Co to jest rozwarstwienie (debonding) w nakładkach betonowych i naprawach?

Definicja i mechanizm rozwarstwienia (debonding)

Rozwarstwienie (debonding) definiowane jest jako utrata przyczepności na styku między dwoma materiałami, które zostały celowo połączone podczas budowy. W infrastrukturze betonowej odnosi się to najczęściej do rozdzielenia między nakładką betonową lub materiałem naprawczym a istniejącym podłożem betonowym, lub między systemem wzmacniającym z polimerów wzmacnianych włóknami (FRP) a powierzchnią betonu, do której jest przyklejony. Amerykański Instytut Betonu (ACI) definiuje rozwarstwienie w ACI 546.3R jako „rozdzielenie materiału naprawczego lub nakładki od podłoża betonowego na styku", odróżniając je od zniszczenia kohezyjnego wewnątrz samych materiałów.

Mechanizm przyczepności na styku obejmuje trzy odrębne składniki: mechaniczne zazębienie, gdzie zaczyn cementowy z nowego materiału wnika w nierówności powierzchni podłoża, adhezję chemiczną, gdzie produkty hydratacji nowego materiału cementowego reagują z odsłoniętą powierzchnią starego betonu, oraz adhezję termodynamiczną (siły Van der Waalsa), która zależy od energii powierzchniowej i czystości podłoża. ACI 546.3R-14 („Przewodnik doboru materiałów w naprawach betonu") opisuje styk jako trójfazowy kompozyt: istniejące podłoże betonowe, materiał naprawczy lub nakładka oraz strefa przejściowa na styku (ITZ), która tworzy się między nimi. ITZ ma zwykle grubość 10-50 mikrometrów i stanowi najsłabsze ogniwo w systemie związanym.

Gdy naprężenie rozciągające lub ścinające na styku przekracza wytrzymałość przyczepności, rozwarstwienie inicjuje się jako mikropęknięcie w punkcie koncentracji naprężeń. Pod ciągłym obciążeniem lub cyklicznym oddziaływaniem środowiska pęknięcie to propaguje wzdłuż styku, tworząc płaską pustkę, która może obejmować znaczną powierzchnię. Pęknięcie na rozwarstwionym styku propaguje zwykle w układzie mieszanym (tryb I + tryb II), gdzie zarówno rozciągające naprężenia otwierające, jak i ścinające naprężenia poślizgowe przyczyniają się do wzrostu pęknięcia.

Krytyczna szybkość uwalniania energii odkształcenia (Gc) na styku jest właściwością materiałową, która kontroluje propagację rozwarstwienia. Dla styku beton-beton wartości wynoszą zwykle od 50 do 150 J/m² w zależności od jakości przygotowania powierzchni. Dla styku FRP-beton energia pękania jest zwykle niższa i wynosi od 300 do 700 N/mm dla energii pękania na jednostkę szerokości (Gf zgodnie z ACI 440.2R). Wytrzymałość przyczepności jest powszechnie określana ilościowo za pomocą testu odrywania zgodnie z ASTM C1583/C1583M, który mierzy naprężenie rozciągające wymagane do oddzielenia związanej nakładki lub naprawy od podłoża. Minimalna dopuszczalna wytrzymałość przyczepności przy odrywaniu określona przez większość norm (w tym Międzynarodowy Instytut Napraw Betonu, ICRI Guideline 03732) wynosi 1,0 MPa (145 psi) dla zastosowań wewnętrznych i 1,5 MPa (220 psi) dla zastosowań zewnętrznych narażonych na działanie mrozu.

Przyczyny rozwarstwienia

Rozwarstwienie wynika z połączenia niewystarczającego rozwoju przyczepności na styku podczas budowy oraz naprężeń przekraczających rozwiniętą wytrzymałość przyczepności w okresie eksploatacji. Przyczyny obejmują właściwości materiałowe, praktyki budowlane i warunki środowiskowe.

Niewłaściwe przygotowanie powierzchni

Najczęstszą pojedynczą przyczyną rozwarstwienia jest niewłaściwe przygotowanie powierzchni podłoża betonowego. ICRI Guideline 03732 („Przewodnik doboru i specyfikacji przygotowania powierzchni betonu pod uszczelniacze, powłoki, nakładki polimerowe i naprawy betonu") ustanawia profile powierzchni betonu (CSP) od CSP 1 (bardzo gładka) do CSP 10 (bardzo szorstka). Dla związanych nakładek betonowych wymagany jest minimalny profil CSP 5 do CSP 9, odpowiadający amplitudzie chropowatości powierzchni od 0,4 do 1,5 mm (0,016 do 0,060 cala). Profil ten osiąga się zwykle przez śrutowanie, skaryfikację, hydrodemolację lub ciężkie czyszczenie ścierne.

Podłoże musi być również w stanie nasyconym suchym (SSD) w momencie układania nakładki, co określają ACI 546.3R i Okólnik Doradczy FAA 150/5370-10 pozycja P-501. Nadmiernie suche podłoże będzie wchłaniać wodę ze świeżej nakładki, tworząc styk pozbawiony wody ze słabą hydratacją. Nadmiernie mokre podłoże tworzy warstwę wody na styku, która uniemożliwia właściwą przyczepność. Powierzchnia musi być wolna od mleczka cementowego (słabej, kredowej warstwy drobnych cząstek tworzącej się na świeżym betonie), środków pielęgnacyjnych, oleju, smaru, pyłu i innych zanieczyszczeń. ACI 546.3R określa, że podłoże powinno być przygotowane do osiągnięcia minimalnej wytrzymałości powierzchni na rozciąganie 1,0 MPa (145 psi) w teście odrywania przed ułożeniem nakładki.

Różnicowy skurcz wysychania

Różnicowy skurcz wysychania jest najczęstszym mechanizmem naprężeń powodującym rozwarstwienie nakładek betonowych. Gdy nowa nakładka cementowa jest układana na istniejącym podłożu betonowym, nakładka ulega skurczowi wysychania w miarę utraty wilgoci do otoczenia. Istniejące podłoże, które przeszło już większość swojego skurczu, ogranicza ten ruch przez związany styk. To ograniczenie wywołuje naprężenia rozciągające w nakładce i naprężenia ścinające na styku. Wielkość naprężeń ścinających zależy od różnicy skurczu między dwoma materiałami, modułu sprężystości nakładki, sztywności przyczepności na styku oraz współczynnika ograniczenia zapewnianego przez podłoże.

Typowy skurcz wysychania nakładki betonowej wynosi od 400 do 800 mikroatomień (0,04% do 0,08%) w zależności od współczynnika woda-cement, rodzaju kruszywa, warunków pielęgnacji i wilgotności względnej otoczenia. Dla związanej nakładki o grubości 100 mm (4 cale) ograniczony skurcz może generować naprężenia ścinające na styku od 0,5 do 2,0 MPa (70 do 290 psi), wartości zbliżające się lub przekraczające wytrzymałość przyczepności osiągalną przy słabym przygotowaniu powierzchni. To wyjaśnia, dlaczego rozwarstwienie często pojawia się w ciągu pierwszych 28 do 90 dni po ułożeniu nakładki, zanim zastosowane zostanie obciążenie ruchem. ASTM C157/C157M zapewnia standardową metodę badania zmian długości (skurczu wysychania) stwardniałego betonu.

Niezgodność termiczna

Niezgodność termiczna między materiałem nakładki a podłożem tworzy naprężenia na styku podczas zmian temperatury. Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) dla konwencjonalnego betonu cementowego portlandzkiego wynosi od 7 do 12 × 10⁻⁶ /°C. Gdy nakładka i podłoże mają różne wartości CTE (co często występuje, gdy szybkowiążący materiał naprawczy lub beton modyfikowany polimerem jest stosowany obok konwencjonalnego betonu), zmiana temperatury o 30°C (54°F) może generować naprężenia na styku od 0,3 do 1,0 MPa (45 do 145 psi). Jest to szczególnie problematyczne dla nawierzchni lotniskowych, które doświadczają szybkich zmian temperatury od nagrzewania słonecznego w ciągu dnia do chłodzenia radiacyjnego w nocy oraz od nagrzewania strumieniem spalin podczas operacji statków powietrznych.

Okólnik Doradczy FAA 150/5380-6C („Wytyczne i procedury utrzymania nawierzchni lotniskowych") zauważa, że niezgodność termiczna jest częstą przyczyną awarii napraw i nakładek na nawierzchniach lotniskowych, szczególnie gdy beton szybkoutwardzalny lub beton polimerowy są stosowane obok konwencjonalnego betonu PCC. ICRI Guideline 03734 („Przewodnik doboru i stosowania materiałów do napraw betonu") zapewnia wskaźnik zgodności termicznej dla materiałów naprawczych, zalecając, aby CTE materiału naprawczego mieścił się w granicach ±2 × 10⁻⁶ /°C od CTE podłoża.

Rozwarstwienie wywołane korozją

Korozja stali zbrojeniowej może wywołać rozwarstwienie dwoma mechanizmami. Po pierwsze, produkty korozji (rdza) zajmują objętość 2 do 6 razy większą niż pierwotna stal, generując ciśnienie ekspansywne, które może spowodować oddzielenie otuliny betonowej od leżącej poniżej warstwy stali, co jest stanem powiązanym, ale odrębnym od omawianego tutaj rozwarstwienia na styku. Po drugie, korozja na poziomie styku (gdzie nakładka styka się ze zbrojonym podłożem) może powodować delaminację związaną z rozwarstwieniem, gdy produkty rdzy fizycznie klinują styk.

Szybkość korozji, wyrażona w µm/rok ubytku przekroju stali, może być mierzona metodą polaryzacji liniowej (LPR) zgodnie z ASTM G59 lub przez rezystywność betonu zgodnie z AASHTO T 358 (metoda czterosondowa Wennera). Szybkość korozji powyżej 0,5 µA/cm² jest uważana za wysokie ryzyko uszkodzeń korozyjnych. Obecność chlorków na styku powyżej progu korozyjnego (zwykle 0,15% całkowitej zawartości chlorków wagowo cementu dla początku korozji lub 0,025% chlorków rozpuszczalnych w wodzie zgodnie z ACI 222R) znacznie przyspiesza ten proces.

Inne czynniki przyczyniające się

Dodatkowe czynniki przyczyniające się do rozwarstwienia obejmują niewłaściwą pielęgnację nakładki (przedwczesna utrata wilgoci zmniejsza rozwiniętą wytrzymałość przyczepności), niewłaściwe nałożenie środka wiążącego (zbyt cienkie, aby zapewnić pokrycie, lub zbyt grube, tworzące słabą warstwę), wczesne obciążenie ruchem przed osiągnięciem przez nakładkę wystarczającej wytrzymałości przyczepności oraz cykle zamrażania i rozmrażania na styku, gdzie gromadzi się wilgoć. Rozwarstwienie wrażliwe na wilgoć jest szczególnie problematyczne dla systemów FRP, gdzie woda wnikająca do styku FRP-beton może zerwać wiązanie epoksydowe przez degradację hydrolityczną warstwy klejącej. ACI 440.2R-17 („Przewodnik projektowania i budowy zewnętrznie przyklejonych systemów FRP do wzmacniania konstrukcji betonowych") ostrzega, że wnikanie wilgoci na styku FRP obniża temperaturę zeszklenia (Tg) epoksydu i może prowadzić do przyspieszonego pełzania z pęknięciem kleju.

Rozwarstwienie a delaminacja

Rozwarstwienie i delaminacja dają identyczne objawy słyszalne (głuchy dźwięk przy opukiwaniu) i mają podobne konsekwencje (utrata współdziałania kompozytowego, ryzyko wykruszania, wnikanie wody), ale różnią się zasadniczo mechanizmem i lokalizacją.

Rozwarstwienie występuje na wykonanym styku między dwoma celowo połączonymi materiałami, na styku między nakładką betonową a istniejącym podłożem, między naprawą łatkową a otaczającym betonem lub między arkuszem FRP a powierzchnią betonu. Zniszczenie wiązania jest adhezyjne (zniszczenie na styku między dwoma materiałami), a nie kohezyjne (zniszczenie wewnątrz jednego materiału). W teście odrywania zgodnie z ASTM C1583 zniszczenie adhezyjne na styku naprawa-podłoże bez pozostawienia materiału na żadnej z powierzchni jest klasyfikowane jako rozwarstwienie.

Delaminacja występuje w obrębie jednorodnej warstwy betonu, zwykle na poziomie zbrojenia lub w jego pobliżu. Podstawowym mechanizmem jest ekspansywne ciśnienie wywołane korozją, które powoduje oddzielenie otuliny betonowej od leżącej poniżej masy betonu na poziomie prętów zbrojeniowych. Delaminacja może być również spowodowana uszkodzeniami mrozowymi (pęknięcia D na stykach) lub reakcją alkaliczno-krzemionkową (ASR) z tworzeniem ekspansywnego żelu. Płaszczyzna rozdzielenia w delaminacji jest zwykle równoległa do powierzchni na głębokości 20-50 mm (głębokość górnej siatki zbrojenia), podczas gdy rozwarstwienie występuje dokładnie na wykonanym styku materiałów niezależnie od głębokości.

Praktyczne rozróżnienie ma znaczenie dla strategii naprawy: rozwarstwienie wymaga przywrócenia przyczepności na styku metodami takimi jak iniekcja epoksydowa (zgodnie z ASTM C881) lub usunięcie i wymiana nakładki z właściwym przygotowaniem powierzchni, podczas gdy delaminacja wymaga usunięcia rozdzielonego betonu do zdrowego materiału i zastąpienia go materiałem naprawczym. Jednak metody wykrywania obu stanów są identyczne, opukiwanie młotkiem (ASTM D4580), przeciąganie łańcucha, termografia w podczerwieni (ASTM D4788) i echo uderzeniowe (ASTM C1383) identyfikują płaskie rozdzielenia niezależnie od tego, czy rozdzielenie jest rozwarstwieniem czy delaminacją.

Metody wykrywania rozwarstwienia

Wykrywanie rozwarstwienia opiera się na zasadzie, że płaska pustka pod powierzchnią tworzy inną odpowiedź na wzbudzenie akustyczne, termiczne lub falą naprężeniową w porównaniu do zdrowego, w pełni związanego materiału. Wybór metody wykrywania zależy od dostępności powierzchni, głębokości styku, powierzchni do zbadania oraz wymaganej dokładności.

Opukiwanie młotkiem i przeciąganie łańcucha

Test opukiwania młotkiem (zwany również testem stuku, opukiwania lub perkusyjnym) jest najszerzej stosowaną metodą wykrywania rozwarstwienia. Inspektor opukuje powierzchnię betonu młotkiem geologicznym, młotkiem ślusarskim lub młotkiem do opukiwania w regularnych odstępach (zwykle co 300 mm lub 12 cali dla szczegółowych badań, co 600 mm lub 24 cale dla badań ogólnych zgodnie z ASTM D4580). Zdrowy, związany beton wydaje ostry, dźwięczny, metaliczny dźwięk dzięki efektywnemu przenoszeniu fal sprężystych przez materiał. Beton rozwarstwiony lub delaminowany wydaje głuchy, pusty, bębnowy dźwięk, ponieważ szczelina powietrzna uniemożliwia efektywne przenoszenie fal. Zawartość częstotliwościowa odpowiedzi różni się: zdrowy beton wytwarza energię wysokoczęstotliwościową powyżej 2 kHz, podczas gdy obszary rozwarstwione wytwarzają energię niskoczęstotliwościową skoncentrowaną poniżej 500 Hz. Ta różnica akustyczna może być określona ilościowo za pomocą cyfrowych systemów analizy akustycznej, które rejestrują dźwięk uderzenia młotka i klasyfikują go według zawartości częstotliwościowej.

Test przeciągania łańcucha wykorzystuje ciężki stalowy łańcuch (zwykle o długości 3 do 5 stóp i wadze 10-15 funtów), który jest przeciągany po powierzchni nawierzchni, podczas gdy inspektor nasłuchuje zmian w wydawanym dźwięku. Przeciąganie łańcucha jest określone przez Okólnik Doradczy FAA 150/5380-6C i ASTM D5340 (norma dla badań wskaźnika stanu nawierzchni lotniskowych) jako podstawowa metoda opukiwania w badaniach stanu nawierzchni lotniskowych. Przeciąganie łańcucha może szybko pokryć duże obszary, doświadczony inspektor może zbadać 500-1000 m² na godzinę, co czyni go najbardziej wydajną metodą ręcznego opukiwania. Test przeciągania łańcucha jest szczególnie skuteczny w wykrywaniu rozwarstwienia w nakładkach betonowych, ponieważ masa łańcucha zapewnia wystarczającą energię do wzbudzenia rozwarstwionego panelu w drgania.

Termografia w podczerwieni (IRT)

Termografia w podczerwieni (IRT) to bezkontaktowa metoda szybkiego skanowania, która wykrywa rozwarstwienie poprzez pomiar różnic temperatury powierzchni spowodowanych izolacyjnym efektem szczeliny powietrznej pod rozwarstwioną nakładką lub FRP. Podczas nagrzewania słonecznego (zwykle między 10:00 a 14:00 w pogodny, słoneczny dzień) temperatura powierzchni nad obszarem rozwarstwionym wzrasta o 1-5°C więcej niż w otaczającym zdrowym betonie, ponieważ szczelina powietrzna izoluje powierzchnię od przewodzącej utraty ciepła do podłoża. Podczas chłodzenia nocnego (zwykle 2-4 godziny po zachodzie słońca) obszar rozwarstwiony wydaje się chłodniejszy, ponieważ izolująca szczelina powietrzna uniemożliwia uzupełnianie ciepła zmagazynowanego w warstwie powierzchniowej przez przewodzenie z podłoża.

ASTM D4788 („Standardowa metoda badania wykrywania delaminacji w pomostach mostowych za pomocą termografii w podczerwieni") zapewnia standardowy protokół IRT dla betonowych pomostów mostowych i nakładek. Badanie wymaga minimalnej różnicy temperatur 0,5°C między obszarami rozwarstwionymi a zdrowymi dla wiarygodnego wykrywania, chociaż nowoczesne kamery o wysokiej czułości (z NETD lub równoważną różnicą temperatur szumu 0,03°C lub lepszą) mogą wykrywać mniejsze różnice. Maksymalna wykrywalna głębokość rozwarstwienia zależy od grubości nakładki: dla nakładki o grubości 50 mm (2 cale) rozwarstwienie można wiarygodnie wykryć, dla nakładek grubszych niż 150 mm (6 cali) różnica temperatur na powierzchni staje się zbyt mała dla wiarygodnego wykrywania IRT. Okólnik Doradczy FAA 150/5370-10 uznaje IRT za dopuszczalną metodę zapewnienia jakości związanych nakładek na nawierzchniach lotniskowych.

Zalety IRT w porównaniu z metodami opukiwania obejmują pokrycie pełnego pola (pojedynczy obraz termiczny pokrywa 50-200 m² w zależności od wysokości), trwały cyfrowy zapis wyników oraz szybkość (wskaźniki badań 5000-10000 m² na godzinę są osiągalne z systemu zamontowanego na pojeździe). Podstawowym ograniczeniem jest to, że IRT wykrywa tylko rozwarstwienia w strefie przypowierzchniowej (zwykle w pierwszych 100-150 mm głębokości) i nie może wiarygodnie wykryć głębokiego rozwarstwienia na styku nakładka-podłoże, jeśli nakładka jest gruba.

Badanie echem uderzeniowym

Echo uderzeniowe (IE) to metoda NDT oparta na falach naprężeniowych, która wykorzystuje mechaniczne uderzenie (zwykle małą stalową kulkę lub sprężynowy impaktor) do generowania niskoczęstotliwościowych fal naprężeniowych propagujących przez beton. Fale odbijają się od wewnętrznych styku (w tym rozwarstwionych szczelin powietrznych) i od przeciwległej powierzchni elementu, tworząc widmo częstotliwościowe, które można analizować w celu określenia zarówno obecności, jak i głębokości rozwarstwienia. ASTM C1383 („Standardowa metoda badania pomiaru prędkości fali P i grubości płyt betonowych metodą echa uderzeniowego") zapewnia standardowy protokół badania. Do wykrywania rozwarstwienia metoda echa uderzeniowego może określić głębokość rozwarstwionego styku poprzez analizę dominującej częstotliwości w przebiegu odpowiedzi, płytkie rozwarstwienie wytwarza piki wysokoczęstotliwościowe, podczas gdy głębokie rozwarstwienie wytwarza piki niskoczęstotliwościowe.

Metoda echa uderzeniowego jest szczególnie cenna do wykrywania rozwarstwienia FRP, ponieważ może zidentyfikować styk między FRP a betonem nawet przez warstwę FRP i może odróżnić płytkie rozwarstwienie (na styku FRP-beton) od głębokiego uszkodzenia podłoża. Typowy zakres częstotliwości do wykrywania rozwarstwienia FRP wynosi 10-30 kHz, co wymaga specjalistycznych impaktorów i czujników.

Wybór metod wykrywania

Wybór metody wykrywania zależy od konkretnego zastosowania:

Ostateczne potwierdzenie rozwarstwienia wymaga pobrania rdzeni betonowych zgodnie z ASTM C42/C42M („Standardowa metoda badania pobierania i badania rdzeni wierconych i belek przecinanych z betonu"). Rdzenie są pobierane w miejscach zidentyfikowanych jako rozwarstwione metodami NDT, a styk jest badany wizualnie. Fotografia rdzenia jest ostatecznym zapisem: czyste rozdzielenie na styku bez materiału przylegającego do żadnej z powierzchni potwierdza adhezyjne zniszczenie przez rozwarstwienie. Minimalna średnica rdzenia do oceny styku wynosi zwykle 50 mm (2 cale), chociaż 100 mm (4 cale) jest preferowane dla grubszych nakładek.

Rozwarstwienie nakładek betonowych

Nakładki betonowe (zwane również związanymi nakładkami betonowymi, przebudową nawierzchni lub whitetopping) są układane bezpośrednio na istniejącej nawierzchni betonowej w celu przywrócenia nośności konstrukcyjnej, poprawy jakości jazdy i wydłużenia okresu eksploatacji. Związany styk jest krytyczny, ponieważ umożliwia kompozytowe współdziałanie konstrukcji, nakładka i istniejąca płyta działające razem jako pojedynczy przekrój konstrukcyjny. Przekrój kompozytowy ma znacznie większą nośność niż dwie warstwy działające niezależnie (wskaźnik wytrzymałości przekroju jest proporcjonalny do kwadratu całkowitej grubości, gdy warstwy są w pełni związane). Wiązanie osiąga się przez mechaniczne zazębienie między świeżym betonem nakładki a szorstką, czystą powierzchnią istniejącą w stanie SSD.

Okólnik Doradczy FAA 150/5370-10 pozycja P-501 („Standardowe specyfikacje budowy lotnisk: nawierzchnia betonowa z cementu portlandzkiego") określa wymagania dla związanych nakładek betonowych na nawierzchniach lotniskowych. Istniejąca powierzchnia musi być frezowana na zimno lub śrutowana w celu usunięcia minimum 6 mm (0,25 cala) materiału powierzchniowego, osiągając teksturę powierzchni CSP 5-7. Powierzchnia jest następnie czyszczona przez mycie wodą pod wysokim ciśnieniem (minimum 20 000 psi), a następnie przedmuchiwana powietrzem w celu usunięcia wszystkich zanieczyszczeń i stojącej wody. Zaczyn cementowy jako środek wiążący (stosunek cementu do wody 1:1 wagowo) jest nakładany pędzlem bezpośrednio przed układaniem nakładki.

Przewodnik FHWA dotyczący nakładek betonowych (FHWA-HIF-18-032) rozróżnia dwa typy związanych nakładek betonowych: BCO (związana nakładka betonowa) o grubościach 50-175 mm (2-7 cali) na nawierzchniach PCC oraz BCOA (związana nakładka betonowa na asfalcie) o grubościach 100-200 mm (4-8 cali) na nawierzchniach asfaltowych (zwana również whitetopping). Dla BCO na PCC stan istniejącej nawierzchni określa wykonalność nakładki: istniejąca nawierzchnia musi mieć mniej niż 15% uszkodzeń konstrukcyjnych (pompowanie, spękania większe niż 6 mm, pęknięcia płyt o więcej niż umiarkowanym nasileniu zgodnie z ASTM D5340), aby zapewnić, że naprężenia rozwarstwiające od ruchów różnicowych pozostaną w dopuszczalnych granicach.

Rozwarstwienie nakładek betonowych inicjuje się zwykle w nieciągłościach podłoża, przy istniejących pęknięciach, stykach lub obszarach zniszczonych, gdzie profil powierzchni odbiega od idealnego. Obszar rozwarstwiony propaguje następnie na zewnątrz od tych punktów inicjacji z powodu zmęczenia obciążeniem ruchem i cykli termicznych. Szybkość rozwarstwiania zależy od wielkości naprężeń ścinających na styku i liczby przyłożeń obciążenia. Badania programu FHWA Long-Term Pavement Performance (LTPP) wskazują, że obszary rozwarstwione w związanych nakładkach rosną zwykle w tempie 5-15% początkowo rozwarstwionego obszaru rocznie przy umiarkowanym ruchu, przyspieszając do 15-30% rocznie przy dużym obciążeniu ruchem.

Krytyczny czas dla rozwarstwienia to pierwsze 90 dni po ułożeniu nakładki. W tym okresie nakładka przechodzi swój podstawowy skurcz wysychania, podczas gdy wytrzymałość przyczepności wciąż się rozwija. Minimalna dopuszczalna wytrzymałość przyczepności dla odbioru nakładki, określona przez ICRI Guideline 03732, wynosi 0,7 MPa (100 psi) średnio bez pojedynczego odczytu poniżej 0,5 MPa (70 psi) w ciągu 7 dni od ułożenia, wzrastając do 1,0 MPa (145 psi) po 28 dniach.

Rozwarstwienie systemów wzmacniania FRP

Zewnętrznie przyklejone systemy FRP (polimery wzmacniane włóknami) są stosowane do wzmacniania konstrukcji betonowych poprzez przyklejanie arkuszy lub płyt z włókna węglowego, szklanego lub aramidowego do powierzchni betonu za pomocą klejów epoksydowych. Rozwarstwienie FRP jest krytycznym mechanizmem zniszczenia, który kontroluje projektowanie wzmocnień FRP w ACI 440.2R-17 („Przewodnik projektowania i budowy zewnętrznie przyklejonych systemów FRP do wzmacniania konstrukcji betonowych").

Rozwarstwienie FRP objawia się w dwóch podstawowych trybach: rozwarstwienie na końcu płyty (PE) i rozwarstwienie inicjowane pęknięciem pośrednim (IC). Rozwarstwienie PE występuje w punkcie zakończenia laminatu FRP, gdzie rozwijają się wysokie naprężenia ścinające i normalne (odrywające) na styku, ponieważ FRP nagle się kończy. Temu trybowi zapobiega się przez przedłużenie FRP poza punkt zerowego momentu o wystarczającą długość zakotwienia (zwykle 300-600 mm lub 12-24 cale zgodnie z ACI 440.2R). Rozwarstwienie IC inicjuje się przy pęknięciu zginającym lub ścinającym w betonie, gdzie otwarcie pęknięcia tworzy lokalną koncentrację naprężeń w laminacie FRP w miejscu pęknięcia. Naprężenie propaguje następnie wzdłuż styku FRP-beton w kierunku końca FRP w postępującym zniszczeniu przez odrywanie.

Granica odkształcenia przy rozwarstwieniu w ACI 440.2R-17 ogranicza maksymalne użyteczne odkształcenie we FRP do εfd = 0,41√(f’c / (nef Ef tf)), ale nie większe niż 0,9 εfu (gdzie εfu jest ostatecznym odkształceniem przy zerwaniu FRP). Limit ten ma na celu zapobieżenie rozwarstwieniu IC jako dominującemu mechanizmowi zniszczenia. Dla typowego FRP węglowego (CFRP) z modułem 165 GPa (24 × 10⁶ psi) i grubością 1,0 mm (0,039 cala) granica odkształcenia przy rozwarstwieniu wynosi około 0,005 do 0,007 (5000 do 7000 mikroatomień), co stanowi około 30-40% ostatecznego odkształcenia FRP. Ten przepis projektowy zapewnia, że wiązanie FRP-beton pozostaje nienaruszone w warunkach eksploatacyjnych.

Wykrywanie rozwarstwienia FRP wymaga specjalistycznych metod, ponieważ arkusz FRP maskuje wizualny wygląd styku. Badanie echem uderzeniowym (jak opisano w sekcji 4) jest najczęstszą metodą, ponieważ fale naprężeniowe przenikają przez FRP i odbijają się od rozwarstwionego styku. Termografia w podczerwieni jest również skuteczna dla systemów FRP, ponieważ cienka warstwa FRP (zwykle o grubości 1-3 mm) ma niską masę termiczną i szybko przenosi ciepło do styku, tworząc mierzalne różnice temperatur w ciągu minut aktywnego ogrzewania. Inspekcja poinstalacyjna systemów FRP zgodnie z ACI 440.2R wymaga 100% testu opukiwania wszystkich zainstalowanych powierzchni FRP w ciągu 7 dni od instalacji, a wszelkie obszary rozwarstwione przekraczające 5% całkowitej powierzchni FRP wymagają naprawy.

Jakość linii wiązania jest oceniana przez test odrywania zgodnie z ASTM C1583, z minimalną dopuszczalną wartością 1,0 MPa (145 psi) określoną przez ACI 440.2R dla wiązania FRP-beton. Rejestrowany jest tryb zniszczenia: zniszczenie w podłożu betonowym (pożądane, wskazujące, że beton jest słabszy niż wiązanie), zniszczenie adhezyjne na styku FRP-epoksyd, zniszczenie adhezyjne na styku beton-epoksyd (niepożądane, wskazujące na rozwarstwienie) lub zniszczenie kohezyjne w obrębie epoksydu. Obecność zniszczenia adhezyjnego na którymkolwiek styku przy wartościach odrywania poniżej 1,0 MPa wskazuje na niewystarczający rozwój wiązania i wymaga usunięcia i ponownej instalacji FRP.

Rozwarstwienie w naprawach łatkowych

Betonowe naprawy łatkowe, zarówno częściowej, jak i pełnej głębokości, zależą od osiągnięcia i utrzymania wiązania na styku naprawa-beton rodzimy. Styk w naprawie łatkowej jest trójwymiarową powierzchnią obwodową, a nie płaską powierzchnią poziomą: pionowe ściany wnęki naprawczej i dno (w naprawach częściowej głębokości) lub przygotowana powierzchnia podłoża (w naprawach pełnej głębokości). Rozwarstwienie w naprawach łatkowych reprezentuje oddzielenie materiału naprawczego od betonu rodzimego wzdłuż tych powierzchni styku.

Mechanizm wiązania w naprawach łatkowych podlega tym samym zasadom co wiązanie nakładek, ale stan naprężeń jest bardziej złożony z powodu ograniczonej geometrii naprawy. Materiał naprawczy jest otoczony betonem rodzimym ze wszystkich stron, co zapewnia pełne ograniczenie przed skurczem. To wytwarza wieloosiowe naprężenia rozciągające na styku, z maksymalnymi koncentracjami naprężeń w narożnikach i krawędziach naprawy. Różnica skurczu między materiałem naprawczym a betonem rodzimym generuje naprężenia ścinające na styku, które mogą przekroczyć wytrzymałość przyczepności, szczególnie gdy stosowane są materiały naprawcze o wysokim skurczu.

ACI 546.3R-14 („Przewodnik doboru materiałów w naprawach betonu") określa, że przygotowanie powierzchni do napraw łatkowych powinno osiągnąć profil CSP 7-9 (amplitudę chropowatości 0,6-1,5 mm), osiągany przez lekkie młotkowanie przy użyciu młotka o maksymalnej masie 15 kg (30 funtów), aby uniknąć mikropęknięć podłoża poniżej obwodu naprawy. Obwód cięcia piłą naprawy powinien sięgać minimum 25 mm (1 cal) poza widoczną krawędź zniszczonego obszaru w zdrowy beton. Boki wnęki naprawczej powinny być cięte prostopadle do powierzchni lub podcięte (nieco szersze na dole niż na górze), aby zapewnić mechaniczne zazębienie przeciw pionowym siłom rozwarstwiającym.

Dla napraw częściowej głębokości (zwykle 25-75 mm lub 1-3 cale głębokości, norma FAA zgodnie z AC 150/5380-6C) rozwarstwienie występuje najczęściej na poziomym styku między dnem naprawy a przygotowanym podłożem. Wiązanie jest oceniane przez test odrywania zgodnie z ASTM C1583 w minimum 3 miejscach na 100 m² powierzchni naprawy. Kryteria akceptacji zgodnie z ICRI Guideline 03732 to: minimalna pojedyncza wartość odrywania 0,5 MPa (70 psi) i średnia wszystkich badań 0,7 MPa (100 psi) lub większa.

Dla napraw pełnej głębokości (całkowita wymiana płyty) krytycznym stykiem jest pionowa ściana, gdzie beton naprawczy styka się z istniejącą płytą na obwodzie cięcia piłą. Naprawy pełnej głębokości mają zwykle pręty kołkowe zainstalowane przez styk (zgodnie z FAA Item P-501 dla nawierzchni lotniskowych, z kołkami rozmieszczonymi co 300 mm i umieszczonymi na środku grubości płyty) w celu zapewnienia przenoszenia obciążenia. Rozwarstwienie na pionowym styku w naprawach pełnej głębokości jest mniej powszechne niż w naprawach częściowej głębokości, ale może wystąpić z powodu niewłaściwego zagęszczania podczas układania betonu, co pozostawia strefę styku o strukturze plastra miodu, lub przedwczesnego cięcia piłą, które inicjuje pęknięcie propagujące wzdłuż styku.

Konsekwencje rozwarstwienia

Rozwarstwienie ma kaskadowe konsekwencje dla wydajności konstrukcyjnej i trwałości. Bezpośrednim efektem jest utrata współdziałania kompozytowego między nakładką a podłożem. Dla związanej nakładki betonowej sztywność zginania (EI) przekroju kompozytowego jest proporcjonalna do sześcianu całkowitej grubości, gdy jest w pełni związana. Gdy wystąpi rozwarstwienie, dwie warstwy działają niezależnie, każda przenosząc obciążenie osobno. Dla nakładki 100 mm na istniejącej płycie 200 mm w pełni związany przekrój ma efektywną grubość 300 mm. Po rozwarstwieniu system zachowuje się jak dwie oddzielne płyty o grubościach 100 mm i 200 mm. Redukcja momentu bezwładności wynosi z bh³/12 dla kompozytu do (b × 100³/12 + b × 200³/12) dla rozdzielonych warstw, co daje współczynnik redukcji około 0,35, co oznacza, że nośność konstrukcyjna jest zmniejszona o około 65%.

Wnikanie wody jest drugą krytyczną konsekwencją rozwarstwienia. Płaska pustka utworzona przez rozwarstwienie zapewnia ciągłą ścieżkę dla wody do przemieszczania się bocznie pod nakładką, omijając uszczelnienia styków i powierzchniowy drenaż. Woda gromadzi się w rozwarstwionej pustce, tworząc nasyconą strefę styku, która przyspiesza uszkodzenia mrozowe i korozję wszelkiej stali zbrojeniowej. Uwięziona woda wywołuje również ciśnienie hydrauliczne pod obciążeniem ruchem, gdy opona przejeżdża nad obszarem rozwarstwionym, nakładka ugina się, ściskając wypełnioną wodą pustkę. Ciśnienie hydrauliczne może przekroczyć 1 MPa (145 psi) pod ciężkim obciążeniem statku powietrznego (Grupa Projektowa Statków Powietrznych V lub VI zgodnie z FAA), wypychając wodę do krawędzi nakładki i pompując ją na zewnątrz, wynosząc drobne cząstki w procesie zwanym pompowaniem erozyjnym. To pompowanie stopniowo poszerza obszar rozwarstwiony i wprowadza zanieczyszczenia do styku, dodatkowo uniemożliwiając ponowne związanie.

Generowanie FOD (obcych obiektów) jest szczególnym problemem dla nawierzchni lotniskowych. Rozwarstwiona nakładka, która nie została wykryta, może ostatecznie przebić się na powierzchnię pod obciążeniem ruchem, tworząc wykruszenia i luźne fragmenty, które stają się FOD, poważnym zagrożeniem dla silników i opon statków powietrznych. Okólnik Doradczy FAA 150/5380-6C szczególnie podkreśla rozwarstwienie nakładek jako stan podatny na FOD wymagający natychmiastowej uwagi na drogach startowych, kołowaniach i płytach postojowych.

Cykl przyspieszania korozji wywołany rozwarstwieniem jest samonapędzający się. Woda wnikająca do rozwarstwionego styku przenosi chlorki (z chemikaliów odladzających lub ekspozycji morskiej) i tlen do strefy styku. Jeśli podłoże zawiera stal zbrojeniową, chlorki docierają do powierzchni stali i inicjują korozję. Produkty korozji (rdza) rozszerzają się i dodatkowo klinują styk, powiększając obszar rozwarstwiony. Powiększone rozwarstwienie pozwala na wnikanie większej ilości wody i chlorków, przyspieszając korozję. Ta pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego może spowodować całkowitą utratę nakładki w ciągu 2-5 lat, jeśli nie zostanie wykryta, w porównaniu z oczekiwanym okresem eksploatacji 15-25 lat dla prawidłowo związanej nakładki.

Inspekcja i ocena stanu

Inspekcja rozwarstwienia jest zintegrowana z badaniami stanu nawierzchni i protokołami inspekcji mostów na wielu poziomach. Podejście zaliczony/niezaliczony (rozwarstwiony lub nie) jest zwykle uzupełniane przez określenie ilościowe powierzchni do oceny stanu i priorytetyzacji napraw.

Badania stanu nawierzchni lotniskowych

ASTM D5340 („Standardowa metoda badania wskaźnika stanu nawierzchni lotniskowych") obejmuje rozwarstwienie jako rodzaj uszkodzenia dla nakładek betonowych, klasyfikowane w kategoriach „łat" i „uszkodzeń powierzchniowych". Protokół badania określa przeciąganie łańcucha jako podstawową metodę wykrywania rozwarstwienia nakładek, z następującymi poziomami nasilenia:

• Niskie nasilenie: Obszar rozwarstwiony pokrywający mniej niż 5% całkowitej powierzchni nawierzchni, bez widocznych pęknięć powierzchniowych lub wykruszeń
• Średnie nasilenie: Obszar rozwarstwiony pokrywający 5-15% całkowitej powierzchni nawierzchni, drobne pęknięcia powierzchniowe lub wykruszenia na krawędziach obszarów rozwarstwionych
• Wysokie nasilenie: Obszar rozwarstwiony pokrywający ponad 15% całkowitej powierzchni nawierzchni, widoczne pęknięcia powierzchniowe, wykruszenia lub generowanie FOD

Wartość odliczenia PCI (wskaźnika stanu nawierzchni) dla rozwarstwienia wzrasta nieliniowo z nasileniem i zakresem. Krzywa odliczeń PCI dla rozwarstwienia w ASTM D5340 pokazuje, że rozwarstwienie o wysokim nasileniu pokrywające 30% odcinka nawierzchni daje wartość odliczenia przekraczającą 50 (w skali 0-100), co odpowiada ocenie nawierzchni „słaba".

Inspekcja pomostów mostowych

Krajowe standardy inspekcji mostów FHWA (NBIS) i Podręcznik AASHTO inspekcji elementów mostów obejmują rozwarstwienie w ocenie elementów pomostów mostowych. Inspekcja na poziomie elementów (zgodnie z AASHTO MBEI-2019) klasyfikuje rozwarstwienie jako wadę w ramach Elementu 12 (pomost betonowy) ze stanami:

• Stan 1 (dobry): Nie wykryto rozwarstwienia
• Stan 2 (dostateczny): Obszar rozwarstwiony mniejszy niż 10% powierzchni pomostu, bez aktywnych plam korozyjnych
• Stan 3 (słaby): Obszar rozwarstwiony 10-30% powierzchni pomostu, plamy korozyjne widoczne przy stykach lub pęknięciach
• Stan 4 (poważny): Obszar rozwarstwiony większy niż 30% powierzchni pomostu, aktywne wykruszenia z odsłoniętym zbrojeniem, ubytek przekroju

Częstotliwość inspekcji

Zautomatyzowane wykrywanie rozwarstwienia

Ostatnie postępy w widzeniu komputerowym i uczeniu maszynowym umożliwiły zautomatyzowane wykrywanie rozwarstwienia z obrazów powierzchniowych i termicznych badań dronowych. Modele głębokiego uczenia wyszkolone na oznaczonych danych z opukiwania mogą klasyfikować stan powierzchni nawierzchni na obrazach o wysokiej rozdzielczości, identyfikując charakterystyczne wzorce pęknięć (pęknięcia mapowe, pęknięcia półksiężycowate), które korelują z podpowierzchniowym rozwarstwieniem. Analiza obrazów termicznych przy użyciu konwolucyjnych sieci neuronowych (CNN) może automatycznie segmentować obrazy termiczne na obszary rozwarstwione i zdrowe z dokładnością przekraczającą 85% w kontrolowanych badaniach. Takie systemy mogą tworzyć ilościowe mapy zasięgu rozwarstwienia z klasyfikacją nasilenia do oceny stanu nakładek i napraw.

Naprawa rozwarstwionych nakładek i napraw

Strategia naprawy rozwarstwienia zależy od zakresu, nasilenia, przyczyny i lokalizacji rozwarstwienia, a także od typu systemu związanego (nakładka betonowa, FRP lub naprawa łatkowa).

Iniekcja epoksydowa dla izolowanego rozwarstwienia

Dla małych, izolowanych obszarów rozwarstwienia (mniej niż 10% całkowitej powierzchni związanej), gdzie styk nie jest zanieczyszczony zanieczyszczeniami lub produktami korozji, iniekcja epoksydowa może przywrócić wiązanie. Procedura jest zgodna z ASTM C881 („Standardowa specyfikacja systemów wiążących na bazie żywic epoksydowych do betonu"), która określa wymagania dotyczące typu i klasy epoksydu. Proces iniekcji obejmuje:

1. Wiercenie otworów iniekcyjnych w odstępach 300-600 mm (12-24 cale) wzdłuż wzoru obszaru rozwarstwionego
2. Uszczelnienie obwodu obszaru rozwarstwionego szybkowiążącym epoksydem lub zaprawą w celu zamknięcia iniektowanego materiału
3. Iniektowanie niskolepkiego epoksydu (typ IV, klasa 1 zgodnie z ASTM C881) pod ciśnieniem 0,3-0,7 MPa (50-100 psi), zaczynając od najniższego otworu i przesuwając się w górę, aby wypchnąć powietrze z pustki rozwarstwienia
4. Weryfikacja przez ponowne opukiwanie po utwardzeniu epoksydu (minimum 24 godziny w temperaturze 20°C)

Iniekcja epoksydowa może przywrócić wytrzymałość przyczepności do 80-100% pierwotnej projektowej wytrzymałości przyczepności, gdy jest stosowana do czystych, suchych rozwarstwionych styku. Metoda nie jest skuteczna, gdy styk jest zanieczyszczony olejem, brudem lub produktami korozji, ponieważ epoksyd wiąże się z zanieczyszczeniem, a nie z powierzchniami betonu. Maksymalna głębokość rozwarstwienia dla skutecznej iniekcji epoksydowej wynosi około 50 mm (2 cale), głębsze rozwarstwienia tworzą ścieżki iniekcji zbyt długie do całkowitego wypełnienia.

Usunięcie i wymiana

Dla rozwarstwienia przekraczającego 10% powierzchni związanej lub dla obszarów rozwarstwionych, gdzie styk jest zanieczyszczony, usunięcie i wymiana rozwarstwionej części jest standardowym podejściem. Procedura zgodnie z FAA AC 150/5380-6C i ICRI Guideline 03732 obejmuje następujące kroki:

1. Oznaczenie granicy rozwarstwienia określonej przez szczegółowe opukiwanie (przy odstępach siatki 150 mm lub 6 cali)
2. Cięcie piłą obwodu sięgające 150 mm (6 cali) minimum poza granicę rozwarstwienia w zdrowy, związany materiał
3. Usunięcie rozwarstwionego materiału przez kontrolowaną rozbiórkę przy użyciu młotka o maksymalnej masie 15 kg (30 funtów), pracując od strony rozwarstwionej w kierunku zdrowego materiału, aby uniknąć uszkodzenia wiązania w sąsiednich obszarach
4. Ponowne przygotowanie powierzchni podłoża do CSP 7-9 przez śrutowanie lub hydrodemolację
5. Czyszczenie i kondycjonowanie wilgotnościowe podłoża do stanu SSD
6. Nałożenie środka wiążącego zgodnie ze specyfikacjami producenta (zwykle zaczyn cementowy w stosunku w/c 1:1 lub komercyjny środek wiążący zgodny z ASTM C1059)
7. Wymiana materiału naprawczego na ten sam lub kompatybilny materiał co oryginalna nakładka/naprawa

Dla rozległego rozwarstwienia przekraczającego 30% powierzchni nakładki całkowite usunięcie i wymiana nakładki jest zwykle bardziej opłacalne niż selektywna naprawa. Pozostały związany materiał będzie działał jako punkty koncentracji naprężeń, jeśli zostanie częściowo usunięty, a łatanie wielu małych obszarów tworzy wiele nowych obwodów styku, które są potencjalnymi punktami inicjacji przyszłego rozwarstwienia.

Naprawa rozwarstwienia FRP

Naprawa rozwarstwienia FRP jest regulowana przez ACI 440.2R-17, rozdział 12. Procedura naprawy rozwarstwionego FRP:

1. Usunięcie całego rozwarstwionego FRP sięgającego co najmniej 50 mm (2 cale) poza widocznie rozwarstwiony obszar
2. Inspekcja odsłoniętej powierzchni betonu pod kątem uszkodzeń (plamy korozyjne, pęknięcia lub deterioracja podłoża)
3. Naprawa wszelkich uszkodzeń podłoża przy użyciu kompatybilnych materiałów naprawczych zgodnie z ACI 546.3R
4. Ponowne przygotowanie powierzchni przez szlifowanie do CSP 3-5 (gładsze niż przygotowanie nakładki, ponieważ FRP wykorzystuje wiązanie adhezyjne, a nie mechaniczne zazębienie jako podstawowy mechanizm)
5. Nałożenie nowego FRP zgodnie ze specyfikacjami producenta, sięgającego minimum 150 mm (6 cali) poza granicę usunięcia dla zakładki
6. Wykonanie 100% testu opukiwania po instalacji zgodnie z ACI 440.2R

Protokół wykrywania rozwarstwienia FRP w okresie eksploatacji obejmuje coroczne badania opukiwaniem całej powierzchni FRP, z badaniami pośrednimi po każdym znaczącym zdarzeniu przeciążeniowym (trzęsienie ziemi, uderzenie, silny wiatr). Jeśli rozwarstwienie przekracza 5% powierzchni FRP podczas jakiegokolwiek badania, wymagana jest natychmiastowa naprawa zgodnie z ACI 440.2R.

Łączniki ścinane do ponownego mocowania nakładek

Dla rozwarstwionych nakładek, gdzie usunięcie i wymiana nie jest wykonalne (np. nakładki na konstrukcyjnych elementach mostów, gdzie usunięcie odsłoniłoby konstrukcję na ruch), łączniki ścinane mogą zapewnić mechaniczne ponowne mocowanie. Kołki ze stali nierdzewnej lub ocynkowanej (średnica 12-16 mm, długość 150-200 mm) są instalowane przez wiercenie przez nakładkę w podłoże, czyszczenie otworów i zafugowanie kołków zaprawą epoksydową zgodną z ASTM C881. Kołki są zwykle rozmieszczane w odstępach 600 mm (24 cale) we wzorze siatki na obszarze rozwarstwionym, z odległością od krawędzi minimum 150 mm od granicy rozwarstwienia. Przywrócona nośność wiązania przez łączniki ścinane wynosi zwykle 30-50% pierwotnej nośności związanej na łącznik, więc liczba łączników musi być obliczona na podstawie oczekiwanego naprężenia ścinającego na styku przy obciążeniu granicznym.

Podsumowanie norm