PL249363B1 - Sposób zabezpieczania belki żelbetowej warstwową powłoką z polimocznika - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia przedstawionym na rysunku jest sposób zabezpieczania belki żelbetowej warstwową powłoką z polimocznika, w którym w pierwszej kolejności przygotowuje się powierzchnię belki żelbetowej poprzez szlifowanie betonu. Następnie na wyszlifowaną powierzchnię belki aplikuje się grunt na bazie żywicy epoksydowej. Zagruntowaną belkę obsypuje się suszonym piaskiem kwarcowym o uziarnieniu 0,3 - 0,8 mm. Następnie natryskowo nakłada się w trzech warstwach powłokę z polimocznika, przy czym pierwszą warstwę nanosi się bezpośrednio na powierzchnię betonu, drugą warstwę bezpośrednio na pierwszą warstwę, prostopadle do kierunku nakładania pierwszej warstwy, a trzecią warstwę bezpośrednio na drugą warstwę, równolegle do kierunku nakładania pierwszej warstwy, przy czym średnia łączna grubość warstw to 3,0 — 3,6 mm.

Description

Opis wynalazku

Sposób zabezpieczania belki żelbetowej warstwową powłoką z polimocznika umożliwiający poprawę charakterystyki pracy belki żelbetowej w stanie normalnym i awaryjnym, polegającą na zapewnieniu możliwości cyklicznego dociążania i odciążania belek żelbetowych bez widocznej utraty nośności.

Zastosowanie powłoki z polimocznika na powierzchniach żelbetowych elementów belkowych pozwala na bezpieczne odciążenie konstrukcji po obciążeniu przekraczającym jej nośność graniczną. Sytuacja taka może mieć miejsce w przypadku pracy konstrukcji w stanie awarii. Zatem użycie powłoki z polimocznika może znacząco wpłynąć na poprawę bezpieczeństwa całej konstrukcji oraz jej użytkowników. Uzyskana w ten sposób nowa charakterystyka pracy elementu zginanego umożliwia użytkowanie elementu po przekroczeniu w nim dopuszczalnych odkształceń przy jednoczesnym zachowaniu akceptowalnego poziomu bezpieczeństwa.

W stanie techniki znane są rozwiązania aplikacji polimocznika na elementy żelbetowe oraz wpływ powłoki na nośność na zginanie belek żelbetowych oraz nośność belek pod obciążeniami zmiennymi i dynamicznymi. Mówią o nich m.in. publikacje A. E. Marawan, A. S. Debaiky, N. N.khalil Shear and flexural behavior of R.C. Beams strengthened with polyurea spray, International Journal of Advance Research in Sience and Engineering Vol. No. 4, Issue 1, November 2015; Sasan Parniani, Houssam Toutanji Monotonic and fatigue performance of RC beams strengthened with a polyurea coating system, Construction and Building Materials Volume 101, Part 1,30 December 2015, Pages 22-29 czy J. Szafran, A. Matusiak Lightweight structures in civil engineering contemporary problems; Monograph from Scientific Seminar Organized by Polish Chapters of International Association for Shell and Spatial Structures; University of Warmia and Mazury Faculty of Geodesy, Geospatial and Civil Engineering XXII LSCE - 2016 Olsztyn, 2 December, 2016.

W toku prowadzonych badań nad powłokami polimocznikowymi zaobserwowano, iż bardzo korzystny wpływ ma zwiększenie zużycia powłoki na 1 m² (wyrażony w kilogramach), co w konsekwencji wymagało zaproponowania optymalnego sposobu aplikacji powłoki, a co udało się osiągnąć dzięki zastosowaniu aplikacji warstwowej z wykorzystaniem trzech warstw krzyżowych.

W stanie techniki (ibidem) znane są rozwiązania aplikacji polimocznika na elementy żelbetowe w układzie krzyżowym, co zapewnia szczelność takiego rozwiązania. Zastosowanie trzech warstw powłoki z polimocznika znacząco podniosło efektywność mostkowania rys oraz umożliwiło poprawę charakterystyki pracy belki żelbetowej w stanie normalnym i awaryjnym. Aplikacja polimocznika w trzech warstwach zapewniła możliwość cyklicznego dociążenia i odciążenia belek żelbetowych bez widocznej utraty ich nośności oraz z satysfakcjonującym poziomem mostkowania rys.

Istotą wynalazku jest sposób zabezpieczania belki żelbetowej warstwową powłoką z polimocznika, w którym w pierwszej kolejności przygotowuje się powierzchnię belki żelbetowej poprzez szlifowanie betonu, a następnie na wyszlifowaną powierzchnię belki żelbetowej aplikuje się grunt na bazie żywicy epoksydowej. Etap wstępny ma na celu wyeliminowanie substancji negatywnie wpływających na przyczepność powłoki np. oleje, smary, mleczko cementowe i ewentualnych innych luźnych cząstek betonu. Zagruntowaną belkę żelbetową obsypuje się suszonym piaskiem kwarcowym o uziarnieniu 0,3- 0,8 mm dla jak najlepszej adhezji powłoki. Następnie natryskowo nakłada się w trzech warstwach powłokę z polimocznika, przy czym pierwszą warstwę nanosi się bezpośrednio na powierzchnię betonu, drugą warstwę bezpośrednio na pierwszą warstwę, prostopadle do kierunku nakładania pierwszej warstwy, a trzecią warstwę bezpośrednio na drugą warstwę równolegle do kierunku nakładania pierwszej warstwy, przy czym średnia łączna grubość trzech warstw powłoki z polimocznika to 3,0-3,6 mm. Taki sposób aplikacji pozwoli zapewnić w pełni szczelną i ciągłą powłokę, która znacząco podnosi skuteczność mostkowania rys w belkach żelbetowych.

Korzystnym jest aby w toku nakładania gruntu kontrolowana była temperatura podłoża jak i otoczenia w zakresie 5°C-35°C oraz wilgotność w zakresie maksymalnej 90% wilgotności względnej otoczenia oraz 4% maksymalnej wilgotności podłoża betonowego.

Przewiduje się, że jako powłokę z polimocznika korzystnie stosuje się polimocznik aromatyczny, którego składnikiem izocyjanianowym są prepolimery na podstawie diizocyjanianu metylenodifenylu (MDI), a aminą są polieteroaminy aromatyczne o ogólnej masie cząsteczkowej między 200 a 5 000 g/mol.

Korzystnym jest także, kiedy podczas nakładania powłoki z polimocznika temperatura składników na wejściu do dyszy natryskowej wynosi 70°C-80°C, a ciśnienie robocze składników na wejściu do dyszy natryskowej: 120-200 bar, nadto średnie zużycie mieszanki polimocznika na 1 m² to 3,0-3,6 kg/m².

Optymalnie każda z warstw zawiera 1,0 -1,2 kg/m² polimocznika nadto czas pomiędzy aplikacjami warstw mieści się w przedziale 30 sekund - 5 minut.

Wynalazek w przykładzie realizacji przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje schemat aplikacji powłoki z polimocznika na belkach żelbetowych, gdzie oznaczenie 1 to belka żelbetowa o wymiarach przekroju 15x30 cm i długości 360 cm a oznaczenie 2 to powłoka z polimocznika 2 na powierzchniach zewnętrznych belki żelbetowej.

Sposób według wynalazku przedstawiono na przykładach belek żelbetowych 1 o przekroju poprzecznym 30x15 cm i długości 360 cm ze zbrojeniem dolnym 2#16, 3#16 lub 4#16 pokrytych powłoką z polimocznika 2 dla poprawy charakterystyki pracy w stanie normalnym i awaryjnym.

Proces aplikacji polimocznika składa się z trzech podstawowych etapów: przygotowania powierzchni belek żelbetowych 1, aplikacji warstwy gruntującej, natrysku powłoki z polimocznika 2.

Etap przygotowania elementów polega na wstępnej weryfikacji belek żelbetowych 1 pod względem stabilności podłoża, uszkodzeń powierzchni oraz występowania substancji negatywnie wpływających na przyczepność powłoki (oleje, smary, mleczko cementowe). Po sprawdzeniu elementów, wykonuje się szlifowanie powierzchni betonu w celu usunięcia mleczka cementowego i ewentualnych innych luźnych cząstek betonu.

Etap II obejmuje aplikację gruntu na bazie żywicy epoksydowej w połączeniu z obsypaniem suszonym piaskiem kwarcowym (o uziarnieniu 0,3-0,8 mm), dla jak najlepszej adhezji powłoki. Przed i w trakcie aplikacji gruntu należy kontrolować temperaturę podłoża jak i otoczenia oraz wilgotność aby zapewnić optymalne warunki do nałożenia powłoki gruntującej.

Powłokę z polimocznika 2 należy aplikować w trzech warstwach: pierwszą bezpośrednio na powierzchnię betonu, drugą bezpośrednio na pierwszą prostopadle do kierunku nakładania pierwszej warstwy oraz trzecią warstwę bezpośrednio na drugą równolegle do kierunku nakładania pierwszej warstwy. Taki sposób aplikacji pozwoli zapewnić średnią łączną grubość warstw 3,0-3,6 mm, która jest w pełni szczelna i ciągła. W każdej z warstw użyto 1,0-1,2 kg/m² polimocznika, a czas, pomiędzy aplikacją każdej z warstw, nie przekraczał wartości z przedziału: 30 sekund - 5 minut.

W toku prac zachowano następujące warunki procesowe:

• odpowiednie przygotowanie podłoża betonowego (usunięcie oleju, smaru, środków antyadhezyjnych, mleczka cementowego), • nałożenie warstwy gruntującej (produkt na bazie żywicy epoksydowej) w połączeniu z obsypaniem suszonym piaskiem kwarcowym (o uziarnieniu 0,3-0,8 mm), • minimalna temperatura podłoża betonowego i otoczenia to 5°C, • maksymalna temperatura podłoża betonowego i otoczenia to 35°C, • maksymalna wilgotność względna otoczenia to 90%, • maksymalna wilgotność podłoża betonowego to 4%, • objętościowe proporcje mieszania składników polimocznika: 100:100, • temperatury składników na wejściu do dyszy natryskowej: 70°C-80°C, • ciśnienia robocze składników na wejściu do dyszy natryskowej: 120-200 bar, • średnie zużycie mieszanki polimocznika na 1 m²: 3,0-3,6 kg/m².

Jako powłokę z polimocznika 2 wykorzystano polimocznik aromatyczny, którego składnikiem izocyjanianowym są prepolimery na podstawie diizocyjanianu metylenodifenylu (MDI), a aminą są polieteroaminy aromatyczne o ogólnej masie cząsteczkowej między 200 a 5 000 g/mol.

Badania laboratoryjne belek zabezpieczonych przy wykorzystaniu sposobu według wynalazku polegały na poddaniu badaniom testowym belek żelbetowych 1 o przekroju poprzecznym 15x30 cm, długości 360 cm oraz odległości między punktami podparcia w trakcie badań wynoszącej 320 cm. Belki żelbetowe 1 były wykonane i badane w seriach różniących się stopniem zbrojenia na zginanie oraz stopniem zbrojenia na ścinanie. Łącznie badaniu poddano 18 belek żelbetowych 1, w ich naturalnej skali, przy czym połowa belek żelbetowych 1 została pokryta powłoką z polimocznika 2, zaś drugą połowę stanowiły elementy odniesienia (bez powłoki z polimocznika 2).

Belki żelbetowe 1 przebadano na specjalnie do tego celu przygotowanym stanowisku badawczym. Wszystkie belki żelbetowe 1 obciążono dwiema siłami skupionymi w taki sposób, że w części środkowej każdej z belek żelbetowych 1 otrzymano strefę o stałej wartości momentu zginającego. Każda belka żelbetowa 1 została wyposażona w system czujników indukcyjnych do pomiarów przemieszczeń oraz stanowisko do optycznej i bezdotykowej metody pomiaru przemieszczeń i propagacji rys w przestrzeni 3D (z wykorzystaniem systemu ARAMIS). W oparciu o wyniki analiz i pomiarów wykonanych w trakcie badań eksperymentalnych belek żelbetowych 1 w ich naturalnej skali wyciągnięto następujące wnioski:

• powłoka z polimocznika 2 zabezpiecza (mostkuje) rysy w zginanych belkach żelbetowych 1 poddanych obciążeniu zabezpieczając je przed osiągnięciem warunku Stanu Granicznego Użytkowalności, • zginane belki żelbetowe 1 pokryte powłoką z polimocznika 2 posiadają inną charakterystykę pracy; do poziomu obciążenia odpowiadającego nośności belek żelbetowych 1 zabezpieczonych powłoką z polimocznika 2 jest możliwe ich bezpieczne odciążenie i ponowne dociążenie, bez zagrożenia utraty integralności belki żelbetowej 1, • aplikacja powłoki z polimocznika 2 pozwala również zachować spójność zginanych elementów żelbetowych w stanie pokrytycznym (po osiągnięciu ich nośności), dla odróżnienia, w przypadku belek żelbetowych bez zabezpieczenia, zniszczeniu mogą towarzyszyć intensywne zarysowanie oraz znaczne ubytki betonowej otuliny w strefie rozciąganej, • mostkowanie rys przez powłokę z polimocznika 2 oraz duża odporność samej powłoki z polimocznika 2 na czynniki korozjotwórcze pozwala na znaczące przedłużenie trwałości belek żelbetowych 1, • poprawa charakterystyki pracy belek żelbetowych 1 w Stanie Granicznym Użytkowalności oraz w stanie go poprzedzającym poprzez zastosowanie powłoki z polimocznika 2 może znacząco polepszyć bezpieczeństwo użytkowania konstrukcji z uwagi na ochronę życia i zdrowia użytkowników obiektu.

Najważniejszym i korzystnym skutkiem technicznym wynalazku jest zabezpieczenie rys powstających w belkach żelbetowych 1 w trakcie eksploatacji obiektu budowlanego. Jest to istotne z punktu widzenia Stanu Granicznego Użytkowalności (SGU) według EUROKOD 2, gdzie należy spełnić warunek dotyczący ograniczenia maksymalnego rozwarcia rys. Pokrycie powierzchni betonu belek żelbetowych 1 powłoką z polimocznika 2 pozwala zwiększyć ich trwałość i integralność poprzez szczelne przykrycie rys powstających wskutek przyłożenia obciążenia.

Równie ważnym skutkiem technicznym wynalazku jest poprawa charakterystyki pracy w stanie normalnym i awaryjnym, polegająca na możliwości cyklicznego dociążania i odciążania belek żelbetowych 1 bez widocznej utraty nośności. Zastosowanie powłoki z polimocznika 2 na powierzchniach żelbetowych belek żelbetowych 1 pozwala na bezpieczne odciążenie konstrukcji po obciążeniu przekraczającym jej nośność graniczną. Sytuacja taka może mieć miejsce w przypadku pracy konstrukcji w stanie awarii. Zatem użycie powłoki z polimocznika 2 może znacząco wpłynąć na poprawę bezpieczeństwa całej konstrukcji oraz jej użytkowników. Uzyskana w ten sposób nowa charakterystyka pracy elementu zginanego umożliwia użytkowanie elementu po przekroczeniu w nim dopuszczalnych odkształceń przy jednoczesnym zachowaniu akceptowalnego poziomu bezpieczeństwa.

Wykorzystanie sposobu według wynalazku prowadzi do poprawy charakterystyki pracy w Stanie Granicznym Użytkowalności (SGU) oraz możliwości cyklicznego dociążania i odciążania elementów belkowych w normalnym i awaryjnym stanie pracy konstrukcji. W odróżnieniu od zwykłych belek żelbetowych (bez powłoki), belki żelbetowe 1 pokryte powłokami z polimocznika 2 zachowują swoją integralność w stanie pokrytycznym, czyli po osiągnięciu nośności granicznej. Pozwala to znacząco zwiększyć bezpieczeństwo użytkowania elementów żelbetowych w stanie przedawaryjnym, gdyż warstwa polimocznika zapewnia utrzymanie ich integralności (monolityczności) pomimo wewnętrznego zniszczenia, które może być inicjowane zarówno w strefie rozciąganej (intensywnie zarysowanej), jak i ściskanej (gdzie może wystąpić miażdżenie betonu). Zatem, belki żelbetowe 1 zabezpieczone polimocznikiem nie rozpadają się na mniejsze części, które mogłyby stworzyć bezpośrednie zagrożenie życia lub zdrowia użytkowników obiektu. Ponadto pokrycie belek żelbetowych 1 powłokami z polimocznika 2 zwiększa ich trwałość, gdyż z jednej strony utrudnia - poprzez mostkowanie rys - dostęp czynników powodujących i przyspieszających korozję zbrojenia głównego, jak również zabezpiecza sam beton przed korozją fizyczną, chemiczną czy biologiczną. Z tego względu elementy zabezpieczone polimocznikiem mogą wykazywać większą odporność na agresywne warunki eksploatacji lub być w takich warunkach bezpiecznie użytkowane znacznie dłużej niż elementy bez takiego zabezpieczenia. Sprzyja temu duża odporność chemiczna samych powłok z polimocznika 2. Należy zwrócić uwagę również na fakt, że naprawa skorodowanych konstrukcji żelbetowych spowodowana ich eksploatacją w agresywnym środowisku jest trudna, a czasami wręcz niemożliwa, co tym bardziej wskazuje na duży potencjał i celowość stosowania omawianego rozwiązania technicznego - belek żelbetowych 1 pokrytych powłoką z polimocznika 2.

Claims (5)

1. Sposób zabezpieczania belki żelbetowej warstwową powłoką z polimocznika, znamienny tym, że w pierwszej kolejności przygotowuje się powierzchnię belki żelbetowej (1) poprzez szlifowanie betonu, następnie na wyszlifowaną powierzchnię belki żelbetowej (1) aplikuje się grunt na bazie żywicy epoksydowej, po czym zagruntowaną belkę żelbetową (1) obsypuje się suszonym piaskiem kwarcowym o uziarnieniu 0,3-0,8 mm, następnie natryskowo nakłada się w trzech warstwach powłokę z polimocznika (2), przy czym pierwszą warstwę nanosi się bezpośrednio na powierzchnię betonu, drugą warstwę bezpośrednio na pierwszą warstwę, prostopadle do kierunku nakładania pierwszej warstwy a trzecią warstwę bezpośrednio na drugą warstwę, równolegle do kierunku nakładania pierwszej warstwy, przy czym średnia łączna grubość trzech warstw powłoki z polimocznika (2) to 3,0-3,6 mm.

2. Sposób zabezpieczania belki żelbetowej według zastrz. 1, znamienny tym, że w toku nakładania gruntu kontroluje się temperaturę podłoża jak i otoczenia w zakresie 5°C-35°C oraz wilgotność w zakresie maksymalnej 90% wilgotności względnej otoczenia oraz 4% maksymalnej wilgotności podłoża betonowego.

3. Sposób zabezpieczania belki żelbetowej według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jako powłokę z polimocznika (2) stosuje się polimocznik aromatyczny, którego składnikiem izocyjanianowym są prepolimery na podstawie diizocyjanianu metylenodifenylu (MDI), a aminą są polieteroaminy aromatyczne o ogólnej masie cząsteczkowej między 200 a 5 000 g/mol.

4. Sposób zabezpieczania belki żelbetowej według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że podczas nakładania powłoki z polimocznika (2) temperatura składników na wejściu do dyszy natryskowej wynosi 70°C-80°C, a ciśnienie robocze składników na wejściu do dyszy natryskowej: 120-200 bar, nadto średnie zużycie mieszanki polimocznika na 1 m²to 3,0-3,6 kg/m².

5. Sposób zabezpieczania belki żelbetowej według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, że każda z warstw zawiera 1,0-1,2 kg/m² polimocznika nadto czas pomiędzy aplikacjami warstw mieści się w przedziale 30 sekund - 5 minut.