Mi a leválás a betonráhordásokban és javításokban?

A leválás definíciója és mechanizmusa

Leválás (debonding) alatt a tapadó kötés elvesztését értjük két olyan anyag határfelületén, amelyeket az építés során szándékosan ragasztottak össze. A betoninfrastruktúrában ez leggyakrabban egy betonráhordás vagy javítóanyag és a meglévő betonfelület, vagy egy szál-erősítésű polimer (FRP) erősítő rendszer és a betonfelület közötti szétválásra utal. Az American Concrete Institute (ACI) az ACI 546.3R szabványban a leválást úgy határozza meg, mint “a javító- vagy ráhordóanyag elválása a betonfelülettől a határfelületen”, megkülönböztetve azt az anyagokon belüli kohéziós tönkremeneteltől.

A határfelületi kötési mechanizmus három különálló összetevőből áll: mechanikai reteszelés, ahol az új anyag cementpépe behatol a felület egyenetlenségeibe, kémiai tapadás, ahol az új cementkötésű anyag hidratációs termékei reakcióba lépnek a régi beton kitett felületével, és termodinamikai tapadás (Van der Waals-erők), amely a felületi energiától és a tisztaságtól függ. Az ACI 546.3R-14 (“Útmutató az anyagválasztáshoz a betonjavításban”) a határfelületet háromfázisú kompozitként írja le: a meglévő betonfelület, a javító- vagy ráhordóanyag, és a közöttük kialakuló határfelületi átmeneti zóna (ITZ). Az ITZ jellemzően 10-50 mikrométer vastag, és a ragasztott rendszer leggyengébb láncszemét képviseli.

Amikor a határfelületi húzó- vagy nyírófeszültség meghaladja a kötési szilárdságot, a leválás egy mikrorepedésként indul egy feszültségkoncentrációs ponton. Folyamatos terhelés vagy környezeti ciklusok hatására ez a repedés a határfelület mentén terjed, és egy síkbeli üreget hoz létre, amely jelentős területre kiterjedhet. A leváló határfelületi repedés jellemzően vegyes módusú (I. + II. módus) törési mintázatban terjed, ahol mind a húzó nyitófeszültségek, mind a nyíró csúsztatófeszültségek hozzájárulnak a repedés növekedéséhez.

A határfelületi kritikus alakváltozási energia felszabadulási sebesség (Gc) egy anyagjellemző, amely szabályozza a leválás terjedését. Beton-beton határfelületek esetén az értékek jellemzően 50 és 150 J/m² között mozognak a felület-előkészítés minőségétől függően. FRP-beton határfelületek esetén a törési energia jellemzően alacsonyabb, 300 és 700 N/mm között van a határfelületi törési energiára egységnyi szélességre vonatkoztatva (Gf az ACI 440.2R szerint). A kötési szilárdságot általában a letépési vizsgálattal (pull-off test) számszerűsítik az ASTM C1583/C1583M szabvány szerint, amely a ragasztott ráhordás vagy javítás elválasztásához szükséges húzófeszültséget méri. A legtöbb szabvány (beleértve az International Concrete Repair Institute, ICRI Guideline 03732) által előírt minimálisan elfogadható letépési kötési szilárdság 1,0 MPa (145 psi) belső alkalmazásokhoz és 1,5 MPa (220 psi) külső, fagyás-olvadásnak kitett alkalmazásokhoz.

A leválás okai

A leválás a nem megfelelő határfelületi kötés kialakulásának és a kifejlesztett kötési szilárdságot meghaladó üzemi feszültségeknek a kombinációjából ered. Az okok az anyagtulajdonságok, az építési gyakorlatok és a környezeti kitettségi feltételek területére terjednek ki.

Nem megfelelő felület-előkészítés

A leválás egyetlen leggyakoribb oka a betonfelület nem megfelelő előkészítése. Az ICRI Guideline 03732 (“Útmutató a betonfelület-előkészítés kiválasztásához és előírásához tömítőanyagok, bevonatok, polimer ráhordások és betonjavítások számára”) Betonfelületi Profil (CSP) besorolásokat határoz meg a CSP 1-től (nagyon sima) a CSP 10-ig (rendkívül érdes). Ragasztott betonráhordásokhoz legalább CSP 5-től CSP 9-ig terjedő profil szükséges, ami 0,4-1,5 mm (0,016-0,060 hüvelyk) felületi érdesség-amplitúdónak felel meg. Ezt a profilt jellemzően szemcseszórással, maratással, hidrodemolícióval vagy nagynyomású abrazív szórással érik el.

A felületnek a ráhordás elhelyezésekor telített felületi száraz (SSD) állapotban kell lennie, amit az ACI 546.3R és az FAA Advisory Circular 150/5370-10 P-501 tétel ír elő. A túl száraz felület vizet von el a friss ráhordásból, ami vízhiányos határfelületet hoz létre gyenge hidratációval. A túl nedves felület vízfilmet képez a határfelületen, ami megakadályozza a megfelelő tapadást. A felületnek mentesnek kell lennie cementtejtől (a friss betonon képződő gyenge, krétás finomrészecske-réteg), utókezelő anyagoktól, olajtól, zsírtól, portól és egyéb szennyeződésektől. Az ACI 546.3R előírja, hogy a felületet úgy kell előkészíteni, hogy a ráhordás elhelyezése előtt letépési vizsgálattal legalább 1,0 MPa (145 psi) felületi húzószilárdságot érjen el.

Eltérő száradási zsugorodás

Az eltérő száradási zsugorodás a leggyakoribb leválási feszültségmechanizmus a betonráhordásoknál. Amikor egy új cementkötésű ráhordást helyeznek egy meglévő betonfelületre, a ráhordás száradási zsugorodáson megy keresztül, ahogy nedvességet veszít a környezetbe. A meglévő felület, amely már átesett zsugorodása nagy részén, a ragasztott határfelületen keresztül gátolja ezt a mozgást. Ez a gátlás húzófeszültséget indukál a ráhordásban és nyírófeszültséget a határfelületen. A nyírófeszültség nagysága a két anyag közötti zsugorodási különbségtől, a ráhordás rugalmassági modulusától, a határfelületi kötés merevségétől és a felület által biztosított gátlási tényezőtől függ.

A betonráhordás tipikus száradási zsugorodása 400-800 mikrostrain (0,04%-0,08%) között van a víz-cement tényezőtől, az adalékanyag típusától, a kikeményítési körülményektől és a környezeti relatív páratartalomtól függően. Egy 100 mm (4 hüvelyk) vastag ragasztott ráhordás esetén a gátolt zsugorodás 0,5-2,0 MPa (70-290 psi) határfelületi nyírófeszültséget generálhat, ami megközelíti vagy meghaladja a gyenge felület-előkészítéssel elérhető kötési szilárdságot. Ez magyarázza, hogy a leválás gyakran a ráhordás elhelyezését követő első 28-90 napban jelenik meg, még a forgalmi terhelés alkalmazása előtt. Az ASTM C157/C157M szabvány biztosítja a szabványos vizsgálati módszert a megszilárdult beton hosszváltozásának (száradási zsugorodás) mérésére.

Termikus összeférhetetlenség

A ráhordóanyag és a felület közötti termikus összeférhetetlenség feszültséget hoz létre a határfelületen a hőmérséklet-változások során. A hagyományos Portlandcement-beton hőtágulási együtthatója (CTE) 7-12 × 10⁻⁶ /°C között van. Ha a ráhordásnak és a felületnek eltérő a CTE-értéke (ami gyakran előfordul, amikor gyorskötésű javítóanyagot vagy polimerrel módosított betont használnak hagyományos beton mellett), egy 30°C-os (54°F) hőmérséklet-változás 0,3-1,0 MPa (45-145 psi) határfelületi feszültséget generálhat. Ez különösen problémás a repülőtéri burkolatoknál, amelyek gyors hőmérséklet-változásokat tapasztalnak a nappali napfényes felmelegedéstől az éjszakai sugárzási lehűlésig, valamint a repülőgép-műveletek során keletkező sugárhajtómű-hőtől.

Az FAA Advisory Circular 150/5380-6C (“Útmutatók és eljárások a repülőtéri burkolatok karbantartásához”) megjegyzi, hogy a termikus összeférhetetlenség a javítások és ráhordások meghibásodásának gyakori oka a repülőtéri burkolatoknál, különösen amikor gyors szilárdságú betont vagy polimerbeton javítóanyagokat használnak hagyományos PCC burkolat mellett. Az ICRI Guideline 03734 (“Útmutató a betonjavításhoz használt anyagok kiválasztásához és alkalmazásához”) egy termikus kompatibilitási indexet biztosít a javítóanyagokhoz, javasolva, hogy a javítóanyag CTE-je ±2 × 10⁻⁶ /°C-on belül legyen a felület CTE-jéhez képest.

Korrózió által kiváltott leválás

A betonacél korróziója két mechanizmuson keresztül idézhet elő leválást. Először is, a korróziós termékek (rozsda) 2-6-szor nagyobb térfogatot foglalnak el, mint az eredeti acél, tágulási nyomást generálva, ami a betontakaró elválását okozhatja az alatta lévő acélrétegtől – ez egy rokon, de a tárgyalt határfelületi leválástól eltérő állapot. Másodszor, a határfelület szintjén (ahol a ráhordás egy acélbetétes felülettel találkozik) fellépő korrózió rétegleválással kapcsolatos leválást hozhat létre, ahogy a rozsdatermékek fizikailag ék alakban szétfeszítik a határfelületet.

A korróziós sebességet, µm/év acélkeresztmetszet-veszteségben kifejezve, lineáris polarizációs ellenállással (LPR) mérhetjük az ASTM G59 vagy a beton ellenállásával az AASHTO T 358 (Wenner négyelektródás módszer) szerint. A 0,5 µA/cm² feletti korróziós sebesség nagy kockázatot jelent a korrózió által kiváltott károsodásra. A határfelületen a korróziós küszöbérték feletti kloridok jelenléte (jellemzően 0,15% összes klorid a cement tömegére vonatkoztatva a korrózió megindulásához, vagy 0,025% vízoldható klorid az ACI 222R szerint) jelentősen felgyorsítja ezt a folyamatot.

Egyéb hozzájáruló tényezők

A leváláshoz hozzájáruló további tényezők közé tartozik a ráhordás nem megfelelő utókezelése (a korai nedvességvesztés csökkenti a kifejlesztett kötési szilárdságot), a nem megfelelő kötőanyag felhordása (akár túl vékony a fedéshez, akár túl vastag, gyenge réteget képezve), a korai forgalmi terhelés, mielőtt a ráhordás elérte volna a megfelelő kötési szilárdságot, és a fagyás-olvadás ciklus a határfelületen, ahol nedvesség halmozódik fel. A nedvességre érzékeny leválás különösen problémás az FRP-rendszerek esetében, ahol a FRP-beton határfelületre behatoló víz az epoxi kötést a ragasztóréteg hidrolitikus lebomlásán keresztül bonthatja. Az ACI 440.2R-17 (“Útmutató a betonszerkezetek erősítésére szolgáló külsőleg ragasztott FRP-rendszerek tervezéséhez és kivitelezéséhez”) figyelmeztet, hogy a nedvesség behatolása az FRP-határfelületen csökkenti az epoxi üvegesedési hőmérsékletét (Tg), és a ragasztó gyorsított kúszási töréséhez vezethet.

Leválás vs. rétegleválás

A leválás és a rétegleválás azonos hallható tüneteket produkál (kongó hang kopogtatáskor), és hasonló következményekkel jár (együttdolgozás elvesztése, lepattogzás veszélye, víz behatolása), de mechanizmusukban és helyükben alapvetően különböznek.

A leválás egy szerkesztett határfelületen történik két szándékosan ragasztott anyag között, a betonráhordás és a meglévő felület, a foltjavítás és a környező beton, vagy egy FRP-lemez és a betonfelület között. A kötéshiba adhéziós (a két anyag közötti határfelületen bekövetkező hiba), nem pedig kohéziós (az egyik anyagon belüli hiba). Az ASTM C1583 szerinti letépési vizsgálat során a javítás-felület határfelületén bekövetkező adhéziós hibát, ahol egyik felületen sem marad anyag, leválásként osztályozzák.

A rétegleválás egyetlen homogén betonrétegen belül következik be, jellemzően a betonacél síkjában vagy annak közelében. Az elsődleges mechanizmus a korrózió által kiváltott tágulási nyomás, amely a betontakaró elválását okozza az alatta lévő betontömegtől a betonacélok szintjén. A rétegleválást fagyás-olvadás károsodás (D-repedezés a hézagoknál) vagy ASR (alkáli-szilikát reakció) táguló gélképződés is okozhatja. A rétegleválás szétválási síkja jellemzően a felülettel párhuzamos, 20-50 mm mélységben (a felső vasalási háló mélysége) található, míg a leválás pontosan a szerkesztett anyaghatárfelületen történik, a mélységtől függetlenül.

A gyakorlati különbségtétel a javítási stratégia szempontjából fontos: a leválás esetén a tapadó kötést kell helyreállítani a határfelületen olyan módszerekkel, mint az epoxi injektálás (az ASTM C881 szerint) vagy a ráhordás eltávolítása és pótlása megfelelő felület-előkészítéssel, míg a rétegleválás esetén a szétvált betont kell eltávolítani az ép anyagig, és javítóanyaggal pótolni. Mindazonáltal a detektálási módszerek mindkét állapotra azonosak: a kalapácsos kopogtatás (ASTM D4580), a lánchúzás, az infravörös termográfia (ASTM D4788) és a visszhangos vizsgálat (ASTM C1383) mind azonosítják a síkbeli szétválásokat, függetlenül attól, hogy a szétválás leválás vagy rétegleválás-e.

A leválás érzékelési módszerei

A leválás érzékelése azon az elven alapul, hogy a felület alatti síkbeli üreg eltérő választ ad az akusztikus, termikus vagy feszültséghullám-gerjesztésre, mint az ép, teljesen ragasztott anyag. Az érzékelési módszer kiválasztása a felület hozzáférhetőségétől, a határfelület mélységétől, a felmérendő területtől és a szükséges pontosságtól függ.

Kalapácsos kopogtatás és lánchúzás

A kalapácsos kopogtatásos vizsgálat (más néven tapogatásos vizsgálat, kopogtatás vagy ütővizsgálat) a legszélesebb körben használt módszer a leválás érzékelésére. A vizsgáló egy geológus kalapáccsal, gömbfejű kalapáccsal vagy kopogtató kalapáccsal kopogtatja meg a betonfelületet rendszeres időközönként (jellemzően 300 mm vagy 12 hüvelyk a részletes felméréseknél, 600 mm vagy 24 hüvelyk az általános felméréseknél az ASTM D4580 szerint). Az ép, ragasztott beton éles, csengő, fémes hangot ad a hatékony rugalmas hullámterjedés miatt. A leváló vagy réteglevált beton tompán, kongón, dobszerűen hangzik, mert a légrés megakadályozza a hatékony hullámterjedést. A válasz frekvenciatartalma eltér: az ép beton 2 kHz feletti magas frekvenciájú energiát produkál, míg a leváló területek 500 Hz alatti alacsonyabb frekvenciájú energiát. Ez az akusztikus különbség digitális akusztikus elemző rendszerekkel számszerűsíthető, amelyek rögzítik a kalapácsütés hangját és frekvenciatartalom alapján osztályozzák.

A lánchúzásos vizsgálat egy nehéz acélláncot (jellemzően 3-5 láb hosszú, 10-15 font súlyú) használ, amelyet a burkolat felületén húznak végig, miközben a vizsgáló hallgatja a hang változásait. A lánchúzást az FAA Advisory Circular 150/5380-6C és az ASTM D5340 (a repülőtéri burkolatok állapotindex-felmérésének szabványa) írja elő elsődleges kopogtatásos módszerként a repülőtéri burkolatok állapotfelméréséhez. A lánchúzás gyorsan lefedhet nagy területeket, egy tapasztalt vizsgáló óránként 500-1000 m²-t tud felmérni, így ez a legproduktívabb kézi kopogtatásos módszer. A lánchúzásos vizsgálat különösen hatékony a betonráhordásos rendszerek leválásának észlelésére, mert a lánc tömege elegendő energiát biztosít a leváló panel rezgésbe hozásához.

Infravörös termográfia (IRT)

Az infravörös termográfia (IRT) egy érintésmentes, gyors letapogatásos módszer, amely a leválást a leváló ráhordás vagy FRP alatti légrés szigetelő hatása által okozott felületi hőmérséklet-különbségek mérésével érzékeli. Napsugárzásos felmelegedés során (jellemzően 10:00 és 14:00 óra között tiszta, napos napon) a leváló terület feletti felületi hőmérséklet 1-5°C-kal magasabb, mint a környező ép betoné, mert a légrés szigeteli a felületet a vezetéses hőveszteségtől a felület felé. Éjszakai lehűlés során (jellemzően 2-4 órával napnyugta után) a leváló terület hűvösebbnek tűnik, mert a szigetelő légrés megakadályozza, hogy a felületi rétegben tárolt hőt a felületről történő vezetés pótolja.

Az ASTM D4788 (“Szabványos vizsgálati módszer a rétegleválások érzékelésére hídpályalemezeken infravörös termográfia segítségével”) biztosítja a szabványos protokollt a beton hídpályalemezek és ráhordások IRT-vizsgálatához. A vizsgálathoz legalább 0,5°C hőmérséklet-különbség szükséges a leváló és ép területek között a megbízható érzékeléshez, bár a modern nagy érzékenységű kamerák (NETD vagy zajegyenértékű hőmérséklet-különbség 0,03°C vagy jobb) kisebb különbségeket is képesek érzékelni. A maximálisan érzékelhető leválási mélység a ráhordás vastagságától függ: 50 mm (2 hüvelyk) vastag ráhordás esetén a leválás megbízhatóan érzékelhető, a 150 mm-nél (6 hüvelyk) vastagabb ráhordások esetén a felületi hőmérséklet-különbség túl kicsi lesz a megbízható IRT-érzékeléshez. Az FAA Advisory Circular 150/5370-10 elfogadja az IRT-t a repülőtéri burkolatok ragasztott ráhordásainak minőségbiztosítási módszereként.

Az IRT előnyei a kopogtatásos módszerekkel szemben: teljes felületű lefedettség (egyetlen termikus kép 50-200 m²-t fed le a magasságtól függően), állandó digitális felvétel az eredményekről, és gyorsaság (egy járműre szerelt rendszerrel óránként 5000-10000 m²-es felmérési sebesség érhető el). Az elsődleges korlátozás, hogy az IRT csak a felszín közeli régióban (jellemzően az első 100-150 mm mélységben) lévő leválásokat érzékeli, és nem képes megbízhatóan érzékelni a mély leválást a ráhordás-felület határfelületen, ha a ráhordás vastag.

Visszhangos vizsgálat

A visszhangos vizsgálat (IE) egy feszültséghullám-alapú roncsolásmentes vizsgálati módszer, amely mechanikus ütést (jellemzően egy kis acélgolyót vagy rugós ütőt) használ alacsony frekvenciájú feszültséghullámok generálására, amelyek a betonban terjednek. A hullámok visszaverődnek a belső határfelületekről (beleértve a leváló légréseket) és az elem távoli felületéről, létrehozva egy frekvenciaspektrumot, amely elemezhető mind a leválás jelenlétének, mind a mélységének meghatározására. Az ASTM C1383 (“Szabványos vizsgálati módszer a P-hullám sebességének és a betonlemezek vastagságának mérésére a visszhangos módszerrel”) biztosítja a szabványos vizsgálati protokollt. A leválás érzékeléséhez a visszhangos módszer meghatározhatja a leváló határfelület mélységét a válasz hullámformájában lévő domináns frekvencia elemzésével: a sekély leválás magas frekvenciájú csúcsokat, míg a mély leválás alacsonyabb frekvenciájú csúcsokat produkál.

A visszhangos vizsgálat különösen értékes az FRP leválás érzékelésére, mert képes azonosítani a FRP és a beton közötti határfelületet még a FRP rétegen keresztül is, és képes megkülönböztetni a sekély leválást (a FRP-beton határfelületen) a mély felületi károsodástól. A FRP leválás érzékelésének tipikus frekvenciatartománya 10-30 kHz, ami speciális ütőket és érzékelőket igényel.

Érzékelési módszerek kiválasztása

Az érzékelési módszer kiválasztása az adott alkalmazástól függ:

A leválás végleges megerősítése betonmagok kivételét igényli az ASTM C42/C42M (“Szabványos vizsgálati módszer fúrt magok és fűrészelt gerendák beszerzésére és vizsgálatára”) szerint. A magokat a roncsolásmentes vizsgálati módszerek által leválóként azonosított helyeken veszik ki, és a határfelületet szemrevételezéssel vizsgálják. A magfotó a végleges feljegyzés: a tiszta szétválás a határfelületen anélkül, hogy bármilyen anyag tapadna bármelyik felülethez, megerősíti az adhéziós leválási hibát. A határfelület értékeléséhez szükséges minimális magátmérő jellemzően 50 mm (2 hüvelyk), bár vastagabb ráhordások esetén a 100 mm (4 hüvelyk) előnyösebb.

Betonráhordások leválása

A betonráhordásokat (más néven ragasztott betonráhordások, felületmegújítás vagy fehérburkolat) közvetlenül a meglévő betonburkolatra helyezik a szerkezeti kapacitás helyreállítása, a járhatóság javítása és az élettartam meghosszabbítása érdekében. A ragasztott határfelület kritikus, mert lehetővé teszi a kompozit szerkezeti együttdolgozást, a ráhordás és a meglévő födém egyetlen szerkezeti egységként működik együtt. A kompozit keresztmetszet lényegesen nagyobb szerkezeti kapacitással rendelkezik, mint a két réteg önállóan (a keresztmetszeti modulus arányos a teljes vastagság négyzetével, ha a rétegek teljesen ragasztottak). A kötés a friss ráhordásbeton és az érdesített, tiszta, SSD állapotú meglévő felület közötti mechanikai reteszeléssel jön létre.

Az FAA Advisory Circular 150/5370-10 P-501 tétel (“Szabványos előírások a repülőterek építéséhez: Portlandcement-beton burkolat”) meghatározza a ragasztott betonráhordásokra vonatkozó követelményeket a repülőtéri burkolatokon. A meglévő felületet hidegmarással vagy szemcseszórással kell kezelni, hogy legalább 6 mm (0,25 hüvelyk) felületi anyagot eltávolítsanak, elérve a CSP 5-7 felületi textúrát. A felületet ezután nagynyomású vízsugárral (legalább 20 000 psi) tisztítják, majd levegős fúvással távolítják el az összes törmeléket és állóvizet. Egy cementpép kötőanyagot (1:1 cement-víz arány tömeg szerint) ecsettel hordanak fel közvetlenül a ráhordás elhelyezése előtt.

Az FHWA Betonráhordási Útmutató (FHWA-HIF-18-032) kétféle ragasztott betonráhordást különböztet meg: BCO (Ragasztott Betonráhordás) 50-175 mm (2-7 hüvelyk) vastagságban PCC burkolatokon, és BCOA (Ragasztott Betonráhordás Aszfalton) 100-200 mm (4-8 hüvelyk) vastagságban aszfaltburkolatokon (más néven fehérburkolat). A PCC-n lévő BCO esetében a meglévő burkolat állapota határozza meg a ráhordás megvalósíthatóságát: a meglévő burkolatnak kevesebb mint 15%-os szerkezeti károsodást kell mutatnia (pumpálás, 6 mm-nél nagyobb lépcsőképződés, az ASTM D5340 szerint közepesnél súlyosabb födémrepedezés), hogy a differenciális mozgásból származó leválási feszültségek elfogadható határokon belül maradjanak.

A betonráhordások leválása jellemzően a felület folytonossági hiányosságainál indul, meglévő repedéseknél, hézagoknál vagy károsodott területeken, ahol a felületi profil eltér az ideálistól. A leváló terület ezután ezekből a kiindulási pontokból terjed kifelé a forgalmi terhelés fáradása és a termikus ciklusok miatt. A leválási sebesség a határfelületi nyírófeszültség nagyságától és a terhelés alkalmazások számától függ. Az FHWA Hosszú Távú Burkolati Teljesítmény (LTPP) program kutatása szerint a ragasztott ráhordások leváló területei jellemzően évente a kezdetben leváló terület 5-15%-ával nőnek mérsékelt forgalom mellett, ami nehéz forgalmi terhelés alatt évi 15-30%-ra gyorsul.

A leválás kritikus időszaka a ráhordás elhelyezése utáni első 90 nap. Ebben az időszakban a ráhordás átesik elsődleges száradási zsugorodásán, miközben a kötési szilárdság még fejlődik. A ráhordás elfogadásához szükséges minimálisan elfogadható kötési szilárdság, amelyet az ICRI Guideline 03732 határoz meg, 0,7 MPa (100 psi) átlagos, egyetlen leolvasás sem lehet 0,5 MPa (70 psi) alatt a beépítést követő 7 napon belül, ami 28 napra 1,0 MPa (145 psi)-re nő.

FRP erősítő rendszerek leválása

A külsőleg ragasztott FRP (szál-erősítésű polimer) rendszereket a betonszerkezetek megerősítésére használják úgy, hogy szénszálas, üvegszálas vagy aramidszálas lemezeket vagy lapokat ragasztanak a betonfelületre epoxi ragasztókkal. Az FRP leválás egy kritikus tönkremeneteli mód, amely az FRP erősítés tervezését szabályozza az ACI 440.2R-17 (“Útmutató a betonszerkezetek erősítésére szolgáló külsőleg ragasztott FRP-rendszerek tervezéséhez és kivitelezéséhez”) szerint.

Az FRP leválás két elsődleges módban nyilvánul meg: lemezvég (PE) leválás és köztes repedés által kiváltott (IC) leválás. A PE leválás az FRP laminátum végződési pontjánál következik be, ahol nagy határfelületi nyíró- és normál (lehántó) feszültségek alakulnak ki, mert az FRP hirtelen véget ér. Ezt a módot az FRP-nek a nulla nyomaték pontján túli, elegendő kifejlődési hosszal (jellemzően 300-600 mm vagy 12-24 hüvelyk az ACI 440.2R szerint) történő meghosszabbításával lehet megelőzni. Az IC leválás egy hajlítási vagy nyírási repedésnél indul a betonban, ahol a repedésnyílás helyi feszültségkoncentrációt hoz létre az FRP laminátumban a repedés helyén. A feszültség ezután az FRP-beton határfelület mentén terjed az FRP vége felé egy progresszív lehántó tönkremenetelben.

Az ACI 440.2R-17 leválási alakváltozási határa az FRP maximális használható alakváltozását εfd = 0,41√(f’c / (nef Ef tf)) értékre korlátozza, de legfeljebb 0,9 εfu (ahol εfu az FRP végső törési alakváltozása). Ezt a határt az IC leválás, mint meghatározó tönkremeneteli mód megelőzésére tervezték. Egy tipikus szénszálas FRP (CFRP) esetében, amelynek modulusa 165 GPa (24 × 10⁶ psi) és vastagsága 1,0 mm (0,039 hüvelyk), a leválási alakváltozási határ körülbelül 0,005-0,007 (5000-7000 mikrostrain), ami az FRP végső alakváltozásának körülbelül 30-40%-a. Ez a tervezési rendelkezés biztosítja, hogy az FRP-beton kötés üzemi körülmények között sértetlen maradjon.

Az FRP leválás érzékelése speciális módszereket igényel, mert az FRP lemez eltakarja a határfelület vizuális megjelenését. A visszhangos vizsgálat (a 4. szakaszban leírtak szerint) a leggyakoribb módszer, mivel a feszültséghullámok áthatolnak az FRP-n, és visszaverődnek a leváló határfelületről. Az infravörös termográfia szintén hatékony az FRP-rendszerek esetében, mert a vékony FRP-réteg (jellemzően 1-3 mm vastag) alacsony hőkapacitással rendelkezik, és gyorsan átadja a hőt a határfelületnek, perceken belül mérhető hőmérséklet-különbségeket hozva létre aktív fűtés hatására. Az FRP-rendszerek beépítés utáni vizsgálata az ACI 440.2R szerint 100%-os kopogtatásos vizsgálatot ír elő az összes beépített FRP-felületen a beépítést követő 7 napon belül, és a teljes FRP-terület 5%-át meghaladó leválási területek javítást igényelnek.

A kötési vonal minőségét letépési vizsgálattal értékelik az ASTM C1583 szerint, az ACI 440.2R által előírt minimálisan elfogadható érték 1,0 MPa (145 psi) az FRP-beton kötésre. A tönkremeneteli módot rögzítik: tönkremenetel a betonfelületben (kívánatos, jelezve, hogy a beton gyengébb, mint a kötés), adhéziós tönkremenetel az FRP-epoxi határfelületen, adhéziós tönkremenetel a beton-epoxi határfelületen (nem kívánatos, leválást jelezve), vagy kohéziós tönkremenetel az epoxin belül. Az adhéziós tönkremenetel jelenléte bármelyik határfelületen 1,0 MPa alatti letépési értékeknél nem megfelelő kötéskialakulást jelez, és az FRP eltávolítását és újratelepítését igényli.

Leválás a foltjavításokban

A beton foltjavítások, mind a részleges mélységűek, mind a teljes mélységűek, a javítás-alapanyag beton határfelületen lévő kötés kialakításától és fenntartásától függenek. A foltjavítás határfelülete egy háromdimenziós kerületi felület, nem pedig egy síkbeli vízszintes felület: a javítási üreg függőleges oldalai és az alja (részleges mélységű javításoknál) vagy az előkészített felület (teljes mélységű javításoknál). A foltjavítások leválása a javítóanyag elválását jelenti az alapanyag betontól ezeken a határfelületi felületeken.

A kötési mechanizmus a foltjavításokban ugyanazokat az elveket követi, mint a ráhordások ragasztásánál, de a feszültségi állapot összetettebb a javítás gátolt geometriája miatt. A javítóanyagot minden oldalról alapanyag beton veszi körül, ami teljes gátlást biztosít a zsugorodással szemben. Ez többtengelyű húzófeszültségeket hoz létre a határfelületen, a maximális feszültségkoncentrációkkal a javítás sarkaiban és éleinél. A javítóanyag és az alapanyag beton közötti zsugorodási különbség határfelületi nyírófeszültségeket generál, amelyek meghaladhatják a kötési szilárdságot, különösen nagy zsugorodású javítóanyagok használata esetén.

Az ACI 546.3R-14 (“Útmutató az anyagválasztáshoz a betonjavításban”) előírja, hogy a foltjavítások felület-előkészítésének CSP 7-9 profilt (0,6-1,5 mm érdességi amplitúdó) kell elérnie, amit könnyű légkalapácsolással érnek el, maximum 15 kg (30 lb) légkalapácsot használva, hogy elkerüljék a felület mikrorepedezését a javítási kerületen kívül. A javítás fűrészelt kerületének legalább 25 mm-rel (1 hüvelyk) túl kell nyúlnia a károsodott terület látható szélén az ép betonba. A javítási üreg oldalait a felületre merőlegesen vagy alávágással (alul kissé szélesebb, mint felül) kell vágni, hogy mechanikai reteszelést biztosítsanak a függőleges leválási erőkkel szemben.

A részleges mélységű javításoknál (jellemzően 25-75 mm vagy 1-3 hüvelyk mély, az FAA szabványa az AC 150/5380-6C szerint) a leválás leggyakrabban a javítás alja és az előkészített felület közötti vízszintes határfelületen következik be. A kötést letépési vizsgálattal értékelik az ASTM C1583 szerint, legalább 3 helyen 100 m² javítási területenként. Az ICRI Guideline 03732 szerinti elfogadási kritériumok: minimális egyedi letépési érték 0,5 MPa (70 psi), és az összes vizsgálat átlaga 0,7 MPa (100 psi) vagy nagyobb.

A teljes mélységű javításoknál (teljes födémcsere) a kritikus határfelület az a függőleges oldal, ahol a javítási beton találkozik a meglévő födémmel a fűrészelt kerületnél. A teljes mélységű javításoknál gyakran betonacél kapcsolószegélyeket (dowel bar) szerelnek be a hézagon keresztül (a repülőtéri burkolatok FAA P-501 tétele szerint, a kapcsolószegélyek 300 mm-es közönként, a födém középmagasságában elhelyezve) a terhelésátadás biztosítására. A leválás a függőleges határfelületen a teljes mélységű javításoknál kevésbé gyakori, mint a részleges mélységűeknél, de előfordulhat a betonozás során alkalmazott nem megfelelő tömörítés miatt, ami méhsejtszerű határfelületi zónát hagy maga után, vagy korai fűrészelés miatt, ami a határfelület mentén terjedő repedést indít el.

A leválás következményei

A leválás lépcsőzetes következményekkel jár a szerkezeti teljesítményre és a tartósságra nézve. Az azonnali hatás a kompozit együttdolgozás elvesztése a ráhordás és a felület között. Egy ragasztott betonráhordásos rendszernél a kompozit keresztmetszet hajlítási merevsége (EI) arányos a teljes vastagság köbével, ha teljesen ragasztott. Amikor leválás következik be, a két réteg egymástól függetlenül működik, mindegyik külön hordja a terhelést. Egy 100 mm-es ráhordás esetén egy 200 mm-es meglévő födémen a teljesen ragasztott keresztmetszet effektív vastagsága 300 mm. Leválás után a rendszer két különálló, 100 mm-es és 200 mm-es födémként viselkedik. A tehetetlenségi nyomaték csökkenése bh³/12-ről a kompozitra (b × 100³/12 + b × 200³/12) a szétvált rétegekre, ami körülbelül 0,35-ös redukciós tényezőt jelent, vagyis a szerkezeti kapacitás körülbelül 65%-kal csökken.

A víz behatolása a leválás második kritikus következménye. A leválás által létrehozott síkbeli üreg folyamatos utat biztosít a víz számára, hogy a ráhordás alatt oldalirányban mozogjon, megkerülve a hézagtömítéseket és a felületi vízelvezetést. A víz felhalmozódik a leváló üregben, létrehozva egy telített határfelületi zónát, amely felgyorsítja a fagyás-olvadás károsodást és a beágyazott acél korrózióját. A csapdába esett víz hidraulikus nyomást is indukál a forgalmi terhelés alatt: amikor egy gumiabroncs áthalad egy leváló területen, a ráhordás behajlik, összenyomva a vízzel teli üreget. A hidraulikus nyomás meghaladhatja az 1 MPa-t (145 psi) nehéz repülőgép-terhelés alatt (Airplane Design Group V vagy VI az FAA szerint), ami a vizet a ráhordás széleihez hajtja és kipumpálja, magával vive a finom anyagokat egy eróziós pumpálásnak nevezett folyamatban. Ez a pumpáló hatás fokozatosan szélesíti a leváló területet, és törmeléket juttat a határfelületbe, tovább akadályozva az újrakötődést.

Az FOD (Idegen Tárgyakból Származó Törmelék) képződése különös aggodalomra ad okot a repülőtéri burkolatoknál. Egy nem észlelt leváló ráhordás végül áttörhet a felszínre a forgalmi terhelés hatására, lepattogzásokat és laza darabokat hozva létre, amelyek FOD-dá válnak, ami komoly veszélyt jelent a repülőgép-hajtóművekre és gumiabroncsokra. Az FAA Advisory Circular 150/5380-6C kifejezetten kiemeli a ráhordás leválását, mint FOD-ra hajlamos állapotot, amely azonnali figyelmet igényel a kifutópályákon, gurulóutakon és előtereken.

A leválás által kiváltott korróziós gyorsulási ciklus önfenntartó. A leváló határfelületbe belépő víz kloridokat (jégtelenítő vegyszerekből vagy tengeri kitettségből) és oxigént szállít a határfelületi zónába. Ha a felület betonacélt tartalmaz, a kloridok elérik az acélfelületet és megindítják a korróziót. A korróziós termékek (rozsda) kitágulnak, és tovább ékelik szét a határfelületet, növelve a leváló területet. A megnagyobbodott leválás lehetővé teszi, hogy több víz és klorid jusson be, felgyorsítva a korróziót. Ez a pozitív visszacsatolási hurok a ráhordás teljes elvesztését okozhatja 2-5 éven belül, ha nem észlelik, szemben a megfelelően ragasztott ráhordás 15-25 éves várható élettartamával.

Vizsgálat és állapotértékelés

A leválás vizsgálata a burkolat állapotfelmérésekbe és a hídvizsgálati protokollokba több szinten beépül. A Megfelelt/Nem felelt meg megközelítést (leváló vagy nem leváló) jellemzően a terület számszerűsítése egészíti ki az állapotbesoroláshoz és a javítási prioritások meghatározásához.

Repülőtéri burkolat állapotfelmérések

Az ASTM D5340 (“Szabványos vizsgálati módszer a repülőtéri burkolatok állapotindexének felmérésére”) a leválást a betonráhordások károsodási típusaként tartalmazza, a “javítás” és “felületi károsodás” kategóriákba sorolva. A felmérési protokoll a lánchúzást írja elő elsődleges érzékelési módszerként a ráhordás leválására, a következő súlyossági szintekkel:

• Alacsony súlyosság: A leváló terület a teljes burkolati felület kevesebb mint 5%-át fedi le, nincs látható felületi repedezés vagy lepattogzás
• Közepes súlyosság: A leváló terület a teljes burkolati felület 5-15%-át fedi le, kisebb felületi repedezés vagy lepattogzás a leváló területek szélein
• Magas súlyosság: A leváló terület a teljes burkolati felület több mint 15%-át fedi le, látható felületi repedezés, lepattogzás vagy FOD képződés

A PCI (Burkolat Állapotindex) levonási értéke a leválásra nemlineárisan nő a súlyossággal és a kiterjedéssel. Az ASTM D5340 leválásra vonatkozó PCI levonási görbéje azt mutatja, hogy a magas súlyosságú leválás, amely egy burkolati szakasz 30%-át fedi le, 50-et meghaladó levonási értéket produkál (egy 0-100-as skálán), ami “gyenge” burkolati besorolásnak felel meg.

Hídpályalemez vizsgálat

Az FHWA Nemzeti Hídvizsgálati Szabványai (NBIS) és az AASHTO Kézikönyv a Hídelemek Vizsgálatához a leválást a hídpályalemez-elemek értékelésében tartalmazzák. Az elem szintű vizsgálat (az AASHTO MBEI-2019 szerint) a leválást a 12. elem (Beton pályalemez) hibájaként osztályozza a következő állapotokkal:

• 1. állapot (Jó): Nem észleltek leválást
• 2. állapot (Megfelelő): A leváló terület kisebb, mint a pályalemez területének 10%-a, nincs aktív korróziós elszíneződés
• 3. állapot (Gyenge): A leváló terület a pályalemez területének 10-30%-a, korróziós elszíneződés látható a hézagoknál vagy repedéseknél
• 4. állapot (Súlyos): A leváló terület nagyobb, mint a pályalemez területének 30%-a, aktív lepattogzás kitett vasalással, keresztmetszet-veszteség

Vizsgálati gyakoriság

Automatizált leválás érzékelés

A számítógépes látás és a gépi tanulás legújabb fejlesztései lehetővé tették a leválás automatizált érzékelését felületi képekből és drón alapú termikus felmérésekből. A címkézett kopogtatásos adatokon képzett mélytanuló modellek képesek osztályozni a burkolati felületi állapotokat nagy felbontású képeken azáltal, hogy azonosítják a felszín alatti leválással korreláló jellegzetes repedési mintázatokat (térképszerű repedezés, félhold alakú repedések). A termikus kép elemzése konvolúciós neurális hálózatok (CNN) segítségével automatikusan szegmentálhatja a termikus képeket leváló és ép régiókra, ellenőrzött vizsgálatokban 85%-ot meghaladó pontossággal. Az ilyen rendszerek számszerűsített leválási kiterjedési térképeket készíthetnek súlyossági besorolással a ráhordás és javítás állapotának értékeléséhez.

Leváló ráhordások és javítások javítása

A leválás javítási stratégiája a leválás mértékétől, súlyosságától, okától és helyétől, valamint a ragasztott rendszer típusától (betonráhordás, FRP vagy foltjavítás) függ.

Epoxi injektálás elszigetelt leváláshoz

Kis, elszigetelt leválási területek (a teljes ragasztott terület kevesebb mint 10%-a) esetén, ahol a határfelület nem szennyezett törmelékkel vagy korróziós termékekkel, az epoxi injektálás helyreállíthatja a kötést. Az eljárás az ASTM C881 (“Szabványos előírás az epoxigyanta alapú ragasztórendszerekhez betonhoz”) szerint történik, amely meghatározza az epoxi típusára és osztályára vonatkozó követelményeket. Az injektálási folyamat a következőket foglalja magában:

1. Injektáló nyílások fúrása 300-600 mm (12-24 hüvelyk) távolságban a leváló terület mintázata mentén
2. A leváló terület kerületének lezárása gyorskötésű epoxival vagy habarccsal a befecskendezett anyag megtartásához
3. Alacsony viszkozitású epoxi befecskendezése (IV. típus, 1. osztály az ASTM C881 szerint) 0,3-0,7 MPa (50-100 psi) nyomáson, a legalacsonyabb nyílástól kezdve és felfelé haladva a levegő kiszorításához a leválási üregből
4. Ellenőrzés ismételt kopogtatással az epoxi kikeményedése után (minimum 24 óra 20°C-on)

Az epoxi injektálás 80-100%-ra állíthatja vissza a kötési szilárdságot az eredeti tervezési kötési szilárdsághoz képest, ha tiszta, száraz leváló határfelületekre alkalmazzák. A módszer nem hatékony, ha a határfelület olajjal, szennyeződéssel vagy korróziós termékekkel szennyezett, mert az epoxi a szennyeződéshez köt, nem a betonfelületekhez. A hatékony epoxi injektálás maximális leválási mélysége körülbelül 50 mm (2 hüvelyk), a mélyebb leválások olyan injektálási útvonalakat hoznak létre, amelyek túl hosszúak a teljes kitöltéshez.

Eltávolítás és pótlás

A ragasztott terület 10%-át meghaladó leválás, vagy olyan leválási területek esetén, ahol a határfelület szennyezett, a leváló rész eltávolítása és pótlása a szokásos megközelítés. Az FAA AC 150/5380-6C és az ICRI Guideline 03732 szerinti eljárás a következő lépéseket követi:

1. A leváló határ megjelölése részletes kopogtatással meghatározva (150 mm vagy 6 hüvelyk rácstávolság használatával)
2. A kerület fűrészelése legalább 150 mm-rel (6 hüvelyk) a leváló határon túl az ép, ragasztott anyagba
3. A leváló anyag eltávolítása ellenőrzött bontással, maximum 15 kg (30 lb) légkalapácsot használva, a leváló oldal felől az ép anyag felé haladva, hogy elkerüljék a kötés károsodását a szomszédos területeken
4. A felület újra-előkészítése CSP 7-9-re szemcseszórással vagy hidrodemolícióval
5. A felület tisztítása és nedvességállapotának beállítása SSD állapotra
6. Kötőanyag felhordása a gyártó előírásai szerint (jellemzően cementpép 1:1 w/c arányban vagy kereskedelmi forgalomban kapható, ASTM C1059-nek megfelelő kötőanyag)
7. A javítóanyag pótlása ugyanazzal vagy kompatibilis anyaggal, mint az eredeti ráhordás/javítás

A ráhordási terület 30%-át meghaladó kiterjedt leválás esetén a teljes ráhordás eltávolítása és pótlása jellemzően költséghatékonyabb, mint a szelektív javítás. A megmaradt ragasztott anyag feszültségkoncentrációs pontként fog viselkedni, ha részben eltávolítják, és a több kis terület foltozása sok új határfelületi kerületet hoz létre, amelyek potenciális jövőbeli leválási kiindulási pontok.

FRP leválás javítása

Az FRP leválás javítását az ACI 440.2R-17, 12. fejezet szabályozza. A leváló FRP javításának eljárása:

1. Az összes leváló FRP eltávolítása legalább 50 mm-rel (2 hüvelyk) a láthatóan leváló területen túl
2. A kitett betonfelület vizsgálata károsodás szempontjából (korróziós elszíneződés, repedezés vagy felületi romlás)
3. A felületi károsodás javítása kompatibilis javítóanyagokkal az ACI 546.3R szerint
4. A felület újra-előkészítése csiszolással CSP 3-5-re (simább, mint a ráhordás előkészítése, mert az FRP elsősorban adhéziós kötést használ a mechanikai reteszelés helyett)
5. Új FRP felhordása a gyártó előírásai szerint, legalább 150 mm-rel (6 hüvelyk) túlnyúlva az eltávolítási határon az átlapoláshoz
6. 100%-os kopogtatásos vizsgálat elvégzése a beépítés után az ACI 440.2R szerint

Az FRP leválás érzékelésének protokollja az élettartam során magában foglalja a teljes FRP-felület éves kopogtatásos vizsgálatát, időközi vizsgálatokkal minden jelentős túlterhelési esemény (földrengés, ütközés, erős szél) után. Ha a leválás bármely vizsgálatkor meghaladja az FRP-terület 5%-át, azonnali javítás szükséges az ACI 440.2R szerint.

Nyíró kapcsolók a ráhordás visszaragasztásához

Olyan leváló ráhordások esetén, ahol az eltávolítás és pótlás nem kivitelezhető (pl. ráhordások szerkezeti hídelemeken, ahol az eltávolítás kitenné a szerkezetet a forgalomnak), nyíró kapcsolók biztosíthatnak mechanikai visszaragasztást. Rozsdamentes acél vagy horganyzott kapcsolószegélyeket (12-16 mm átmérő, 150-200 mm hosszú) szerelnek be úgy, hogy a ráhordáson keresztül a felületbe fúrnak, a lyukakat megtisztítják, és a kapcsolószegélyeket epoxi habarccsal rögzítik, amely megfelel az ASTM C881 szabványnak. A kapcsolószegélyeket jellemzően 600 mm-es (24 hüvelyk) közönként helyezik el egy rácsos mintázatban a leváló területen, legalább 150 mm-es széltávolsággal a leváló határtól. A nyíró kapcsolókon keresztüli helyreállított kötési kapacitás jellemzően 30-50%-a az eredeti ragasztott kapacitásnak kapcsolónként, ezért a kapcsolók számát a végső terhelésnél várható határfelületi nyírófeszültség alapján kell kiszámítani.

Szabványok összefoglalása