Uszkodzenia mrozowe betonu

Uszkodzenia mrozowe betonu to zespół defektów powstających wskutek wielokrotnych cykli zamrażania i rozmrażania wody znajdującej się w porach i kapilarach betonu. Uszkodzenia betonu od mrozu mogą wystąpić w okresie dojrzewania betonu (przemarznięcie) lub jako późniejsza korozja mrozowa (długotrwałe działanie cykli). Skutki obejmują utratę trwałości, spadek wytrzymałości i pogorszenie parametrów użytkowych elementu.

Typowe objawy i wygląd na powierzchni betonu uszkodzenego przez mróz, np. przemarznięcie mieszanki betonowej

Destrukcja mrozowa jest jednym z najczęstszych zagrożeń dla betonu w klimacie umiarkowanym. Jej przyczyną są cykle zamrażania i rozmrażania wody obecnej w porach i kapilarach materiału.

• Łuszczenie i spękania płytkowate (delaminacja cienkich warstw). Złuszczenie (łuszczenie się) powierzchni są widoczne jako odpadanie cienkich warstw lub "łusek" z powierzchni betonu (np. na chodnikach, posadzkach).

• Odpryski i ubytki krawędziowe (oczka, wentylowane fragmenty powierzchni). Niewielkie fragmenty betonu "wyskakują" z powierzchni, często odsłaniając ziarno kruszywa, które było bezpośrednią przyczyną (np. z powodu dużej nasiąkliwości).

• Odsłonięcie kruszywa: Wierzchnia warstwa zaprawy cementowej ulega erozji, pozostawiając wyeksponowane, "czyste" ziarna grubego kruszywa.

• Siatki drobnych mikropęknięć widocznych na powierzchni. Spękania betonu często biegną równolegle do krawędzi lub powierzchni elementu.

• Matowy, pylący lub „mączny” wygląd powierzchni wskazujący na rozluźnienie cementowego spoiwa.

• Występowanie miejscowych plam wilgoci i wykwitów soli (soli odkryte po rozmrożeniu).

• Fragmentacja osłabionych części przy uderzeniu młotkiem (odbiory punktowe wskazują na osłabioną warstwę).

Objawy wewnętrzne i strukturalne w betonie

• Zmniejszona gęstość i zwiększona porowatość warstwy wierzchniej.

• Zmniejszona wytrzymałość na ściskanie w badaniach rdzeniowych lub sondowaniu (wartości miejscowe niż projektowe).

  

• Pęknięcia sięgające w głąb, nieraz z tworzeniem się szczelin wokół kruszywa.

• Odsłanianie i korozja zbrojenia przy długotrwałej ekspozycji na chlorki.

Mechanizmy powstawania uszkodzeń mrozowych

• Przemarznięcie mieszanki betonowej podczas dojrzewania betonu i przemarznięcie mieszanki podczas pierwszego wiązania (pierwotne zamarznięcie) prowadzi do znacznego obniżenia wytrzymałości i trwałej destrukcji betonu.

• Nasycenie wodą: Beton (szczególnie o niedostatecznej jakości lub słabym napowietrzeniu) absorbuje wodę deszczową lub z gruntu.

• Zamrażanie: Gdy temperatura spada poniżej 0°C, woda w porach zamarza.

• Ekspansja (Pęcznienie): Woda podczas zamarzania zwiększa swoją objętość o około 9%.

• Wytworzenie ciśnienia: Lód, nie mieszcząc się w porach, wywiera ogromne ciśnienie hydrauliczne i krystalizacyjne na ścianki porów.

• Mikropęknięcia: Gdy ciśnienie to przekroczy wytrzymałość betonu na rozciąganie, powstają mikropęknięcia.

• Powtarzanie cyklu: Podczas roztopów woda wnika głębiej w nowe mikropęknięcia. Kolejny mróz powoduje dalszą ekspansję i powiększanie uszkodzeń. Jest to proces lawinowy. Zamarzanie wody w porach powoduje przyrost objętości; w betonie o niewystarczającej przestrzeni oddechowej rozwijają się naprężenia prowadzące do kruszenia i mikropęknięć.

• Brak właściwego napowietrzenia i/lub zbyt wysoka zawartość wody w mieszance zwiększa podatność na uszkodzenia.

• Działanie soli odladzających lub agresji chemicznej może przyspieszać proces, prowadząc do głębszej degradacji.

• Problemy jakości kruszyw do betonu

Jak rozpoznać i ocenić skalę uszkodzeń

• Wizualna inspekcja powierzchni i odchylanie luźnych fragmentów.

• Test młotka (sondowanie) dla określenia przyczepności i strefy osłabienia.

• Badania rdzeniowe i pomiary wytrzymałości na ściskanie z rdzeni.

• Pomiary porowatości i nasiąkliwości; metoda absorpcji wody.

• Badanie głębokości karbonatyzacji i obecności chlorków, jeśli widoczna jest korozja zbrojenia.

• Dokumentowanie lokalizacji uszkodzeń, liczby cykli mrozowych i warunków eksploatacji.

Badanie betonu i diagnozowanie skali uszkodzeń od mrozu i destrukcji betonu

Badania nieniszczące NDT

Określają stan betonu i pozwalają na ocenę wytrzymałości betonu w konstrukcji, bez pobierania próbek.

• Młotek Schmidta (sklerometr)

  • Badanie młotkiem Schmidta pozwala na ocenę jednorodności warstwy powierzchniowej orientacyjną ocenę wytrzymałości betonu i oszacowanie wytrzymałości na ściskanie poprzez pomiar twardości powierzchni.

    

• Metoda ultradźwiękowa UPV

  • Ultradźwiękowe badanie betonu poprzez pomiar prędkości fali ultradźwiękowej przechodzącej przez element; wykrywanie wewnętrznych pustek, rozwarstwień i spękań oraz ocena jednorodności i jakości materiału.

• Metody elektromagnetyczne GPR i Cover Meter

  • Lokalizacja zbrojenia, pomiar grubości otuliny betonowej; wykrywanie pustek i delaminacji pod powierzchnią.

• Badanie Pull‑off

  • Pomiar przyczepności warstw wierzchnich, np. powłok i zapraw naprawczych, do podłoża betonowego.

Badania niszczące i laboratoryjne

Dostarczają najbardziej precyzyjnych informacji o stanie wewnętrznym konstrukcji.

• Pobranie odwiertów rdzeniowych

  • Uzyskanie cylindrycznych próbek z konstrukcji do badań laboratoryjnych.

• Badania laboratoryjne rdzeni

  

  • Wytrzymałość na ściskanie — weryfikacja klasy betonu.

  • Badanie petrograficzne — analiza cienkich przekrojów pod mikroskopem: identyfikacja typu cementu i kruszywa, struktury porów, obecności mikropęknięć, objawów reakcji alkalia–kruszywo lub skutków korozji mrozowej.

  • Pomiary fizyczne — nasiąkliwość, gęstość objętościowa, badania mrozoodporności w komorze klimatycznej.

• Analizy chemiczne

  • Głębokość karbonatyzacji — określana najczęściej wskaźnikowo, np. za pomocą fenoloftaleiny, w celu oceny utraty zasadowości betonu chroniącej zbrojenie.

  • Zawartość chlorków — kluczowe badanie do oceny ryzyka korozyjnego zbrojenia.

Sposoby naprawy w zależności od stanu

• Powierzchniowe łuszczenie / drobne odpryski:

  • Usunięcie luźnych, niezwiązanych warstw; oczyszczenie; uzupełnienie zaprawami wyrównawczymi o niskim skurczu i dobrą przyczepnością; zastosowanie impregnatów hydrofobowych (jeśli dopuszczalne).

    

• Głębsze ubytki i odsłonięte zbrojenie:

  • Odsłonięcie, oczyszczenie i zabezpieczenie zbrojenia; zastosowanie zapraw naprawczych cementowych o niskim module elastyczności lub elastycznych zapraw polimerowych; warstwowe wypełnienie i remontaż powłoki ochronnej.

• Przemarznięty beton w strefie nośnej (znaczne obniżenie wytrzymałości):

  • Wymiana/odtworzenie elementu lub istotna rekonstrukcja; przy elementach krytycznych rozważyć demontaż i wykonanie na nowo.

• Zapobieganie wtórnej korozji zbrojenia:

  • Naprawa ochrony przeciwkorozyjnej, zastosowanie zabezpieczeń katodowych lub powłok ochronnych na zbrojenie, stosowanie inhibitorów korozji w zaprawach.

Środki zapobiegawcze i projektowe

• Zapewnienie odpowiedniego napowietrzenia mieszanki betonowej (powietrza w postaci stabilnych pęcherzyków) dla stref narażonych na cykle mrozowe.

• Kontrola stosunku w/c; unikanie nadmiernej wilgotności przed i podczas wiązania.

• Odpowiednie pielęgnowanie betonu w okresie dojrzewania, ochrona przed wczesnym zamarznięciem.

• Stosowanie dodatków mrozoodpornych i powierzchniowych impregnacji hydrofobowych tam, gdzie to wskazane.

  

  • Przeciwmrozowa domieszka do betonu, tzw. domieszka zimowa

• Projektowa i wykonawcza dbałość o drenaż i odprowadzenie wód opadowych oraz ograniczanie użycia soli odladzających w bezpośredniej strefie konstrukcji.

Kryteria przyjęcia / odbioru po naprawie

• Brak luźnych fragmentów i odspojonej warstwy; chropowata, nośna powierzchnia.

• Wytrzymałość naprawionego fragmentu zgodna z lokalnymi wymogami (pomiar sondą lub rdzeniami).

• Brak narastającej wilgoci i stałych plam po zakończeniu prac; stabilność po co najmniej 7–14 dniach obserwacji.

• Dodatkowe testy, gdy wymagane: odporność na cykle mrozowe przyśpieszone (laboratoryjnie) lub badanie przyczepności powłok ochronnych.

Powszechnie stosowany beton - podstawowy materiał konstrukcyjny jest wytrzymały i trwały, ale ulega naturalnemu procesowi stażenia i destrukcji.

Degradacja betonu to procesy prowadzące do utraty właściwości mechanicznych i trwałości konstrukcji betonowych. Obejmuje szereg zjawisk wynikających z czynników materiałowych, wykonawczych i środowiskowych, których skutkiem są uszkodzenia betonu takie jak spękania, łuszczenie, kruszenie i korozja zbrojenia.

W sytuacji, gdy rozpoznaliśmy przemarznięcie betonu w okresie jego dojrzewania jedynie w warstwie powierzchiowej i jednocześnie pomiary wytrzymałości betonu  wykluczają trwałe uszkodzenie jego struktury poniżej warstwy przemarznięcia, możemy podjąć próby naprawy uszkodzonej powierzchni betonu.

Betonowanie w warunkach zimowych (w okresie obniżonych temperatur) wymaga zastosowania specjalnych środków i procedur, aby zapewnić prawidłowe wiązanie i twardnienie betonu oraz osiągnięcie przez niego wymaganej wytrzymałości i trwałości.

Za okres obniżonych temperatur uznaje się czas, gdy średnia dobowa temperatura powietrza wynosi poniżej +5°C (lub zgodnie z niektórymi normami poniżej +10°C, gdy średnia dobowa spada poniżej tej wartości przez co najmniej 3 kolejne doby).