Leválás

A leválás meghatározása és mechanizmusa

Leválás alatt a tapadó kötés megszűnését értjük két olyan anyag határfelületén, amelyeket szándékosan ragasztottak össze az építés során. A betoninfrastruktúrában ez leggyakrabban a betonburkolat vagy javítóanyag és a meglévő beton aljzat közötti szétválásra, illetve a szál-erősítésű polimer (FRP) erősítőrendszer és a betonfelület közötti elválásra utal. Az Amerikai Beton Intézet (ACI) az ACI 546.3R szabványban a leválást úgy határozza meg, mint “a javító- vagy burkolóanyag elválása a beton aljzattól a határfelületen”, megkülönböztetve azt az anyagokon belüli kohéziós tönkremeneteltől.

A határfelület kötési mechanizmusa három különálló összetevőből áll: mechanikai reteszelés, amikor az új anyag cementpépe behatol az aljzat felületi egyenetlenségeibe; kémiai tapadás, amikor az új cementkötésű anyag hidratációs termékei reagálnak a régi beton feltárt felületével; és termodinamikai tapadás (Van der Waals-erők), amely az aljzat felületi energiájától és tisztaságától függ. Az ACI 546.3R-14 (“Útmutató az anyagválasztáshoz betonjavításban”) a határfelületet háromfázisú kompozitként írja le: a meglévő beton aljzat, a javító- vagy burkolóanyag, és a közöttük kialakuló határfelületi átmeneti zóna (ITZ). Az ITZ vastagsága jellemzően 10-50 mikrométer, 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 továbbterjed, síkszerű üreget képezve, amely jelentős területre kiterjedhet. A leválásos határfelületi repedés jellemzően vegyes módusú (I. módus + II. módus) törési mintázatban terjed, ahol mind a húzó nyitófeszültségek, mind a nyíró csúsztatófeszültségek hozzájárulnak a repedés növekedéséhez.

A határfelület kritikus alakváltozási energiafelszabadulási sebessége (Gc) olyan anyagtulajdonság, amely szabályozza a leválás terjedését. Beton-beton határfelületeknél az értékek jellemzően 50 és 150 J/m² között mozognak a felület-előkészítés minőségétől függően. FRP-beton határfelületeknél a törési energia jellemzően alacsonyabb, 300-700 N/mm között van az egységnyi szélességre eső határfelületi törési energia (Gf az ACI 440.2R szerint). A kötési szilárdságot általánosan a kihúzási vizsgálattal (pull-off test) mérik az ASTM C1583/C1583M szabvány szerint, amely megméri a ragasztott burkolat vagy javítás aljzattól való elválasztásához szükséges húzófeszültséget. A legtöbb előírás (beleértve a Nemzetközi Betonjavítási Intézet, ICRI 03732 irányelvét) által meghatározott minimális elfogadható kihúzási kötési szilárdság 1,0 MPa (145 psi) belső alkalmazásoknál és 1,5 MPa (220 psi) külső alkalmazásoknál, amelyek fagyás-olvadás hatásának vannak kitéve.

A leválás okai

A leválás a nem megfelelő határfelületi kötéskialakulás és a kifejlesztett kötési szilárdságot meghaladó feszültségek kombinációjából ered az üzemelés során. Az okok kiterjednek az anyagtulajdonságokra, az építési gyakorlatra és a környezeti kitettségi feltételekre.

Nem megfelelő felület-előkészítés

A leválás egyetlen leggyakoribb oka a beton aljzat nem megfelelő felület-előkészítése. Az ICRI 03732 irányelv (“Útmutató a betonfelület-előkészítés kiválasztásához és előírásához tömítőanyagok, bevonatok, polimer burkolatok és betonjavítások számára”) Betonfelületi Profil (CSP) besorolásokat állapít meg CSP 1-től (nagyon sima) CSP 10-ig (rendkívül érdes). Ragasztott betonburkolatokhoz legalább CSP 5 - CSP 9 profil szükséges, ami 0,4-1,5 mm (0,016-0,060 hüvelyk) felületi érdesség-amplitúdónak felel meg. Ezt a profilt jellemzően szórószemcse-szórással, felületszedéssel, vízsugár-bontással vagy erős csiszolóanyag-szórással érik el.

Az aljzatnak a burkolat elhelyezésekor telített felületi száraz (SSD) állapotban kell lennie – ezt az ACI 546.3R és az FAA 150/5370-10 számú Tanácsadó Körlevele P-501 tétel írja elő. A túl száraz aljzat vizet von el a friss burkolatból, vízhiányos határfelületet hozva létre gyenge hidratációval. A túl nedves aljzat vízfilmet képez a határfelületen, amely megakadályozza a megfelelő tapadást. A felületnek mentesnek kell lennie cementiszaptól (a friss betonon képződő gyenge, krétás réteg finom részecskékből), párazáró anyagoktól, olajtól, zsírtól, portól és más szennyeződésektől. Az ACI 546.3R előírja, hogy az aljzatot úgy kell előkészíteni, hogy a burkolat elhelyezése előtt minimális felületi húzószilárdsága 1,0 MPa (145 psi) legyen a kihúzási vizsgálat szerint.

Eltérő száradási zsugorodás

Az eltérő száradási zsugorodás a leggyakoribb leválási feszültségmechanizmus betonburkolatoknál. Amikor új cementkötésű burkolatot helyeznek egy meglévő beton aljzatra, a burkolat száradási zsugorodást szenved el, ahogy nedvességet veszít a környezet felé. A meglévő aljzat, amely már átesett zsugorodása nagy részén, a ragasztott határfelületen keresztül gátolja ezt a mozgást. Ez a visszatartás húzófeszültséget indukál a burkolatban és nyírófeszültséget a határfelületen. A nyírófeszültség mértéke a két anyag közötti zsugorodási különbségtől, a burkolat rugalmassági modulusától, a határfelületi kötés merevségétől és az aljzat által biztosított visszatartási tényezőtől függ.

A betonburkolat jellemző száradási zsugorodása 400-800 mikronos alakváltozás (0,04%-0,08%) között van a víz-cement tényezőtől, az adalékanyag típusától, a párolgási körülményektől és a környezeti relatív páratartalomtól függően. Egy 100 mm (4 hüvelyk) vastagságú ragasztott burkolatnál a visszatartott zsugorodás 0,5-2,0 MPa (70-290 psi) határfelületi nyírófeszültséget generálhat – olyan értékeket, amelyek megközelítik vagy meghaladják a gyenge felület-előkészítéssel elérhető kötési szilárdságot. Ez magyarázza, hogy a leválás gyakran a burkolat elhelyezését követő első 28-90 napban jelenik meg, még a forgalmi terhelés alkalmazása előtt. Az ASTM C157/C157M szabvány a megszilárdult beton hosszváltozásának (száradási zsugorodás) mérésére szolgáló standard vizsgálati módszert biztosítja.

Termikus inkompatibilitás

A burkolóanyag és az aljzat közötti termikus inkompatibilitás feszültséget hoz létre a határfelületen a hőmérséklet-változások során. A hagyományos portlandcement-beton hőtágulási együtthatója (CTE) 7-12 × 10⁻⁶ /°C között mozog. Ha a burkolat és az aljzat eltérő CTE-értékkel rendelkezik (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, ahol gyors hőmérséklet-változások lépnek fel a nappali napsugárzás és az éjszakai sugárzási hűlés, valamint a sugárhajtású repülőgépek működése során keletkező gépáramlás-fűtés miatt.

Az FAA 150/5380-6C számú Tanácsadó Körlevele (“Repülőtéri burkolatok karbantartásának irányelvei és eljárásai”) megjegyzi, hogy a termikus inkompatibilitás a javítások és burkolatok meghibásodásának gyakori oka a repülőtéri burkolatoknál, különösen amikor gyorsszilárdulású betont vagy polimerbeton foltozóanyagokat használnak hagyományos PCC burkolat mellett. Az ICRI 03734 irányelv (“Útmutató a betonjavításhoz használt anyagok kiválasztásához és alkalmazásához”) termikus kompatibilitási indexet biztosít a javítóanyagokhoz, javasolva, hogy a javítóanyag CTE-je ±2 × 10⁻⁶ /°C eltérésen belül legyen az aljzat CTE-jéhez képest.

Korrózió által kiváltott leválás

A betonacél korróziója két mechanizmuson keresztül idézhet elő leválást. Először is, a korróziós termékek (rozsda) térfogata 2-6-szor nagyobb, mint az eredeti acélé, ami tágulási nyomást generál, ami a betontakarónak az alatta lévő acélrétegtől való elválását okozhatja – ez egy kapcsolódó, de ettől eltérő állapot az itt tárgyalt határfelületi leválástól. Másodszor, a határfelület szintjén (ahol a burkolat egy acélerősítésű aljzattal találkozik) fellépő korrózió rétegleválással összefüggő leválást produkálhat, ahogy a rozsdatermékek fizikailag ék formájában szétfeszítik a határfelületet.

A korróziós ráta, µm/év acélkeresztmetszet-veszteségben kifejezve, mérhető lineáris polarizációs ellenállással (LPR) az ASTM G59 vagy beton ellenállás méréssel az AASHTO T 358 (Wenner-négypróba módszer) szerint. A 0,5 µA/cm² feletti korróziós ráta magas kockázatúnak tekinthető a korrózió által kiváltott károsodás szempontjából. Kloridok jelenléte a határfelületen a korróziós küszöbérték felett (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

További tényezők, amelyek hozzájárulnak a leváláshoz, a burkolat nem megfelelő párolgása (a korai nedvességvesztés csökkenti a kifejlesztett kötési szilárdságot), a nem megfelelő kötőanyag-alkalmazás (akár túl vékony a fedés biztosításához, akár túl vastag, gyenge réteget létrehozva), a korai forgalmi terhelés a burkolat megfelelő kötési szilárdságának elérése előtt, valamint 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 a kötőanyagréteg hidrolitikus lebomlásán keresztül megtörheti az epoxi kötést. Az ACI 440.2R-17 (“Útmutató a külsőlegesen ragasztott FRP-rendszerek tervezéséhez és kivitelezéséhez betonszerkezetek erősítésére”) figyelmeztet, hogy a nedvesség behatolása az FRP-határfelületen csökkenti az epoxi üvegesedési hőmérsékletét (Tg), és a kötőanyag 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, kipattogzás veszélye, vízbehatolás), de alapvetően különböznek mechanizmusban és elhelyezkedésben.

A leválás két szándékosan összeragasztott anyag közötti épített határfelületen következik be – a betonburkolat és a meglévő aljzat közötti határfelületen, a foltjavítás és a környező beton között, vagy az FRP-lemez és a betonfelület között. A kötés meghibásodása adhéziós (a két anyag közötti határfelületen), nem pedig kohéziós (egy anyagon belüli). Az ASTM C1583 szerinti kihúzási vizsgálat során az adhéziós tönkremenetel a javítás-aljzat határfelületen, ahol egyik felületen sem marad anyag, leválásként minősül.

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 betonacélok szintjén a betontakaró elválását okozza az alatta lévő betontömegtől. A rétegleválást fagyás-olvadás károsodás (D-repedések a hézagoknál) vagy ASR (alkáli-kovasav reakció) táguló gélképződés is okozhatja. A rétegleválás szétválási síkja jellemzően a felülettel párhuzamos, 20-50 mm mélységben (a felső vasalási réteg mélysége) található, míg a leválás pontosan az épített anyaghatárfelületen következik be, függetlenül a mélységtől.

A gyakorlati megkülönböztetés a javítási stratégia szempontjából lényeges: a leválás a tapadó kötés helyreállítását igényli a határfelületen olyan módszerekkel, mint az epoxi injektálás (az ASTM C881 szerint) vagy a burkolat eltávolítása és pótlása megfelelő felület-előkészítéssel, míg a rétegleválás a szétvált beton eltávolítását igényli az egészséges anyagig, és javítóanyaggal történő pótlását. Mindazonáltal az észlelési módszerek mindkét állapot esetében azonosak – a kalapácsos kopogtatás (ASTM D4580), láncvontatás, infravörös termográfia (ASTM D4788) és visszhang-becsapódás (ASTM C1383) mind azonosítják a síkszerű szétválásokat, függetlenül attól, hogy az leválás vagy rétegleválás.

A leválás észlelési módszerei

A leválás észlelése azon az elven alapul, hogy a felület alatti síkszerű üreg eltérő választ ad az akusztikus, termikus vagy feszültséghullám gerjesztésre, mint az egészséges, teljes mértékben ragasztott anyag. Az észlelési módszer kiválasztása a felület hozzáférhetőségétől, a határfelület mélységétől, a felmérendő területtől és a szükséges pontosságtól függ.

Kalapácsos kopogtatás és láncvontatás

A kalapácsos kopogtatásos vizsgálat (más néven kopogtatásos teszt, hangvizsgálat vagy ütéses vizsgálat) a legszélesebb körben használt módszer a leválás észlelésére. A vizsgálatot végző személy geológus kalapáccsal, gömbfejű kalapáccsal vagy kopogtató kalapáccsal kopogtatja meg a betonfelületet rendszeres időközönként (jellemzően 300 mm-es vagy 12 hüvelykes távolságban részletes felmérésekhez, 600 mm-es vagy 24 hüvelykes távolságban általános felmérésekhez az ASTM D4580 szerint). Az egészséges, ragasztott beton éles, csengő, fémes hangot ad a hatékony rugalmas hullámterjedés miatt. A leválással vagy rétegleválással érintett beton tompa, kongó, dobszerű hangot ad, mivel a légrés megakadályozza a hatékony hullámterjedést. A válasz frekvenciatartalma eltér: az egészséges beton nagyfrekvenciás energiát termel 2 kHz felett, míg a leválással érintett területek alacsonyabb frekvenciájú energiát, amely 500 Hz alatt koncentrálódik. Ez az akusztikus különbség digitális akusztikus elemzőrendszerekkel számszerűsíthető, amelyek rögzítik a kalapács ütésének hangját és frekvenciatartalom alapján osztályozzák.

A láncvontatási teszt egy nehéz acélláncot használ (jellemzően 3-5 láb hosszú, 10-15 font súlyú), amelyet a burkolat felületén húznak végig, miközben a vizsgálatot végző személy a lánc által keltett hang változásait figyeli. A láncvontatást az FAA 150/5380-6C számú Tanácsadó Körlevele és az ASTM D5340 (a repülőtéri burkolatok állapotindex-felmérésének szabványa) írja elő elsődleges kopogtatásos módszerként a repülőtéri burkolatok állapotfelméréséhez. A láncvontatás gyorsan lefedhet nagy területeket – egy tapasztalt vizsgáló 500-1000 m²/óra sebességgel dolgozhat –, így ez a leghatékonyabb manuális kopogtatásos módszer. A láncvontatási teszt különösen hatékony a betonburkolat-rendszerek leválásának észlelésére, mivel a lánc tömege elegendő energiát biztosít a leválással érintett panel rezgésbe hozásához.

Infravörös termográfia (IRT)

Az infravörös termográfia (IRT) egy érintésmentes, gyors letapogatásos módszer, amely a leválást a leválással érintett burkolat vagy FRP alatti légrés szigetelő hatása által okozott felületi hőmérséklet-különbségek mérésével érzékeli. Napsugárzás alatt (jellemzően 10:00 és 14:00 óra között tiszta, napos napon) a leválással érintett terület felületi hőmérséklete 1-5°C-kal jobban megemelkedik, mint a környező egészséges betoné, mivel a légrés szigeteli a felületet az aljzat felé történő hővezetéstől. Éjszakai hűlés során (jellemzően naplemente után 2-4 órával) a leválással érintett terület hűvösebbnek tűnik, mivel a szigetelő légrés megakadályozza, hogy a felületi rétegben tárolt hőt az aljzatból történő hővezetés pótolja.

Az ASTM D4788 (“Standard vizsgálati módszer a hídpályalemezek rétegleválásának kimutatására infravörös termográfiával”) biztosítja a beton hídpályalemezek és burkolatok IRT-vizsgálatának standard protokollját. A vizsgálat minimum 0,5°C hőmérséklet-különbséget igényel a leválással érintett és egészséges területek között a megbízható észleléshez, bár a modern nagy érzékenységű kamerák (NETD vagy zajegyenértékű hőmérséklet-különbség 0,03°C vagy jobb) kisebb különbségeket is képesek érzékelni. A maximális érzékelhető leválási mélység a burkolat vastagságától függ: 50 mm (2 hüvelyk) vastagságú burkolatnál a leválás megbízhatóan érzékelhető; 150 mm-nél (6 hüvelyk) vastagabb burkolatoknál a felületi hőmérséklet-különbség túl kicsivé válik a megbízható IRT-észleléshez. Az FAA 150/5370-10 számú Tanácsadó Körlevele elfogadja az IRT-t a ragasztott burkolatok minőségbiztosításának módszereként repülőtéri burkolatokon.

Az IRT előnyei a kopogtatásos módszerekkel szemben a teljes felületi lefedettség (egyetlen termikus kép 50-200 m²-t fed le a magasságtól függően), az állandó digitális felvétel az eredményekről, és a gyorsaság (5000-10000 m²/óra felmérési sebesség érhető el járműre szerelt rendszerből). Az elsődleges korlátozás, hogy az IRT csak a felületközeli régióban (jellemzően az első 100-150 mm mélységben) érzékeli a leválást, és nem képes megbízhatóan érzékelni a mély leválást a burkolat-aljzat határfelületen, ha a burkolat vastag.

Visszhang-becsapódásos vizsgálat

A visszhang-becsapódás (IE) egy feszültséghullámon alapuló roncsolásmentes vizsgálati módszer, amely mechanikai becsapódást (jellemzően kis acélgolyót vagy rugós ütőt) használ alacsony frekvenciájú feszültséghullámok generálására, amelyek a betonban terjednek. A hullámok visszaverődnek a belső határfelületekről (beleértve a leválással érintett légréseket) és az elem távoli felületéről, frekvenciaspektrumot hozva létre, amely elemezhető a leválás jelenlétének és mélységének meghatározásához. Az ASTM C1383 (“Standard vizsgálati módszer a P-hullám sebességének és betonlemezek vastagságának mérésére visszhang-becsapódásos módszerrel”) biztosítja a standard vizsgálati protokollt. Leválás észlelésénél a visszhang-becsapódásos módszer meghatározhatja a leválással érintett határfelület mélységét a válasz hullámforma domináns frekvenciájának elemzésével – a sekély leválás magas frekvenciájú csúcsokat, míg a mély leválás alacsonyabb frekvenciájú csúcsokat produkál.

A visszhang-becsapódásos módszer különösen értékes az FRP-leválás észleléséhez, mert azonosítani tudja az FRP és a beton közötti határfelületet akár az FRP-rétegen keresztül is, és képes megkülönböztetni a sekély leválást (az FRP-beton határfelületen) a mély aljzati károsodástól. Az FRP-leválás észlelésének tipikus frekvenciatartománya 10-30 kHz, ami speciális ütők és érzékelők használatát igényli.

Észlelési módszerek kiválasztása

Az észlelési módszer kiválasztása a konkrét alkalmazástól függ:

A leválás végleges megerősítéséhez betonmagminták vétele szükséges az ASTM C42/C42M (“Standard vizsgálati módszer fúrt magminták és fűrészelt beton gerendák nyeréséhez és vizsgálatához”) szerint. A magmintákat a roncsolásmentes vizsgálati módszerekkel leválásként azonosított helyeken veszik, és a határfelületet vizuálisan megvizsgálják. A magminta fényképe a végleges bizonyíték: tiszta elválás a határfelületen anélkül, hogy anyag tapadna bármelyik felületre, adhéziós leválási tönkremenetelt igazol. A határfelület értékeléséhez szükséges minimális magminta-átmérő jellemzően 50 mm (2 hüvelyk), bár vastagabb burkolatok esetén a 100 mm (4 hüvelyk) előnyösebb.

Betonburkolatok leválása

A betonburkolatokat (más néven ragasztott betonburkolatok, felületmegújítás vagy fehérburkolat) közvetlenül a meglévő betonburkolatra helyezik a szerkezeti kapacitás helyreállítása, a járhatósági minőség javítása és az élettartam meghosszabbítása érdekében. A ragasztott határfelület kritikus fontosságú, mert lehetővé teszi a kompozit szerkezeti együttdolgozást – a burkolat és a meglévő födém együttműködését egyetlen szerkezeti egységként. A kompozit keresztmetszet lényegesen nagyobb szerkezeti kapacitással rendelkezik, mint a két réteg önállóan (a keresztmetszeti modulus arányos a teljes vastagság négyzetével, ha a rétegek teljes mértékben ragasztottak). A kötés a friss burkolati beton és az érdesített, tiszta, SSD állapotú meglévő felület közötti mechanikai reteszeléssel jön létre.

Az FAA 150/5370-10 számú Tanácsadó Körlevele P-501 tétel (“Repülőterek építésének szabványos előírásai: Portlandcement-beton burkolat”) meghatározza a ragasztott betonburkolatok követelményeit repülőtéri burkolatokon. A meglévő felületet hidegmarással vagy szórószemcse-szórással kell kezelni, hogy legalább 6 mm (0,25 hüvelyk) felületi anyagot eltávolítsanak, elérve a CSP 5-7 felületi textúrát. A felületet ezután nagynyomású vízsugárral (minimum 20 000 psi) tisztítják, majd levegős fúvassál távolítják el az összes törmeléket és állóvizet. Cementpép kötőanyagot (1:1 cement-víz arány tömeg szerint) ecsettel hordanak fel közvetlenül a burkolat elhelyezése előtt.

Az FHWA Betonburkolati Útmutató (FHWA-HIF-18-032) megkülönbözteti a ragasztott betonburkolatok két típusát: BCO (ragasztott betonburkolat) 50-175 mm (2-7 hüvelyk) vastagságban PCC burkolatokon, és BCOA (ragasztott betonburkolat aszfalton) 100-200 mm (4-8 hüvelyk) vastagságban aszfaltburkolatokon (más néven fehérburkolat). BCO esetében PCC-n a meglévő burkolat állapota határozza meg a burkolat megvalósíthatóságát: a meglévő burkolatnak 15%-nál kevesebb szerkezeti károsodást kell mutatnia (pumpálás, 6 mm-nél nagyobb vetemedés, az ASTM D5340 szerint közepesnél súlyosabb födémrepedezés) annak biztosítására, hogy a különböző mozgásokból származó leválási feszültségek elfogadható határokon belül maradjanak.

A betonburkolatok leválása jellemzően az aljzat folytonossági hiányainál indul – meglévő repedéseknél, hézagoknál vagy károsodott területeken, ahol a felületi profil eltér az ideálistól. A leválással érintett terület ezután ezekből a kiindulási pontokból kifelé terjed a forgalmi terhelés fárasztása és a termikus ciklusok hatására. A leválási sebesség a határfelületi nyírófeszültség mértékétől és a terhelés-alkalmazások számától függ. Az FHWA Hosszú Távú Burkolati Teljesítmény (LTPP) programjának kutatásai szerint a ragasztott burkolatok leválással érintett területei jellemzően évente 5-15%-kal növekednek a kezdetben leválással érintett területhez képest mérsékelt forgalom mellett, ami nehéz forgalmi terhelés alatt évi 15-30%-ra gyorsul.

A leválás kritikus időszaka a burkolat elhelyezése utáni első 90 nap. Ebben az időszakban a burkolat átesik elsődleges száradási zsugorodásán, miközben a kötési szilárdság még fejlődik. A burkolat átvételéhez szükséges minimális elfogadható kötési szilárdság, amelyet az ICRI 03732 irányelv határoz meg, 0,7 MPa (100 psi) átlagos, egyetlen egyedi érték sem lehet 0,5 MPa (70 psi) alatt 7 napon belül, ami 28 napra 1,0 MPa (145 psi) értékre nő.

FRP-erősítő rendszerek leválása

A külsőlegesen ragasztott FRP (szál-erősítésű polimer) rendszereket betonszerkezetek erősítésére használják szénszálas, üvegszálas vagy aramid szálas lemezek vagy szalagok betonfelületre történő ragasztásával epoxi ragasztóanyagok segítségével. Az FRP-leválás kritikus tönkremeneteli mód, amely meghatározza az FRP-erősítés tervezését az ACI 440.2R-17 (“Útmutató a külsőlegesen ragasztott FRP-rendszerek tervezéséhez és kivitelezéséhez betonszerkezetek erősítésére”) szerint.

Az FRP-leválás két elsődleges módban jelentkezik: lemezvég (PE) leválás és köztes repedés által kiváltott (IC) leválás. A PE leválás az FRP-laminátum lezárási pontjánál következik be, ahol magas határfelületi nyíró- és normál (lehántó) feszültségek alakulnak ki, mivel az FRP hirtelen véget ér. Ezt a módot az FRP-nek a zérus nyomaték pontján túli, elegendő kifejlődési hosszra (jellemzően 300-600 mm vagy 12-24 hüvelyk az ACI 440.2R szerint) történő meghosszabbításával lehet megelőzni. Az IC leválás a beton egy hajlító- vagy nyírórepedésénél indul, ahol a repedésnyílás lokális feszültségkoncentrációt hoz létre az FRP-laminátumban a repedés helyén. A feszültség ezután az FRP-beton határfelület mentén terjed az FRP vége felé progresszív lehántó tönkremenetel formájában.

Az alakváltozási leválási határ az ACI 440.2R-17-ben maximális használható alakváltozást korlátoz az FRP-ben: εfd = 0,41√(f’c / (nef Ef tf)), de legfeljebb 0,9 εfu (ahol εfu az FRP végső törési alakváltozása). Ez a határérték az IC-leválás mint meghatározó tönkremeneteli mód megelőzésére szolgál. 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 mikronos alakváltozás), 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 észlelése speciális módszereket igényel, mivel az FRP-lemez eltakarja a határfelület vizuális megjelenését. A visszhang-becsapódásos vizsgálat (a 4. szakaszban leírtak szerint) a leggyakoribb módszer, mivel a feszültséghullámok áthatolnak az FRP-n és visszaverődnek a leválással érintett határfelületről. Az infravörös termográfia is hatékony az FRP-rendszerek esetében, mivel a vékony FRP-réteg (jellemzően 1-3 mm vastag) alacsony hőkapacitású és gyorsan továbbítja a hőt a határfelület felé, perceken belül mérhető hőmérséklet-különbségeket hozva létre aktív fűtés hatására. Az FRP-rendszerek beépítés utáni vizsgálata az ACI 440.2R szerint az összes telepített FRP-felület 100%-os kopogtatásos vizsgálatát igényli a telepítést követő 7 napon belül, ahol az FRP teljes területének 5%-át meghaladó leválással érintett területek javítást igényelnek.

A kötésvonal minőségét kihúzási vizsgálattal értékelik az ASTM C1583 szerint, az ACI 440.2R által meghatározott minimális elfogadható értékkel, amely 1,0 MPa (145 psi) az FRP-beton kötéshez. A tönkremeneteli módot rögzítik: tönkremenetel a beton aljzatban (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 kihúzási értékekkel nem megfelelő kötéskialakulást jelez, és az FRP eltávolítását és újbóli telepítését igényli.

Leválás foltjavításokban

A beton foltjavítások – mind a részleges mélységű, mind a teljes mélységű – a javítás-eredeti beton határfelületen elért és fenntartott kötéstől függenek. A foltjavítás határfelülete egy háromdimenziós kerületi felület, nem pedig síkszerű vízszintes felület: a javítási üreg függőleges oldalai és az alja (részleges mélységű javításoknál) vagy az előkészített aljzatfelület (teljes mélységű javításoknál). A foltjavítások leválása a javítóanyag elválását jelenti az eredeti betontól ezeken a határfelületi felületeken.

A kötési mechanizmus a foltjavításokban ugyanazokat az elveket követi, mint a burkolatok ragasztása, de a feszültségállapot bonyolultabb a javítás visszatartott geometriája miatt. A javítóanyagot minden oldalról eredeti beton veszi körül, ami teljes visszatartást biztosít a zsugorodással szemben. Ez többtengelyű húzófeszültségeket hoz létre a határfelületen, maximális feszültségkoncentrációkkal a javítás sarkainál és éleinél. A javítóanyag és az eredeti beton közötti zsugorodási különbség határfelületi nyírófeszültségeket generál, amelyek meghaladhatják a kötési szilárdságot, különösen amikor nagy zsugorodású javítóanyagokat használnak.

Az ACI 546.3R-14 (“Útmutató az anyagválasztáshoz betonjavításban”) előírja, hogy a foltjavítások felület-előkészítésének CSP 7-9 profilt kell elérnie (0,6-1,5 mm érdességi amplitúdó), amit könnyű légkalapácsolással érnek el, maximum 15 kg (30 lb) légkalapáccsal, hogy elkerüljék az aljzat mikrorepedezését a javítási kerületen túl. A javítás fűrészelt kerületének legalább 25 mm-rel (1 hüvelyk) túl kell nyúlnia a károsodott terület látható szélén az egészséges betonig. A javítási üreg oldalait a felületre merőlegesen vagy alámetszve (alul kissé szélesebbre, mint felül) kell vágni a függőleges leválási erők elleni mechanikai reteszelés biztosítása érdekében.

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 aljzat közötti vízszintes határfelületen következik be. A kötést kihúzási vizsgálattal értékelik az ASTM C1583 szerint legalább 3 helyen 100 m² javítási területenként. Az ICRI 03732 irányelv szerinti átvételi feltételek: minimális egyedi kihúzási érték 0,5 MPa (70 psi), és az összes vizsgálat átlaga 0,7 MPa (100 psi) vagy nagyobb.

Teljes mélységű javításoknál (teljes födémcsere) a kritikus határfelület a függőleges oldalfelület, ahol a javítási beton a meglévő födémmel találkozik a fűrészelt kerületnél. A teljes mélységű javításoknál gyakran kapcsolóvasalást (dowel) helyeznek el a hézagokon keresztül (az FAA P-501 tétel szerint repülőtéri burkolatoknál, a dowel-ek 300 mm-es közökben, a födém középmélységében elhelyezve) a terhelésátadás biztosítására. A leválás a függőleges határfelületen teljes mélységű javításoknál kevésbé gyakori, mint a részleges mélységű javításoknál, de előfordulhat a betonozás során történő nem megfelelő tömörítés miatt, ami lézeres (méhsejtes) 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 burkolat és az aljzat között. Ragasztott betonburkolati rendszernél a kompozit keresztmetszet hajlítási merevsége (EI) arányos a teljes vastagság köbével, ha teljes mértékben ragasztott. Leválás esetén a két réteg egymástól függetlenül működik, mindegyik külön hordja a terhelést. Egy 100 mm-es burkolatnál egy 200 mm-es meglévő födémen a teljesen ragasztott keresztmetszet effektív vastagsága 300 mm. Leválás után a rendszer két különálló födémként viselkedik, 100 mm és 200 mm vastagságban. A tehetetlenségi nyomaték csökkenése a kompozit bh³/12 értékéről (b × 100³/12 + b × 200³/12)-re a szétvált rétegeknél – körülbelül 0,35-ös csökkentési tényező, ami azt jelenti, hogy a szerkezeti kapacitás körülbelül 65%-kal csökken.

A vízbehatolás a leválás második kritikus következménye. A leválás által létrehozott síkszerű üreg folyamatos útvonalat biztosít a víz számára, hogy oldalirányban a burkolat alá jusson, megkerülve a hézagtömítéseket és a felületi vízelvezetést. A víz felhalmozódik a leválással érintett üregben, telített határfelületi zónát hozva létre, ami felgyorsítja a fagyás-olvadás károsodást és a beágyazott acél korrózióját. A beszorult víz hidraulikus nyomást is indukál forgalmi terhelés alatt – ahogy egy kerék áthalad egy leválással érintett területen, a burkolat lehajlik, összenyomva a vízzel teli üreget. A hidraulikus nyomás meghaladhatja az 1 MPa-t (145 psi) nehéz repülőgép-terhelés alatt (V. vagy VI. repülőgép-tervezési csoport az FAA szerint), ami a vizet a burkolat széleihez hajtja és kipumpálja, magával vive a finom részecskéket egy eróziós pumpálásnak nevezett folyamatban. Ez a pumpáló hatás progresszíven szélesíti a leválással érintett területet és törmeléket juttat a határfelületbe, tovább akadályozva az újrakötődést.

Az FOD (Idegen Tárgyak Törmeléke) képződése különös aggodalomra ad okot a repülőtéri burkolatoknál. A nem észlelt leválással érintett burkolat idővel a felszínre törhet a forgalmi terhelés hatására, kipattogzásokat és laza töredékeket hozva létre, amelyek FOD-dá válnak – komoly veszélyt jelentve a repülőgépek hajtóműveire és gumiabroncsaira. Az FAA 150/5380-6C számú Tanácsadó Körlevele kifejezetten kiemeli a burkolatleválást mint FOD-ra hajlamos állapotot, amely azonnali beavatkozást igényel a kifutópályákon, gurulóutakon és előtereken.

A leválás által kiváltott korróziós gyorsítási ciklus önfenntartó. A leválással érintett határfelületbe bejutó víz kloridokat (jégmentesítő vegyszerekből vagy tengeri kitettségből) és oxigént szállít a határfelületi zónába. Ha az aljzat betonacélt tartalmaz, a kloridok elérik az acél felületét és korróziót indítanak el. A korróziós termékek (rozsda) kitágulnak és tovább ékelik szét a határfelületet, növelve a leválással érintett területet. A megnövekedett leválás lehetővé teszi, hogy több víz és klorid jusson be, felgyorsítva a korróziót. Ez a pozitív visszacsatolási hurok a burkolat teljes elvesztését okozhatja 2-5 éven belül, ha nem észlelik, szemben a megfelelően ragasztott burkolat 15-25 éves várható élettartamával.

Vizsgálat és állapotértékelés

A leválásvizsgálat több szinten integrálódik a burkolati állapotfelmérésekbe és a hídvizsgálati protokollokba. Az Elfogadó/Elutasító megközelítést (leválással érintett vagy nem) jellemzően kiegészíti a terület számszerűsítése az állapotértékeléshez és a javítási prioritások meghatározásához.

Repülőtéri burkolati állapotfelmérések

Az ASTM D5340 (“Standard vizsgálati módszer repülőtéri burkolatok állapotindex-felméréséhez”) a leválást a betonburkolatok károsodástípusaként tartalmazza, a “foltozás” és “felületi károsodás” kategóriákba sorolva. A felmérési protokoll a láncvontatást írja elő elsődleges észlelési módszerként a burkolatleváláshoz, a következő súlyossági szintekkel:

• Alacsony súlyosság: A leválással érintett terület a teljes burkolatfelület kevesebb mint 5%-a, nincs látható felületi repedezés vagy kipattogzás
• Közepes súlyosság: A leválással érintett terület a teljes burkolatfelület 5-15%-a, enyhe felületi repedezés vagy kipattogzás a leválással érintett területek szélein
• Magas súlyosság: A leválással érintett terület a teljes burkolatfelület több mint 15%-a, látható felületi repedezés, kipattogzás vagy FOD-képződés

A PCI (Burkolati Állapotindex) levonási értéke a leválás esetében a súlyossággal és a kiterjedéssel nemlineárisan növekszik. Az ASTM D5340 leválásra vonatkozó PCI-levonási görbéje azt mutatja, hogy a magas súlyosságú, egy burkolati szakasz 30%-át lefedő leválás 50 feletti levonási értéket produkál (egy 0-100 skálán), ami “gyenge” burkolati besorolásnak felel meg.

Hídpályalemez-vizsgálat

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

• 1. állapot (Jó): Nincs észlelt leválás
• 2. állapot (Megfelelő): A leválással érintett terület a pályalemez területének kevesebb mint 10%-a, nincs aktív korróziós elszíneződés
• 3. állapot (Gyenge): A leválással érintett terület a pályalemez területének 10-30%-a, korróziós elszíneződés látható a hézagoknál vagy repedéseknél
• 4. állapot (Súlyos): A leválással érintett terület a pályalemez területének több mint 30%-a, aktív kipattogzás feltárt vasalással, keresztmetszet-veszteség

Vizsgálati gyakoriság

Automatizált leválásészlelés

A számítógépes látás és gépi tanulás területén elért legújabb fejlesztések lehetővé tették a leválás automatizált észlelését felületi képekből és drón alapú termikus felmérésekből. A feliratozott kopogtatásos adatokon tanított mélytanuló modellek képesek osztályozni a burkolatfelületi állapotokat nagy felbontású képeken azáltal, hogy azonosítják a jellegzetes repedésmintázatokat (térképszerű repedések, félhold alakú repedések), amelyek összefüggésben állnak a felszín alatti leválással. A termikus képek elemzése konvolúciós neurális hálózatokkal (CNN) automatikusan képes szegmentálni a termikus képeket leválással érintett és egészséges régiókra, kontrollált vizsgálatokban 85%-ot meghaladó pontossággal. A TarmacView vizsgálati platformja integrálja az automatizált leválásészlelést drón- és járműre szerelt kamerás felmérésekből, számszerűsített leváláskiterjedési térképeket biztosítva súlyossági osztályozással a burkolatok és javítások állapotértékeléséhez.

Leválással érintett burkolatok és javítások javítása

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

Epoxi injektálás elszigetelt leváláshoz

Kis, elszigetelt leválással érintett területeken (a teljes ragasztott terület kevesebb mint 10%-a), ahol a határfelület nem szennyezett törmelékkel vagy korróziós termékekkel, epoxi injektálás segítségével helyreállítható a kötés. Az eljárás az ASTM C881 (“Epoxigyanta-alapú kötőrendszerek betonhoz – szabványos előírás”) szerint történik, amely meghatározza az epoxi típusára és minőségére vonatkozó követelményeket. Az injektálási folyamat a következő lépésekből áll:

1. Injektálási portok fúrása 300-600 mm (12-24 hüvelyk) távolságban a leválással érintett terület mintázata mentén
2. A kerület lezárása a leválással érintett terület körül gyorskötésű epoxival vagy habarccsal a befecskendezett anyag megtartására
3. Alacsony viszkozitású epoxi injektálása (IV. típus, 1. osztály az ASTM C881 szerint) 0,3-0,7 MPa (50-100 psi) nyomáson, a legalacsonyabb porttól kezdve felfelé haladva a levegő kiszorítására a leválási üregből
4. Ellenőrzés ismételt kopogtatással az epoxi kötésének megszilárdulása után (minimum 24 óra 20°C-on)

Az epoxi injektálás 80-100%-ban helyreállíthatja az eredeti tervezési kötési szilárdságot, ha tiszta, száraz leválással érintett határfelületen alkalmazzák. A módszer nem hatékony, ha a határfelület olajjal, szennyeződéssel vagy korróziós termékekkel szennyezett, mivel az epoxi a szennyeződéshez tapad, nem a betonfelületekhez. A hatékony epoxi injektálás maximális leválási mélysége körülbelül 50 mm (2 hüvelyk) – mélyebb leválások esetén az injektálási útvonalak túl hosszúak a teljes kitöltéshez.

Eltávolítás és pótlás

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

1. A leválás határának megjelölése részletes kopogtatással meghatározva (150 mm-es vagy 6 hüvelykes rácsosztással)
2. A kerület fűrészelése minimum 150 mm-rel (6 hüvelyk) a leválás határán túl, az egészséges, ragasztott anyagba
3. A leválással érintett anyag eltávolítása szabályozott bontással, maximum 15 kg (30 lb) légkalapácsot használva, a leválással érintett oldalról az egészséges anyag felé haladva a szomszédos területek kötésének károsításának elkerülése érdekében
4. Az aljzatfelület újbóli előkészítése CSP 7-9 fokozatra szórószemcse-szórással vagy vízsugár-bontással
5. Az aljzat tisztítása és nedvesség-állapotának beállítása SSD állapotra
6. Kötőanyag felhordása a gyártó előírásai szerint (jellemzően cementpép 1:1 víz-cement aránnyal vagy ASTM C1059-nek megfelelő kereskedelmi kötőanyag)
7. A javítóanyag pótlása az eredeti burkolattal/javítással azonos vagy kompatibilis anyaggal

A burkolat területének 30%-át meghaladó kiterjedt leválás esetén a teljes burkolat eltávolítása és pótlása jellemzően költséghatékonyabb, mint a szelektív javítás. A megmaradt ragasztott anyag feszültségkoncentrációs pontokként viselkedne, ha részben eltávolítják, és a több kis terület foltozása számos új határfelületi kerületet hoz létre, amelyek potenciális jövőbeli leválási kezdőpontok.

FRP-leválás javítása

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

1. Az összes leválással érintett FRP eltávolítása legalább 50 mm-rel (2 hüvelyk) a láthatóan leválással érintett területen túl
2. A feltárt betonfelület vizsgálata károsodás szempontjából (korróziós elszíneződés, repedezés vagy aljzatromlás)
3. Az aljzat károsodásának javítása kompatibilis javítóanyagokkal az ACI 546.3R szerint
4. A felület újbóli előkészítése köszörüléssel CSP 3-5 fokozatra (sima, mint a burkolat-előkészítésnél, mivel az FRP a tapadó kötést használja elsődleges mechanizmusként, nem a mechanikai reteszelést)
5. Új FRP alkalmazása a gyártó előírásai szerint, minimum 150 mm-rel (6 hüvelyk) túlnyúlva az eltávolítási határon az átfedési toldáshoz
6. 100%-os kopogtatásos teszt elvégzése a telepítés után az ACI 440.2R szerint

Az FRP-leválás észlelésének protokollja az élettartam során éves kopogtatásos teszteket foglal magában a teljes FRP-felületen, időközi felmérésekkel minden jelentős túlterhelési esemény (földrengés, ütközés, erős szél) után. Ha a leválás bármely felmérésnél meghaladja az FRP területének 5%-át, azonnali javítás szükséges az ACI 440.2R szerint.

Nyíró kapcsolóelemek burkolat újraragasztásához

Olyan leválással érintett burkolatoknál, ahol az eltávolítás és pótlás nem kivitelezhető (pl. szerkezeti hídelemeken lévő burkolatok, ahol az eltávolítás kitenné a szerkezetet a forgalomnak), nyíró kapcsolóelemek biztosíthatnak mechanikai újraragasztást. Rozsdamentes acél vagy horganyzott kapcsolóvasak (12-16 mm átmérőjű, 150-200 mm hosszú) beépítése történik a burkolaton keresztül az aljzatba fúrással, a lyukak tisztításával és a kapcsolóvasak epoxi habarccsal történő kiöntésével, az ASTM C881 szerint. A kapcsolóvasakat jellemzően 600 mm-es (24 hüvelykes) közökkel helyezik el rácsos mintázatban a leválással érintett területen, minimum 150 mm él távolsággal a leválás határától. A nyíró kapcsolóelemeken keresztüli helyreállított kötési kapacitás jellemzően 30-50%-a a kapcsolónkénti eredeti ragasztott kapacitásnak, így a kapcsolók számát a várható határfelületi nyírófeszültség alapján kell kiszámítani a végső tehernél.

Szabványok összefoglalása