Naprawa betonu. Czym kierować się przy wyborze systemu rekonstrukcji betonu

Rekonstrukcja betonu jest czynnością skomplikowaną. Każdą naprawę betonu należy rozpatrywać indywidualnie i opracować jej koncepcję dopiero po analizie konkretnego przypadku.

Naprawa betonu - dostępne systemy

W czasie modernizacji obiektu beton często poddawany jest rekonstrukcji. Do tego celu przewidziano specjalne systemy naprawy betonu, których podstawowymi składnikami są:

• środek zapobiegający korozji stalowego zbrojenia betonu,
• warstwa sczepna (umożliwiająca lepsze połączenie starego i nowego betonu)
• właściwa masa naprawcza (dobrana w zależności od granulacji kruszywa).

Wszystkie te materiały zawierają mieszankę cementu i piasku oraz domieszki. W wypadku warstwy sczepnej, domieszkami są zazwyczaj: inhibitor korozji stali oraz kopolimer żywicy akrylowej (poprawia jakość spojenia). Właściwa masa naprawcza zawiera przeważnie – oprócz piasku i cementu – aktywną krzemionkę (pozwala otrzymać masę bardziej szczelną; reaguje z wodorotlenkiem wapnia, który powstaje w wyniku reakcji cementu z wodą), włókna polimerowe (zapobiegają powstawaniu mikrospękań skurczowych) oraz często dodatek kopolimeru akrylowego (poprawia szczelność).

Aby naprawa betonu była trwała, należy odpowiednio dobrać technologię jej wykonania (nakładanie ręczne, mechaniczne – torkretowanie, na sucho, na mokro) uwzględniając stopień zniszczenia konstrukcji i przeznaczenie obiektu oraz użyć materiału naprawczego odpornego na działanie szkodliwych czynników występujących podczas eksploatacji budynku. Masa naprawcza musi mieć właściwości fizyczne (nasiąkliwość, szczelność, mrozoodporność) odpowiadające wymaganiom stawianym konstrukcji w danym miejscu. Nie może także ulegać zbyt szybkiemu starzeniu. Powoduje ono bowiem osłabienie cech mechanicznych materiału naprawczego. Trwałość naprawy betonu zależy jednak nie tylko od trwałości użytego materiału. Musi on również współpracować z betonem naprawianej konstrukcji – ważne jest więc uzyskanie dobrej przyczepności do naprawionego podłoża. Równie istotna jest kompatybilność starego betonu z materiałem użytym do naprawy, przy czym obszar naprawy należy traktować jako system, w skład którego wchodzi stary i nowy materiał oraz strefa styku obu materiałów.

Naprawa betonu a kompatybilność odkształceń  

W wypadku naprawy betonu kompatybilność materiałów to przede wszystkim zgodność odkształceń starego materiału z materiałem przewidzianym do wykonywania naprawy, a ponadto zgodność właściwości:

• Kompatybilność odkształceń chemicznych – głównie spowodowanych zawartością alkaliów oraz chlorków. Jest to ważne na przykład w wypadku, gdy w betonie istniejącej konstrukcji jest zawarte reaktywne kruszywo. Wówczas alkaliczność materiału stosowanego do naprawy musi być niska. Alkaliczność zależy od rodzaju i ilości cementu. Zawartość alkaliów w spoiwie określa się laboratoryjnie i podaje w procentach.
• Kompatybilność odkształceń elektrochemicznych – czyli odporności elektrycznej i stopnia pH, co pozwala uniknąć powstawania makroogniw powodujących korozję stali. Zawarta w porach betonu woda (pH zbliżone do 12,5) sprawia, że stalowe pręty zbrojeniowe pokrywają się powierzchniowo ochronną, pasywną warstwą Fe₂O. Zachowanie stałości odczynu środowiska oraz pasywnego potencjału stali gwarantuje zabezpieczenie zbrojenia przed korozją. Konstrukcje żelbetowe są narażone na oddziaływanie wody, soli oraz gazów. W ich obecności pasywna warstwa na powierzchni zbrojenia ulega uszkodzeniu i stal koroduje. Pokrycie fragmentu starej konstrukcji, gdzie zbrojenie jest potencjalną anodą (w miejscu oddawania jonów Fe⁺²), może zmienić proporcje powierzchni anody do katody i dodatkowo przyspieszyć proces korozji.
• Kompatybilność odkształceń fizycznych – odkształcalności termicznej i sprężystej, a przede wszystkim przepuszczalności cieczy i gazów. Materiał naprawczy musi zapewniać konstrukcji przepuszczalność pary wodnej oraz szczelność na dwutlenek węgla. Zapobiega to karbonizacji, a tym samym obniżeniu ochronnych właściwości betonu względem stali.
• Kompatybilność odkształceń termicznych i sprężystych – spośród warunków gwarantujących kompatybilność materiałów najtrudniejsze do spełnienia jest zapewnienie zgodności ich odkształceń termicznych i sprężystych, a wręcz niemożliwe zapewnienie jednakowego skurczu. W starej konstrukcji zjawisko skurczu zaczynu cementowego już nie występuje, natomiast w nowym materiale - nawet gdy jest on niskoskurczowy - mają miejsce pewne odkształcenia skurczowe, w wyniku których powstają naprężenia w strefie styku. Gdy naprężenia w strefie styku przekraczają wytrzymałość tej strefy na ścinanie, następuje odspajanie, a w efekcie uszkodzenie naprawy. Z tego względu strefa styku starej konstrukcji z nowym materiałem decyduje o trwałości naprawy. Standardowo w strefie styku stosuje się warstwę sczepną, która poprawia przyczepność i w znacznym stopniu ogranicza powstające naprężenia ścinające. Przyczepność nowego materiału do starego betonu sprawdza najczęściej inspektor nadzoru lub sam wykonawca. Miarą przyczepności jest siła odrywająca uzyskana podczas próby odrywania krążka naciętego (na głębokość 5 cm) w stwardniałej masie naprawczej.

Rola warstwy sczepnej w naprawie betonu

Materiał warstwy sczepnej ma konsystencję szlamu. Wklepuje się go w podłoże starego betonu za pomocą sztywnej szczotki. Dzięki zwiększonej ilości polimeru oraz odpowiedniemu uziarnieniu kruszywa, pomiędzy starym betonem i materiałem, z którego wykonana została naprawa, powstaje membrana grubości około 2 mm. Zwiększona elastyczność materiału warstwy sczepnej pozwala na niewielkie wzajemne odkształcenia starego i nowego materiału bez powstawania dużych naprężeń ścinających w strefie styku. Swoją funkcję warstwa spełnia zarówno w wypadku braku zgodności odkształceń nowego materiału powstałych w wyniku skurczu, jak i wówczas, gdy nie ma pełnej kompatybilności podłoża z nowym materiałem w zakresie odkształceń sprężystych i temperaturowych. Warstwa sczepna podnosi wytrzymałość także przy obciążeniu odrywającym, a dzięki swej podatności nie dopuszcza do przekroczenia naprężeń krytycznych. Brak warstwy sczepnej osłabia styk, oprócz sytuacji, gdy naprawa jest wykonana materiałem o właściwościach zbliżonych do właściwości warstwy sczepnej. Wówczas nakłada się go cienkimi warstwami, grubości maksimum 5 mm.

Naprawa betonu metodą natryskową

Warstwy sczepnej zwykle nie stosuje się w naprawach betonu wykonywanych mechanicznie metodą natrysku. Duża prędkość, z jaką natryskiwany materiał uderza w podłoże powoduje, że następuje silne mechaniczne zespolenie starego betonu z nowym. W pierwszej fazie natrysku następuje odbicie grubszych ziaren kruszywa, co powoduje, że w strefie styku powstaje warstwa z nadmiarem drobnego kruszywa, cementu i polimeru. Powstaje więc membrana podobna do tej uzyskiwanej podczas ręcznej naprawy betonu.

Przygotowanie podłoża do naprawy betonu

Prawidłowo wykonana naprawa lub nadbudowa warstwy betonu wymaga odpowiedniego przygotowania podłoża. Musi nim być nośny beton o odpowiedniej wytrzymałości na rozciąganie (co najmniej 1,5 MPa). Z powierzchni skorodowanego betonu należy więc usunąć luźno związane i osłabione korozją fragmenty. Zniszczony materiał należy usuwać z uszkodzonych miejsc do takiej głębokości, aż zostanie odsłonięty nienaruszony i nieskarbonizowany beton. Odsłonięte pręty zbrojeniowe należy oczyścić z rdzy, a w wypadku znacznego osłabienia ich przekrojów uzupełnić dodatkowym zbrojeniem.

Należy zwrócić uwagę na technologię usuwania skorodowanego betonu. Najlepsze rezultaty uzyskuje się, stosując tzw. bicze wodne (woda pod ciśnieniem kilkuset atmosfer). Metoda ta pozwala precyzyjnie usunąć luźne i osłabione korozją fragmenty starego betonu oraz nie powoduje mikropęknięć w strukturze nieskorodowanej części starego betonu. Dodatkową zaletą stosowania biczów wodnych jest głębokie nasycenie betonu wodą.

Usuwanie betonu przy naprawie

Jeśli nie można zastosować wody pod ciśnieniem, stare podłoża przygotowuje się w sposób mechaniczny. Generalnie nie zaleca się stosowania ciężkich młotów udarowych, chociaż czasem ich użycie jest konieczne, tak jak w wypadku zgrubnego usuwania luźno związanych fragmentów skorodowanego betonu.

Dalsze czyszczenie należy przeprowadzić ręcznie, przy czym skorodowane fragmenty należy odbijać delikatnie, pamiętając o tym, aby młotkiem uderzać bezpośrednio w zdrowy beton. Usuwanie resztek skorodowanego betonu oraz czyszczenie prętów zbrojeniowych z rdzy wykonuje się poprzez piaskowanie. Mechaniczne czyszczenie podłoża należy wykonywać szczególnie uważnie, aby nie spowodować mikrozarysowań w zdrowym betonie przygotowanym do naprawy. Skutkiem tego może być znaczne osłabienie strefy styku starego betonu z nowym, a w rezultacie – nawet przy właściwie wykonanej dalszej naprawie - jej niska trwałość spowodowana odspojeniem wzdłuż spękań nowo nałożonego materiału.

Przy naprawie betonu ważne nawilżenie podłoża

Przed przystąpieniem do naprawy betonu podłoże musi być nawilżone. Zapobiega to odciąganiu wody z materiałów stosowanych w naprawie betonu. W wypadku jedynie powierzchniowego zwilżenia woda jest szybko odciągana z powierzchni w głąb betonu. W rezultacie jego przypowierzchniowa warstwa ulega przesuszeniu i – po nałożeniu warstwy sczepnej – odsysa z niej wodę. Dlatego konieczne jest dwukrotne zwilżenie powierzchni starego betonu. Pierwsze nasycanie należy przeprowadzić kilkanaście (12–14) godzin przed wykonaniem robót. Polega ono na wielokrotnym spryskiwaniu betonu wodą, aż do uzyskania trwałego, głębokiego zwilżenia. Jeżeli przed rozpoczęciem robót wciąż stwierdza się nadmierne przesuszenie betonu, należy go ponownie zwilżyć, a nadmiar wody usunąć z powierzchni strumieniem sprężonego powietrza. Po około 15-30 minutach należy zagruntować podłoże roztworem emulsji w wodzie.

Czym kierować się przy wyborze systemu rekonstrukcji betonu

Rekonstrukcja betonu jest czynnością skomplikowaną. Każdą naprawę betonu należy rozpatrywać indywidualnie i opracować jej koncepcję dopiero po analizie konkretnego wypadku, ustaleniu – na podstawie bezpośrednich oględzin – przyczyn powstałych szkód oraz określeniu rozmiarów uszkodzeń. Dopiero wtedy można ustalać tryb dalszego postępowania, w oparciu o wymagania, które będzie musiał spełniać system naprawczy. Wymagania zależą od rodzaju i sposobu użytkowania konstrukcji. Na przykład w obiekcie mostowym, należy zastosować odmienne systemy, w zależności od tego czy uszkodzenie wystąpiło na płycie pomostu, na podniebieniu czy na podporze. Wybór systemu zależy także od rodzaju obciążeń i sposobu ich działania, od tego czy są to obciążenia dynamiczne (mosty) czy statyczne i jakie wywołują w konstrukcji naprężenia: zginające, ściskające czy rozciągające. Ważne jest także, gdzie nastąpiło uszkodzenie – na pionowej czy poziomej płaszczyźnie, wewnątrz czy na zewnątrz. Ma to związek z warunkami eksploatacji obiektu remontowanego (czynniki atmosferyczne, zanieczyszczenie środowiska, powietrze, woda, itp.), a tym samym wpływa na warunki, na które będzie musiała być odporna masa naprawcza i pozostałe składniki systemu.