonu, dużą wytrzymałością na zginanie (3-60 MPa), ściskanie (30-85 MPa) i rozciąganie (do 40 MPa), przy module sprężystości 1-6 GPa. Przy takich właściwościach są najskuteczniejszymi materiałami do wypełniania rys przenoszących obciążenia (F). Przykłady rys wypełnionych żywicą epoksydową przedstawiono na fot. 4-7. Poliuretany mają zdolność wiązania także w obecności wody, co pozwala na wykonywanie iniekcji w rysach z wodą (także pod ciśnieniem). Rozróżnia się materiały jednokomponentowe (szybkospienialne pod wpływem wody) oraz dwukomponentowe (wolno spienialne, o małym przyroście objętości). Charakteryzują się niską lepkością (50-400 mPas). Czas wiązania wynosi 30-120 min i może być regulowany aktywatorami w celu skrócenia lub przyspieszenia reakcji w obniżonych temperaturach (5°C).
Fot. 6. Naprawa pęknięć posadzki betonowej za pomocą żywicy epoksydowej
W przypadku żywic tworzących z wodą pianę czas zainicjowania reakcji wynosi zwykle poniżej 1 min, a reakcja trwa przez kolejne 2-3 min. Wartość współczynnika spieniania może przekroczyć nawet 50. Utwardzone produkty o niskiej spienialności (1,05-1,3) w obecności wody mogą wykazywać wysoką elastyczność – wydłużenie do 100% przy zerwaniu, przy dość wysokiej wytrzymałości na ściskanie (20-60 MPa) i zginanie (40-80 MPa). Stanowią więc efektywne, elastyczne i trwałe uszczelnienie struktury. Żywice poliuretanowe mogą być stosowane do iniekcji rys o bardzo małej rozwartości – poniżej 0,1 mm, a także do rys ruchomych.
Akrylowe materiały iniekcyjne charakteryzują się bardzo małą lepkością rzędu 5-30 MPa. W zależności od ilości i szybkości rozpadu inicjatora reakcja rozpoczyna się po 1-10 s i przebiega bardzo szybko (1-10 min). Zalecana minimalna temperatura to 1°C, ale możliwe są też prace w ujemnych temperaturach, także prace w obecności wody. Bardzo dobra przyczepność do betonu, łatwość penetracji i mały wpływ temperatury na lepkość pozwalają na wykorzystywanie ich przy iniekcjach uszczelniających mikrorysy. Nie nadają się do rys ruchomych.
Akryloamidy mają zdolność do pęcznienia w sposób odwracalny pod wpływem wody, z utworzeniem zwartego elastycznego hydrożelu. Niektóre produkty zawierają mikrowypełniacze (np. krzemionkę koloidalną) w celu dodatkowej stabilizacji żelu po związaniu. Stosowane są do uszczelniania rys mokrych i zawilgoconych.
Fot. 7. Iniekcja pęknięć płyty zbiornika
Iniekcje stosujące spoiwo hydrauliczne (cementowe) wykonuje się w przypadku napraw rys nieruchomych, wilgotnych lub wypełnionych wodą. Do przygotowania zaczynów cementowych stosowane są głównie cementy portlandzkie o drobnym uziarnieniu. Mieszanki charakteryzują się szybkim narastaniem wytrzymałości na ściskanie (ok. 20 MPa po 1 dniu, ok. 40 MPa po 28 dniach) i zginanie (ok. 2-3 MPa po 1 dniu, ok. 4-7 MPa po 28 dniach), przy module sprężystości 9-20 GPa. Czas aplikacji ok. 60 min. Materiały cementowe stosowane są do zarysowań od 3 mm, jednak przy użyciu mikrocementów umożliwiają iniekcję rys drobniejszych, już od 0,1 mm. Tradycyjnie iniekcje cementowe stosuje się do wypełniania większych zarysowań, pęknięć i ubytków w elementach konstrukcji betonowych.
W charakterystyce przedstawionych materiałów bazowych stosowanych do metody iniekcji jedną z podstawowych cech jest wielkość minimalnej rozwartości rysy, przy której użycie danego materiału jest możliwe. Nie jest natomiast określona maksymalna szerokość rysy, a ten czynnik może się okazać bardzo ważny, zwłaszcza w iniekcjach scalających i wzmacniających konstrukcję. Przy doborze materiału do wypełnienia rys o dużej rozwartości (ponad 10 mm) należy dodatkowo przeanalizować wpływ skurczu materiału na jakość wypełnienia oraz możliwości technologiczne prawidłowego przeprowadzenia procesu szczelnego wypełnienia iniekcyjnego albo dobrać inną zasadę naprawy takiego uszkodzenia elementu konstrukcyjnego (metoda 3.1 lub 4.4 z tabl. 1).
dr inż. Grzegorz Bajorek
Politechnika Rzeszowska
Centrum Technologiczne Budownictwa
Instytut Badań i Certyfikacji
mgr inż. Sławomir Słonina
Centrum Technologiczne Budownictwa
Instytut Badań i Certyfikacji
Zdjęcia: S. Słonina
Piśmiennictwo
- PN-EN 1992 Eurokod 2 Projektowanie konstrukcji z betonu (wszystkie części).
- PN-EN 1504-9:2010 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych. Definicje, wymagania, sterowanie jakością i ocena zgodności. Część 9: Ogólne zasady dotyczące stosowania wyrobów i systemów.
- PN-EN 1504-5:2013 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych. Definicje, wymagania, sterowanie jakością i ocena zgodności. Część 5: Iniekcja betonu.
- Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011 r. ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylające dyrektywę Rady 89/106/EWG plus krajowe przepisy wykonawcze.
- B. Chmielewska, J. Koper, Konstrukcje żelbetowe – naprawa rys metoda iniekcji, cz. 1, Powstawanie rys i metody ich naprawy, „Izolacje” nr 5/2014.
