Złącze robocze w betonie

Definicja i cel

Złącze robocze to celowa, zaplanowana powierzchnia styku między dwoma kolejnymi układanymi warstwami betonu. Zgodnie z ACI CT-16 (Słownictwo betonowe), definiowane jest jako „powierzchnia, na której stykają się dwie kolejne warstwy betonu; zazwyczaj planowana i lokalizowana w celu ułatwienia prac budowlanych lub powstająca w wyniku nieprzewidzianych opóźnień w układaniu betonu.” ACI 224.3R-95 (Złącza w konstrukcjach betonowych) — podstawowy raport ACI dotyczący projektowania, wykonywania i utrzymania złączy — definiuje złącza robocze jako „złącza umieszczane w celu określenia zakresu poszczególnych wylewów, zazwyczaj zgodnie z wcześniej ustalonym planem złączy. Umożliwiają one poślizg w płaszczyźnie, chyba że są przewiązane zbrojeniem.”

Podstawowym celem złącza roboczego jest umożliwienie prowadzenia prac betonowych w oddzielnych, zarządzalnych etapach przy jednoczesnym zachowaniu ciągłości konstrukcyjnej między wylewami. Żadna konstrukcja betonowa o znaczących rozmiarach nie może być wykonana monolitycznie — praktyczne ograniczenia tempa dostaw betonu, wydajności deskowania, wielkości ekipy i sprzętu do układania wymagają planowanych przerw. Prawidłowo zaprojektowane i wykonane złącze robocze przenosi siły ścinające, osiowe i zginające przez powierzchnię styku poprzez kombinację trzech mechanizmów: współdziałania kruszywa z celowo zszorstkowanej powierzchni, tarcia ścinającego zbrojenia przechodzącego przez płaszczyznę złącza oraz wiązania chemicznego między starym a nowym betonem.

Złącza robocze należy wyraźnie odróżnić od innych typów złączy. Złącza skurczowe (zwane również kontrolnymi) to osłabione płaszczyzny tworzone przez nacinanie lub formowanie w celu kontroli pękania wywołanego skurczem wysychania i skurczem termicznym — są one projektowane tak, aby pękały. Dylatacje zapewniają całkowite oddzielenie sąsiednich elementów konstrukcyjnych, umożliwiając niezależny ruch pod wpływem rozszerzalności termicznej, pełzania i skurczu. Złącza robocze znajdują się pomiędzy nimi — są to powierzchnie styku konstrukcyjnego, które muszą zachować ciągłość przenoszenia sił przez płaszczyznę. Zgodnie z ACI 224.3R-95, kluczowe różnice polegają na tym, że złącza robocze umożliwiają względny poślizg w płaszczyźnie, chyba że są przewiązane zbrojeniem, podczas gdy złącza skurczowe celowo pękają, a dylatacje zapewniają całkowitą separację.

Kluczowy przepis projektowy dotyczący złączy roboczych znajduje się w ACI 318-19 Sekcja 26.5.6. Norma nakazuje, aby złącza robocze były lokalizowane tak, aby minimalizować ich wpływ na wytrzymałość konstrukcji, aby złącza były projektowane zgodnie z przepisami dotyczącymi tarcia ścinającego z Sekcji 22.9, gdy wymagane jest przenoszenie ścinania, aby powierzchnia stwardniałego betonu była oczyszczona z mleczka cementowego, brudu i zanieczyszczeń, a tam gdzie wymagane jest tarcie ścinające, powierzchnia musi być celowo zszorstkowana do pełnej amplitudy około 1/4 cala (6 mm). Konsekwencje niewłaściwego przygotowania powierzchni są określone ilościowo w ACI 318, Tabela 22.9.4.2, która podaje wartości współczynników tarcia ścinającego. Dla betonu układanego na stwardniałym betonie z celowym zszorstkowaniem współczynnik wynosi μ = 1,0λ. Dla betonu układanego na stwardniałym betonie bez zszorstkowania współczynnik spada do μ = 0,6λ — co stanowi 40% redukcję projektowej nośności na ścinanie.

Planowane a awaryjne złącza robocze

Złącza robocze dzielą się na dwie kategorie w zależności od okoliczności ich powstania.

Planowane złącza robocze są pokazane na rysunkach kontraktowych i uwzględnione w projekcie konstrukcji. Ich lokalizacje są dobierane tak, aby spełniać wymagania konstrukcyjne, jednocześnie ułatwiając prace budowlane. Zgodnie z ACI 318-19 Sekcja 26.5.6.1(a), złącza w belkach są zazwyczaj przesunięte na odległość równą dwukrotności szerokości elementu przecinającego od lica belek lub słupów. W płytach złącza lokalizuje się w pobliżu punktów w ćwierćrozpiętości, gdzie momenty zginające są najmniejsze. W słupach złącza umieszcza się co najmniej 2 cale (50 mm) poniżej najniższego spodu belek lub dźwigarów wchodzących w słup. Ciągłość zbrojenia przez złącze jest projektowana i szczegółowo określona na rysunkach konstrukcyjnych, a przygotowanie powierzchni jest określone jako wymóg kontraktowy. Mechanizm tarcia ścinającego zgodnie z ACI 318-19 Sekcja 22.9 jest wyraźnie sprawdzany w projekcie, przy czym wymagane zbrojenie oblicza się jako Avf = Vu / (φ fy μ).

Awaryjne (nieplanowane) złącza robocze powstają, gdy nieoczekiwana przerwa wymusza zatrzymanie betonowania. Typowe przyczyny to opóźnienia w dostawie betonu przekraczające 30 minut, awaria pompy lub przenośnika, uszkodzenie wibratora, nagła zmiana pogody, w tym ulewny deszcz, awaria lub nieszczelność deskowania, lub osiągnięcie przez beton wiązania początkowego przed zakończeniem wylewu. Gdy opóźnienie wymusza powstanie awaryjnego złącza, inżynier lub inspektor musi natychmiast ocenić, czy lokalizacja przerwy jest akceptowalna. Zgodnie z ACI 302.1R (Przewodnik dotyczący posadzek i płyt betonowych), wykonawca musi wykonać grodzę w miejscu, gdzie beton jest jeszcze urabialny. Powstałe złącze należy następnie potraktować z takim samym przygotowaniem powierzchni jak złącze planowane — usunięcie mleczka cementowego przez piaskowanie lub hydrodemolicję i zszorstkowanie do amplitudy 1/4 cala. Inżynier konstrukcji musi zweryfikować, czy lokalizacja awaryjnego złącza jest odpowiednia dla sił działających w tym przekroju i może wymagać dodatkowego zbrojenia lub kołków przez złącze.

Kluczowym rozróżnieniem między planowanym i awaryjnym złączem a zimnym złączem jest to, czy beton osiągnął wiąganie początkowe przed kolejnym układaniem. Jeśli powierzchnia jest jeszcze plastyczna i można ją ponownie wymieszać ze świeżym betonem (w ciągu około 30–45 minut w normalnych warunkach), złącze w ogóle nie powstaje — beton pozostaje monolityczny. Jeśli powierzchnia przekroczyła wiązanie początkowe (zazwyczaj 2–4 godziny po wymieszaniu) i jest odpowiednio przygotowana, powstaje akceptowalne złącze robocze. Jeśli powierzchnia przekroczyła wiązanie początkowe i nie wykonano żadnego przygotowania, efektem jest zimne złącze — wada.

Metody przygotowania złącza

Zgodnie z ACI 318-19 Sekcja 26.5.6.2(d): „Złącza robocze należy oczyścić, a mleczko cementowe usunąć przed ułożeniem nowego betonu.” Mleczko cementowe jest definiowane przez ACI CT-16 jako „warstwa słabego materiału pochodzącego z materiałów wiążących i drobnych frakcji kruszywa, wynoszona na powierzchnię przez wydzielanie wody zarobowej lub oddzielająca się od mieszanki podczas układania.” Ta warstwa, zazwyczaj o grubości 1–3 mm, ma pomijalną wytrzymałość na rozciąganie i ścinanie i musi być całkowicie usunięta, aby uzyskać wiązanie konstrukcyjne między wylewami.

Cięcie na zielono (szczotkowanie na mokro)

Cięcie na zielono jest wykonywane 2 do 6 godzin po ułożeniu betonu, gdy beton jest jeszcze we wczesnej fazie twardnienia, ale jest już wystarczająco sztywny, aby nie dopuścić do wypadania kruszywa. Metoda polega na szczotkowaniu drucianym lub lekkim strumieniu wody po odparowaniu wody wydzielonej. Okno czasowe jest krytyczne — zbyt wczesne wykonanie powoduje wypadanie kruszywa i uszkodzenie powierzchni, zbyt późne wymaga metod mechanicznych. Cięcie na zielono daje najlepsze efekty wiązania spośród wszystkich metod, ponieważ usuwa mleczko cementowe, gdy kruszywo jest jeszcze dobrze zakotwiczone w zaczynie, odsłaniając czyste kruszywo do mechanicznego współdziałania z kolejnym wylewem. Eliminuje potrzebę wtórnego przygotowania powierzchni i jest preferowaną metodą dla poziomych złączy roboczych w płytach i ścianach.

Piaskowanie

Piaskowanie wykorzystuje sprężone powietrze do wyrzucania materiału ściernego na powierzchnię betonu. Typowe parametry aplikacji to ciśnienie powietrza 90–100 psi na dyszy, materiał ścierny taki jak piasek kwarcowy (gradacja nr 8 do nr 30), żużel lub granat, oraz wydajność 2–5 stóp² na minutę na dyszę przy lekkim czyszczeniu. Profil powierzchni mieści się w zakresie od ICRI CSP (Profil powierzchni betonu) 3 do 7, przy czym lekkie czyszczenie osiąga CSP 3–5, a umiarkowane CSP 5–7. Głębokość usuwania wynosi zazwyczaj 1/16 do 1/8 cala (1,5–3 mm). Raport USBR dotyczący najlepszych praktyk (MERL 12-17) zaleca piaskowanie na mokro dla poziomych złączy roboczych w celu kontrolowania pyłu w powietrzu i poprawy wykończenia powierzchni. Piaskowanie na sucho jest skuteczne, ale generuje znaczne ilości krystalicznej krzemionki w powietrzu i wymaga ochrony dróg oddechowych zgodnie z normami OSHA.

Hydrodemolicja (strumieniowanie wodne pod wysokim ciśnieniem)

Hydrodemolicja wykorzystuje strumienie wody pod ultrawysokim ciśnieniem 10 000 do 40 000 psi (70–275 MPa) przy przepływie 15–40 GPM do selektywnego usuwania zniszczonego lub słabego betonu, pozostawiając odsłonięte zdrowe kruszywo. Ta metoda jest uznawana przez ACI 546R (Przewodnik naprawy betonu) za preferowaną metodę przygotowania złączy na dużą skalę. Kontrola głębokości jest doskonała, umożliwiając selektywne usuwanie 1/4 do 1 cala (6–25 mm) materiału powierzchniowego. Profil powierzchni wynosi CSP 5–9 zgodnie z Wytycznymi ICRI nr 03732. Efektywna wydajność waha się od 5 do 30 jardów kwadratowych na godzinę, w zależności od ciśnienia wody i jakości betonu. Hydrodemolicja zapewnia najlepszą powierzchnię wiązania spośród wszystkich metod mechanicznych, ponieważ odsłania czyste, spękane kruszywo bez mikropęknięć w podłożu — w przeciwieństwie do młotkowania lub kucia, które powodują uszkodzenia podpowierzchniowe.

Środki wiążące

Środki wiążące są nakładane na przygotowane powierzchnie złączy bezpośrednio przed ułożeniem nowego betonu. Opcje materiałowe obejmują epoksydowe środki wiążące (ASTM C881 Typ I/II, Klasa 2/3), skuteczne w przypadku cienkich nakładek i napraw konstrukcyjnych; zaprawy cementowe (stosunek cementu do piasku 1:1 lub 1:2), które muszą być nakładane w czasie ich wysychania; akrylowe/PVA środki wiążące (modyfikowane polimerami), dopuszczalne do zastosowań niekonstrukcyjnych; oraz czystą pastę cementową, która po wyschnięciu nie ma żadnej wartości wiążącej.

Krytyczne ustalenie z USBR MERL 12-17 (Najlepsze praktyki przygotowania powierzchni betonu przed naprawami i nakładkami) jest takie, że środki wiążące nie są zalecane do napraw konstrukcyjnych i nakładek, gdzie wymagane jest przenoszenie sił ścinających. Mechaniczne współdziałanie poprzez zszorstkowanie powierzchni — a nie wiązanie chemiczne — jest podstawowym mechanizmem przenoszenia ścinania przez złącza robocze. Optymalny ICRI CSP dla złączy konstrukcyjnych to CSP 5–9. Jeśli powierzchnia jest zbyt gładka (CSP 1–3), wiązanie na ścinanie jest zmniejszone nawet o 50%. Jeśli powierzchnia jest nadmiernie chropowata (CSP 9+), na powierzchni styku mogą powstawać pory powietrzne i rakowiny. Średnia głębokość tekstury metodą piaskową (ASTM D5820) powinna wynosić minimum 0,5 mm dla złączy niekonstrukcyjnych i do 3 mm dla złączy krytycznych ze względu na ścinanie.

Zimne złącze: definicja i konsekwencje

Zimne złącze definiowane jest jako „płaszczyzna osłabienia w betonie spowodowana ułożeniem świeżego betonu na betonie, który już zaczął wiązać (nastąpiło wiązanie początkowe), co skutkuje słabym lub żadnym wymieszaniem się dwóch partii betonu.” Podczas gdy złącze robocze jest planowane, z przygotowaniem powierzchni i projektem przenoszenia sił ścinających, zimne złącze jest nieplanowane — spowodowane opóźnieniami, niewystarczającym planowaniem lub awarią sprzętu i zazwyczaj pozbawione jakiegokolwiek przygotowania powierzchni.

Krytyczne okno czasowe dla powstania zimnego złącza jest określone przez czas wiązania początkowego betonu. W normalnych warunkach pogodowych w temperaturze 70°F (21°C) maksymalne dopuszczalne opóźnienie między kolejnymi układanymi warstwami betonu wynosi 30 do 45 minut. W upalne dni w temperaturze 90°F (32°C) okno czasowe zawęża się do 20 do 30 minut. W chłodne dni w temperaturze 40°F (4°C) okno wydłuża się do 45 do 60 minut. Dla betonu o przyspieszonym wiązaniu okno może wynosić zaledwie 10–20 minut. Dla mieszanek z opóźniaczami może wydłużyć się do 60–90 minut. Nadrzędna zasada jest następująca: jeśli wcześniej ułożony beton osiągnął wiązanie początkowe (zazwyczaj 2–4 godziny po wymieszaniu, w zależności od temperatury, rodzaju cementu i stosunku wodno-cementowego), powstanie zimne złącze niezależnie od czasu.

Konsekwencje konstrukcyjne zimnych złączy są poważne. Redukcja wytrzymałości wiązania wynosi od 40 do 60% w porównaniu z prawidłowo przygotowanymi złączami roboczymi, co zostało udokumentowane badaniami USBR i komitetów ACI. Wzrost przepuszczalności nawet do 10 razy w stosunku do wartości normalnych, ponieważ zimne złącze tworzy ciągłą ścieżkę kapilarną wzdłuż płaszczyzny styku, stanowiąc bezpośrednią drogę dla wody, chlorków i innych agresywnych czynników do wnętrza betonu. Korozja zbrojenia jest przyspieszona, gdy chlorki i wilgoć migrują wzdłuż płaszczyzny złącza, docierając do zatopionej stali. Podczas zdarzeń sejsmicznych zimne złącza tworzą preferencyjne płaszczyzny zniszczenia, gdzie przenoszenie sił ścinających jest niewystarczające. Przecieki są częstym problemem w konstrukcjach wodnych, takich jak zbiorniki, baseny i ściany poniżej poziomu gruntu, gdzie woda znajduje najłatwiejszą drogę przepływu wzdłuż niezwiązanej powierzchni styku.

Inspekcja złączy roboczych

Inspekcja złączy roboczych jest kluczowym elementem oceny stanu technicznego konstrukcji betonowych. Inspekcja musi określić, czy złącze działa zgodnie z projektem, czy występuje wada w postaci zimnego złącza oraz czy wymagana jest naprawa.

Opukiwanie łańcuchem (ASTM D4580)

Opukiwanie łańcuchem polega na przeciąganiu ciężkich łańcuchów (wielu odcinków łańcucha o grubości 3/8 do 5/8 cala, długości 3–6 stóp) po powierzchni betonu. Czysty, dźwięczny metaliczny odgłos wskazuje na zdrowy beton z dobrym wiązaniem na płaszczyźnie złącza. Głuchy odgłos lub pusty dźwięk wskazuje na rozwarstwienie lub odspojenie na powierzchni styku złącza. Grzmotliwy dźwięk wskazuje na płytkie rozwarstwienie. Podręcznik inspektora mostów FHWA nakazuje coroczną inspekcję pomostów mostów metodą opukiwania łańcuchem, ze szczególnym uwzględnieniem obszarów w odległości do 6 cali od złączy roboczych. Ograniczenia zgodnie z Podręcznikiem inspekcji konstrukcji WisDOT obejmują nieskuteczność na pomostach pokrytych asfaltem, niemożność określenia głębokości wady, zakłócenia od hałasu tła powyżej 70 dB oraz wysiłek fizyczny związany z ręcznym wykonywaniem badania.

Opukiwanie młotkiem

Opukiwanie młotkiem polega na stukaniu młotkiem (16–20 uncji) w regularnych odstępach, zazwyczaj na siatce 6 cali (150 mm) w przypadku szczegółowej inspekcji lub losowo w przypadku szybkiego przeglądu. Ostry dźwięczny odgłos wskazuje na zdrowy monolityczny beton. Głuchy trzask lub pusty dźwięk wskazuje na rozwarstwienie lub odspojenie. Dudniący dźwięk wskazuje na rozległe rozdzielenie na płaszczyźnie złącza. Zgodnie z ASTM D4580, opukiwanie młotkiem jest podstawową metodą wykrywania rozwarstwień w pomostach mostów.

Badanie przyczepności metodą pull-off (ASTM C1583)

Badanie pull-off zapewnia ilościowy pomiar wytrzymałości wiązania w złączach roboczych. Metoda polega na przewierceniu przez powierzchnię styku złącza na głębokość sięgającą podłoża (zazwyczaj 2 cale średnicy), przyklejeniu stalowej tarczy do powierzchni za pomocą epoksydu o wysokiej wytrzymałości i przyłożeniu hydraulicznego obciążenia rozciągającego z prędkością około 5 psi/s aż do wystąpienia zniszczenia. Kryteria akceptacji zgodnie z ACI 562 wymagają minimalnej wytrzymałości wiązania na rozciąganie wynoszącej 200 psi (1,4 MPa) dla napraw konstrukcyjnych. Naprawy niekonstrukcyjne wymagają 150 psi (1,0 MPa). Nakładki na pomostach mostów zazwyczaj wymagają 250 psi (1,7 MPa), a naprawy nawierzchni lotniskowych zgodnie z FAA P-501 wymagają 300 psi (2,1 MPa).

Dla każdego badania rejestruje się tryb zniszczenia: Tryb A to zniszczenie adhezyjne na powierzchni styku nakładki/podłoża (zniszczenie wiązania), Tryb B to zniszczenie kohezyjne w betonie podłoża, Tryb C to zniszczenie kohezyjne w materiale nakładki/naprawczym, a Tryb D to zniszczenie adhezyjne na powierzchni styku epoksydu/tarczy stalowej (badanie nieważne). Pożądanym typem zniszczenia jest Tryb B, wskazujący, że wytrzymałość wiązania przekracza wytrzymałość na rozciąganie betonu podłoża.

Ultrasoniczna pomiar prędkości fali (ASTM C597)

Badanie ultrasoniczne (UPV) mierzy prędkość impulsów ultradźwiękowych przechodzących przez beton. Gdy ścieżka impulsu przecina złącze robocze, prędkość maleje, jeśli strefa złącza ma słabe wiązanie, puste przestrzenie lub rozwarstwienia. Typowa prędkość impulsu dla zdrowego betonu wynosi od 3500 do 4500 m/s. Spadek prędkości o więcej niż 15% przez złącze wskazuje na niską jakość wiązania. Prędkości poniżej 3000 m/s wskazują na puste przestrzenie lub słaby kontakt na powierzchni styku złącza. Badanie UPV jest skuteczne do szybkiego skriningu dużych powierzchni i umożliwia mapowanie zasięgu stref odspojeń.

Pobieranie rdzeni (ASTM C42)

Pobieranie rdzeni zapewnia bezpośrednią obserwację powierzchni styku złącza. Rdzenie są pobierane przez złącze i badane wizualnie pod kątem pustek, rakowin, warstw mleczka cementowego lub braku wiązania zaczynu. Badania laboratoryjne mogą obejmować wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu przez płaszczyznę złącza oraz badanie wytrzymałości wiązania zgodnie z ASTM C1583. Obserwacja rdzenia ujawnia również obecność i stan zbrojenia przechodzącego przez złącze.

Hydroizolacja złączy roboczych

Złącza robocze są najbardziej narażonymi miejscami w konstrukcjach betonowych z punktu widzenia hydroizolacji. Dane branżowe wskazują, że ponad 90% przecieków wody w konstrukcjach betonowych występuje w złączach, przy czym złącza robocze stanowią główne źródło. Wnikająca przez złącza robocze woda prowadzi do korozji zbrojenia, degradacji betonu, uszkodzeń mrozowych w zimnym klimacie oraz zalewania wnętrz w użytkowanych konstrukcjach.

Wkładki PVC (waterstopy)

Wkładki PVC są tradycyjnym rozwiązaniem hydroizolacyjnym dla złączy roboczych. Wykonane są z elastycznego plastyfikowanego PVC spełniającego normę ASTM D4314, dostępne w profilach takich jak: hantlowy, żebrowany, z centralną bańką i z siatką rozdarcia. Szerokość wynosi od 4 do 12 cali (100–300 mm), a grubość od 3/16 do 1/2 cala (5–12 mm). Wartość ciśnienia hydrostatycznego sięga do 200 stóp (60 metrów) słupa wody, w zależności od szerokości i profilu. Instalacja polega na zatopieniu wkładki w 50% po każdej stronie złącza, przy czym połączenia są zgrzewane na gorąco w fabryce lub na budowie. Głównym ograniczeniem jest to, że wkładki PVC są łatwo uszkadzane podczas układania betonu, a uszkodzenia są niewykrywalne aż do wystąpienia przecieku. Ogólna zasada mówi, że szersze profile o większej grubości zapewniają wyższą odporność hydrostatyczną.

Hydrofilowe (pęczniejące) wkładki uszczelniające

Hydrofilowe wkładki uszczelniające pęcznieją w kontakcie z wodą, uszczelniając złącze. Typy na bazie bentonitu pęcznieją do 16-krotności swojej suchej objętości w kontakcie z wodą, skuteczne przy słupie wody do 30–50 stóp, ale mogą ulegać degradacji po cyklicznym narażeniu na mokro-sucho. Typy na bazie poliuretanu pęcznieją do 350% pierwotnej objętości, wymagają 24-godzinnego utwardzenia przed betonowaniem i muszą być utrzymywane w suchości podczas instalacji. Hydrofilowe taśmy gumowe (takie jak WATERSTOP HPW firmy W.R. Meadows) dają gładką powierzchnię wykończeniową i są skuteczne w nieruchomych złączach roboczych. Zaletą systemów hydrofilowych jest łatwiejszy montaż niż w przypadku PVC, ale mają one ograniczoną żywotność w warunkach cyklicznego narażenia i mogą być uszkodzone przez przedwczesny kontakt z wodą przed utwardzeniem betonu.

Krystaliczne systemy hydroizolacyjne

Integralne krystaliczne systemy hydroizolacyjne (ICW) wykorzystują opatentowane chemikalia, które reagują z wodą i produktami hydratacji cementu, tworząc nierozpuszczalne struktury krystaliczne w porach i kapilarach betonu. Główni producenci to Kryton (system Krystol Waterstop), Xypex (koncentrat Xypex) i Penetron (domieszka/do złączy Penetron). Systemy te oferują kilka zalet w porównaniu z tradycyjnymi wkładkami: zdolność do samouszczelniania — kontakt z wodą wyzwala dodatkowy wzrost kryształów w celu wypełnienia nowo powstałych mikropęknięć; oszczędności kosztów sięgające 50% w porównaniu z systemami PVC lub bentonitowymi; prosty montaż niewymagający wykwalifikowanej siły roboczej (nakładany jako zaczyn cementowy); możliwość zastosowania w istniejących przeciekających złączach; oraz trwałość równą trwałości samego betonu, niepodlegającą mechanizmom degradacji, które wpływają na systemy PVC i hydrofilowe.

Systemy węży iniekcyjnych

Systemy węży iniekcyjnych składają się z pustych rurek (PVC lub guma) instalowanych wzdłuż złącza przed drugim wylewem betonu. Po utwardzeniu betonu, pod ciśnieniem wtłaczana jest do węży zaprawa iniekcyjna (poliuretanowa, akrylowa lub epoksydowa) w celu wypełnienia wszelkich pustek lub szczelin na powierzchni styku złącza. Typy z możliwością ponownej iniekcji umożliwiają wielokrotne wstrzykiwanie, jeśli złącze się poruszy lub uszczelnienie ulegnie awarii. Systemy te są stosowane przede wszystkim do planowanego aktywnego uszczelniania w krytycznych konstrukcjach wodoszczelnych, takich jak zbiorniki, tunele i ściany poniżej poziomu gruntu.

Złącza robocze w pomostach mostów

Złącza robocze pomostów mostów podlegają AASHTO LRFD Bridge Design Specifications oraz Podręcznikowi inspektora mostów FHWA. Zgodnie z AASHTO LRFD Sekcja 5.14, złącza robocze w pomostach mostów muszą być lokalizowane tak, aby minimalizować ich wpływ na nośność konstrukcyjną, wszystkie złącza robocze muszą być projektowane do przenoszenia sił ścinających z wykorzystaniem przepisów dotyczących tarcia ścinającego, odpowiadających ACI 318-19 Sekcja 22.9, a powierzchnie złączy muszą być celowo zszorstkowane do minimalnej amplitudy 1/4 cala (6 mm).

AASHTO LRFD Tabela 5.14.5.3-1 określa minimalne zbrojenie przez złącza robocze: 0,15 cala²/stopę dla złączy podłużnych i 0,05 cala²/stopę dla złączy poprzecznych. Kołki do przenoszenia obciążeń mają zazwyczaj średnicę od 1 cala do 1,25 cala, z powłoką epoksydową, w rozstawie co 12–18 cali.

Badanie NCHRP Synthesis 319 objęło ankietą stanowe agencje transportu dotyczące wydajności złączy pomostów mostów. Kluczowe ustalenia obejmują, że 60% ankietowanych agencji stosuje uszczelki kompresyjne jako podstawowy system złączy pomostów, 30% stosuje uszczelki taśmowe, a 10% stosuje wylewane masy uszczelniające. Złącza robocze są zazwyczaj lokalizowane w punktach jednej trzeciej rozstawu dźwigarów — a nie nad liniami dźwigarów — aby zminimalizować koncentrację naprężeń. Typowe formy degradacji w złączach pomostów obejmują wyciskanie i niszczenie mas uszczelniających, wyszczerbienia na krawędziach złączy, przecieki wody przez złącza na konstrukcję nośną, odspajanie nakładek w miejscach złączy roboczych oraz korozję zbrojenia przyspieszoną przez wodę z chlorkami penetrującą wzdłuż płaszczyzny złącza.

Podręcznik inspektora mostów FHWA określa, że pomosty mostów muszą być corocznie opukiwane łańcuchem w celu wykrycia rozwarstwień. Obszary z podejrzeniem rozwarstwień w złączach roboczych należy potwierdzić rdzeniowaniem. Częstotliwość opukiwania w obrębie złączy roboczych wymaga inspekcji w odległości do 6 cali od złącza po obu stronach. W przypadku połączeń pomost-dźwigar, powierzchnie złączy wymagają celowego zszorstkowania do minimalnej amplitudy 1/4 cala zgodnie z FHWA-HIF-12-020. Wyjątkiem są połączenia z betonu o ultra-wysokiej wytrzymałości (UHPC), gdzie samo piaskowanie ścierne jest wystarczające ze względu na wyjątkowe właściwości wiązania UHPC.

Złącza robocze w nawierzchniach lotniskowych z PCC

Złącza robocze w nawierzchniach lotniskowych z cementowego betonu portlandzkiego (PCC) podlegają Okólnikowi doradczemu FAA AC 150/5370-10H (Specyfikacje standardowe dla budowy lotnisk), pozycja P-501 (Nawierzchnie betonowe cementowe), z wymaganiami przywołanymi przez ICAO Annex 14 (Lotniska, Tom I – Projektowanie i eksploatacja lotnisk).

FAA P-501 określa cztery typy złączy dla nawierzchni lotniskowych: poprzeczne złącza skurczowe w rozstawie 15–20 stóp, nacinane na 1/4 głębokości płyty i uszczelniane; podłużne złącza robocze na liniach pasów (rozstaw 12,5–25 stóp), przewiązane prętami żebrowanymi lub kołkowane; poprzeczne złącza robocze na końcu każdego dnia układania, kołkowane do przenoszenia obciążeń; oraz dylatacje przy konstrukcjach i zmianach przekroju, z pełną głębokością wypełnienia materiałem ściśliwym.

Wymagania dotyczące kołków w złączach roboczych nawierzchni lotniskowych zgodnie z FAA P-501: średnica 1 cal (25 mm) dla płyt o grubości do 12 cali, 1,25 cala (32 mm) dla płyt o grubości powyżej 12 cali; długość 18 cali (457 mm) ; rozstaw 12 cali (300 mm) w osiach ; materiał — stal z powłoką epoksydową zgodnie z ASTM A775 lub stal nierdzewna; tolerancja ustawienia ±1/2 cala w pionie i ±1 cal w poziomie. Podłużne pręty wiążące to pręty żebrowane #5 (5/8 cala) do #6 (3/4 cala), gatunek 60 (420 MPa), z powłoką epoksydową, w rozstawie co 24–36 cali.

Wymagania dotyczące uszczelniania złączy zgodnie z FAA P-501 określają szerokość kanału uszczelniającego 1/4 do 3/8 cala, głębokość 1/2 do 3/4 cala (nacinanie), typ uszczelniacza — silikon zgodnie z FAA P-605 lub ASTM D5893 (lub zalewany na gorąco zgodnie z ASTM D1190/D3405/D6690), sznur denny z zamkniętokomórkowego polietylenu o 25% większej średnicy niż szerokość złącza, taśma antyadhezyjna na dnie kanału oraz stosunek głębokości do szerokości uszczelniacza wynoszący 2:1. Przygotowanie złącza do uszczelnienia wymaga, aby ściany złącza były czyste i suche, przy czym metodami czyszczenia są piaskowanie lub strumieniowanie wysokociśnieniowe zatwierdzone przez FAA, a następnie przedmuchanie powietrzem w celu usunięcia wszystkich zanieczyszczeń i pyłu. Kryteria akceptacji to brak widocznego pyłu, oleju, środka pielęgnacyjnego lub mleczka cementowego. Badanie przyczepności zgodnie z ASTM C794 (badanie odpryskowe).

Kontrola jakości w złączach zgodnie z FAA P-501 obejmuje wytrzymałość betonu na zginanie (obciążenie w punktach trzecich) — minimum 650 psi (4,5 MPa) po 28 dniach, jedna seria badań na 5000 stóp kwadratowych; ustawienie kołków — jeden na 20 prętów sprawdzany pod kątem tolerancji; przyczepność uszczelniacza złącza — jedno badanie na 500 stóp zgodnie z ASTM C794; oraz gładkość powierzchni — maksymalnie 1/8 cala na 16 stopach (3 mm na 5 metrach) pełne pokrycie.

Postanowienia ICAO Annex 14 wymagają, aby złącza w nawierzchniach sztywnych były projektowane w celu minimalizacji efektów zmian temperatury i wilgotności, aby efektywność przenoszenia obciążeń (LTE) przez złącza mierzona przy użyciu ugięciomierza dynamicznego (FWD) wynosiła co najmniej 70%, aby złącza robocze były planowane tak, aby pokrywały się z oznakowaniem nawierzchni lub liniami pasów, oraz aby uszczelniacze złączy były odporne na działanie strumienia odrzutowego, paliwa i chemikaliów odladzających.

Różnicowanie od pęknięć konstrukcyjnych

Jedną z najważniejszych umiejętności inspekcyjnych jest prawidłowe rozróżnianie trzech cech, które mogą wyglądać podobnie na powierzchni betonu: prawidłowego złącza roboczego, zimnego złącza i pęknięcia konstrukcyjnego. Każda z nich ma odrębne cechy, skutki i wymaganą reakcję.

ACI 224R (Kontrola pękania w konstrukcjach betonowych) podaje graniczne szerokości pęknięć dla różnych warunków narażenia. Dla suchego powietrza lub membrany ochronnej maksymalna dopuszczalna szerokość pęknięcia wynosi 0,016 cala (0,41 mm). Dla wilgotnego powietrza, kontaktu z wilgotną glebą — 0,012 cala (0,30 mm). Dla narażenia na chemikalia odladzające — 0,007 cala (0,18 mm). Dla wody morskiej lub mgły morskiej — 0,006 cala (0,15 mm). Dla konstrukcji wodnych — 0,004 cala (0,10 mm). Każde pęknięcie przekraczające te limity wymaga oceny.

Protokół oceny cechy przypominającej złącze o nieznanym pochodzeniu składa się z sześciu kroków. Po pierwsze, przegląd rysunków kontraktowych w celu ustalenia, czy cecha jest pokazana jako planowane złącze robocze. Po drugie, inspekcja stanu powierzchni pod kątem dowodów usunięcia mleczka cementowego, zszorstkowania lub profilu wpustu. Po trzecie, pomiar szerokości — pęknięcia przekraczające 0,016 cala wymagają oceny konstrukcyjnej. Po czwarte, sprawdzenie ruchu — zmiana szerokości pęknięcia pod obciążeniem wskazuje na aktywne pęknięcie konstrukcyjne. Po piąte, rdzeniowanie i badanie — pobranie rdzenia przez powierzchnię styku i wykonanie badania na rozciąganie przy rozłupywaniu lub badanie wytrzymałości wiązania. Po szóste, ocena przenoszenia obciążeń za pomocą FWD lub badania płytą przez tę cechę.

Naprawa wadliwych złączy roboczych

Metody naprawy wadliwych złączy roboczych są dobierane w zależności od konkretnego stanu, roli konstrukcyjnej złącza, występowania przecieków wody oraz zakresu degradacji.

Iniekcja epoksydowa (naprawa konstrukcyjna)

Iniekcja epoksydowa zgodnie z ACI RAP-1 (Naprawa pęknięć konstrukcyjnych metodą iniekcji epoksydowej) jest stosowana do konstrukcyjnej renowacji zimnych złączy i wadliwych złączy roboczych, gdzie beton jest poza tym zdrowy. Epoksyd musi spełniać ASTM C881 (Specyfikacja normatywna dla systemów wiążących na bazie żywic epoksydowych do betonu), przy czym Typ I do zastosowań nieprzenoszących obciążeń i Typ IV do napraw konstrukcyjnych przenoszących obciążenia. Wytrzymałość wiązania po 14-dniowym utwardzeniu przekracza 1500 psi. Granica plastyczności przy ściskaniu po 7 dniach przekracza 10 000 psi dla typu IV. Wytrzymałość na rozciąganie po 7 dniach przekracza 7000 psi.

Dobór lepkości zależy od szerokości złącza. Klasa 1 (niska lepkość, ≤2000 cps) stosowana jest do złączy węższych niż 0,010 cala (0,25 mm). Klasa 2 (średnia, 2000–10 000 cps) do złączy o szerokości 0,010–0,040 cala (0,25–1,0 mm). Klasa 3 (żel nieściekający) do złączy szerszych niż 0,040 cala (1,0 mm). Ciśnienie iniekcji wynosi zazwyczaj 40–200 psi dla pomp ręcznych lub 200–1000 psi dla pomp pneumatycznych, przy czym maksymalne ciśnienie jest ograniczone, aby uniknąć szczelinowania hydraulicznego betonu.

Procedura iniekcji obejmuje oczyszczenie powierzchni złącza, zainstalowanie pakietów iniekcyjnych w odstępach co 6–12 cali wzdłuż złącza, nałożenie powierzchniowej osłony (pasty epoksydowej), iniekcję epoksydu od najniższego portu, przesuwanie się w górę i na zewnątrz, utrzymywanie ciśnienia do momentu pojawienia się epoksydu w sąsiednim porcie, zakapslowanie zainiektowanego portu i przejście do następnego, pozostawienie do utwardzenia na 24–72 godziny w zależności od temperatury oraz zeszlifowanie na równo. Ograniczenia obejmują wymóg, aby złącze było suche (lub stosuje się epoksyd odporny na wilgoć), złącze nie może być w ruchu, a pęknięcia spowodowane korozją nie powinny być iniektowane epoksydem (korozja postępuje wewnętrznie).

Retorfit kołków

Retrofit kołków (DBR) jest określony zgodnie z Zaleceniem technicznym FHWA TA 5040.30 i Wytycznymi DBR ACPA dla złączy nawierzchni o efektywności przenoszenia obciążeń poniżej 60% i przeskokach złączy o 0,1–0,5 cala (3–12 mm) w konstrukcyjnie zdrowej nawierzchni. Specyfikacje zgodnie z wytycznymi ACPA: średnica kołka 1,25–1,5 cala (32–38 mm) , długość kołka 18 cali (457 mm) , rozstaw kołków 12 cali (300 mm) w osiach , wymiary szczeliny — średnica kołka plus 2 cale szerokości i głębokość do środka płyty, materiał wypełnienia — zaprawa nieszczepna lub beton szybkowiążący o minimalnej wytrzymałości na ściskanie 4000 psi (28 MPa) po 24 godzinach.

Procedura obejmuje nacinanie szczelin w wyznaczonych miejscach prostopadle do złącza, wybicie betonu na wymaganą głębokość, oczyszczenie wnęki, umieszczenie kołka w szczelinie, wypełnienie szybkowiążącym materiałem naprawczym, wykończenie i pielęgnację oraz badanie przenoszenia obciążeń za pomocą FWD. Dane dotyczące wydajności z 10-letniego badania FHWA wykazują wzrost efektywności przenoszenia obciążeń ze średnio 30% do ponad 80%, redukcję przeskoków ze średnio 0,25 cala do mniej niż 0,05 cala, przedłużenie okresu eksploatacji o 10+ lat oraz koszt w zakresie od 200 do 400 USD na kołek.

Ponowne betonowanie / naprawa częściowej głębokości

Ponowne betonowanie stosuje się, gdy krawędź złącza uległa zniszczeniu z wyszczerbieniami, pęknięciami D (D-cracking) lub rozległą degradacją, gdzie sama iniekcja epoksydowa lub DBR są niewystarczające. Procedura obejmuje nacinanie minimum 6 cali (150 mm) od złącza po obu stronach, usunięcie zniszczonego betonu do pełnej głębokości lub do zdrowego betonu, oczyszczenie i przygotowanie powierzchni, zainstalowanie nowych kołków lub prętów wiążących, ułożenie nowego betonu z użyciem materiału naprawczego szybkotwardniejącego zgodnego z ASTM C928 lub betonu konwencjonalnego, uformowanie nowej płaszczyzny złącza lub nacinanie po utwardzeniu oraz uszczelnienie złącza.

Opcje materiałowe obejmują beton szybkowiążący zgodnie z ASTM C928 Typ III (wytrzymałość na ściskanie 4000–6000 psi, czas wiązania 1–4 godziny), beton wczesnowytrzymałościowy (3000 psi w 12 godzin), beton modyfikowany polimerem (5000–8000 psi, wiązanie 2–6 godzin) oraz beton fosforanowo-magnezowy (3000–5000 psi, wiązanie 30–60 minut).

Iniekcja poliuretanowa (uszczelnianie wody)

Iniekcja poliuretanowa jest stosowana w przypadku przeciekających zimnych złączy lub złączy roboczych z aktywnym przepływem wody. Hydrofobowy poliuretan reaguje z wodą, tworząc sztywną piankę, skuteczną przy przepływach o dużym natężeniu. Hydrofilowy poliuretan pęcznieje w kontakcie z wodą, tworząc elastyczny żel, skuteczny przy przepływach przerywanych. Procedura obejmuje wiercenie otworów iniekcyjnych w odstępach co 6–12 cali wzdłuż złącza, instalowanie pakerów, wtłaczanie PU pod ciśnieniem (50–300 psi), przy czym przepływ wody zatrzymuje się w ciągu kilku sekund do minut. Typowy czas żelowania wynosi 15–60 sekund, regulowany katalizatorem. Iniekcja PU jest podstawową metodą zatrzymywania aktywnych przecieków wody w konstrukcjach poniżej poziomu gruntu, tunelach i konstrukcjach wodnych.

Przeszycie (dodawanie zbrojenia)

Przeszycie polega na dodaniu zbrojenia przez złącze, gdzie istniejąca ciągłość jest niewystarczająca. Pręty są zazwyczaj #5 do #8 (średnica 5/8 cala do 1 cala), wklejane epoksydowo zgodnie z ASTM C881 do wywierconych otworów przez złącze w obliczonym rozstawie. Głębokość wklejenia wynosi 12–24 średnice pręta (12db–24db). Badanie wyrywające musi osiągnąć co najmniej 80% granicy plastyczności. Przeszycie stosuje się w ścianach konstrukcyjnych, belkach lub płytach z niewystarczającym przenoszeniem ścinania przez płaszczyznę złącza.

Macierz doboru naprawy

Kluczowe odniesienia normatywne