K.P.B. Politechniki Śląskiej Gliwice - Kokotek, 28.09 - 01.10.2000 r.
Jan M IK O Ś 1 H enryk A. N O W A K 2 Jerzy B O C H E N 3 Jan S PY C H A Ł A 3
STANOWISKO I METODYKA BADAŃ ODPORNOŚCI I TRWAŁOŚCI MATERIAŁÓW I ELEMENTÓW
BUDOWLANYCH
1. W p row ad zen ie
P roblem atyka trw ałości nab iera w b u dow nictw ie coraz w iększego znaczenia, w raz z o b serw ow anym postępem w tej dziedzinie. T rw ałość staje się standardow ym param etrem m ateriałów , decydującym o ich ja k o śc i i zastosow aniu. R ze c z ą o czy w istą je s t, że w łaściw y dob ó r m ateriałów , ich odporność i trw ałość, m a ją w pływ n a czas eksploatacji obiektów i ich koszt utrzym ania. W obec tego, zagadnieniom tym p o św ięca się coraz w ięcej uw agi od strony technicznej i naukow ej. O pracow yw ane s ą m etody oceny odporności i trw ałości m ateriałów i w y ro b ó w budow lanych. W przypadku trw ałości, a zw łaszcza je j prognozow ania, zag ad n ien ie n ap o ty k a na w iele trudności w obec złożoności m echanizm ów starzeniow ych oraz budow y i w łaściw ości m ateriałów . N ieco prostszym zagadnieniem je s t określanie odpo rn o ści m ateriału. Pod pojęciem odporności m ateriałów budow lanych przyjęto rozum ieć o p ó r struktury m ateriału na od d ziały w an ia czynników destrukcyjnych (chem icznych, fizykochem icznych i fizycznych) w um ow nych w arunkach ich od d ziały w an ia i w um ow nym czasie.
K onsekw entnie, trw ało ść należałoby rozum ieć ja k o o d porność m ateriałów w rzeczyw istych w arunkach ich pracy w czasie ich eksploatacji.
W iadom o, że n a odporność w pływ m a ją w łaściw ości m ateriałów - m echaniczne i fizyczne. P oniew aż z ale żą one w dużym stopniu od budow y w ew nętrznej, trw ałość utożsam ić m o żn a z o d p o rn o ścią kapilarno-porow atej struktury na niem echaniczne w pływ y zew nętrzne, takie ja k w ilgoć i tem peratura, a zw łaszcza stany p rzejścia przez tem p eratu rę 0°C. N ie m o żn a tu pom inąć w pływ u atm osfery zaw ierającej agresyw ny dw u tlen ek w ęgla i chlorki. D otyczy to oczyw iście m ateriałów b ezpośrednio stykających się ze środow iskiem zew nętrznym , od których zależy trw ało ść obiektów b udow lanych i ich elem entów takich ja k np. ściany zew nętrzne, a w szczególności w ypraw y tynkow e.
M ożna w ięc stw ierdzić że, m iarą trw ałości s ą zm iany zach o d zące w m akro i m ikroporow atej strukturze m ateriałów w okresie eksploatacji [8]. Z m iany te m o żn a obserw ow ać na podstaw ie badań długotrw ałych w w arunkach rzeczyw istych [10], bądź
1 P rof.dr i n ż . , 2 D r .in ż ., 3 M gr.inż. - K atedra Procesów B udow lanych, P o litech n ik a Śląska, ul. A kadem icka 5, 4 4-100 G liw ice, e-m ail:
sek retariat@ k ap ro c.b u d .polsl.gliw ice.pl
badań krótkotrw ałych - skróconych bądź przyśpieszonych, w w arunkach ąuasirzeczyw istych [5], Z uw agi na długotrw ałość zachodzących w czasie eksploatacji zjaw isk, dąży się do w nioskow ania o trw ałości czy te ż odporności, n a p odstaw ie badań krótkotrw ałych, m iędzy innym i przyśpieszonych [1,7,9]. T akie b ad an ia m ożna p row adzić tylko na specjalnie do tego celu przygotow anych stanow iskach. Jednym z takich stanow isk je s t rotacyjna kom ora przyśpieszonego starzenia będąca na w yposażeniu ośrodka gliw ickiego.
2. Stanow isko do p rzyśpieszonych badań starzeniow ych
M ając na celu opracow anie m etody um ożliw iającej szacow anie trw ałości m ateriałów budow lanych, przeprow adzono pilotażow e badania odporności w w arunkach przyśpieszonego starzenia. B adania p rzeprow adzono na specjalnie zbudow anym do tego celu stanow isku [10]. P rzy jętą m etodę badań w zorow ano na procedurze norw eskiej stosow anej w T rondheim . W m etodzie tej m ateriały poddaw ane s ą naprzem iennym , cyklicznym oddziaływ aniom sym ulow anych czynników klim atycznych, takich ja k : niska tem peratura, deszcz, prom ieniow anie słoneczne. Do sym ulacji w /w czynników służy specjalistyczne, w pełni zautom atyzow ane stanow isko badaw cze. Z ostało ono w ykonane z m y ślą o badaniach trw ałości m ateriałów a także elem entów budow lanych w skali rzeczyw istej takich ja k tynki, w ypraw y ścienne, fragm enty konstrukcji a także okna. S tanow isko pozw ala na sym ulację różnych czynników destruktyw nych, w tym kw aśnych deszczów .
R y s .l. S chem at budow y stanow iska do badań starzeniow ych PB S
S tanow isko do przyspieszonych badań starzeniow ych - PBS składa się z czterech kom ór. Z asad n ic zą k o m o rą b ad aw czą je s t centralna kom ora o brotow a w y p o sażo n a w cztery ściany ekspozycyjne do m ontażu ciał próbnych o w ym iarach 1,5 x 2,0 m każda.
T rzy p o zo stałe kom ory s ą przesuw ne i w sp ó łp racu ją z k o m o rą centralną, oddziaływ ując na próbki sym ulow anym i czynnikam i klim atycznym i (ry s .l).
K om ora 1 - (żółta) sym uluje prom ieniow anie słoneczne w zakresie pełnego spektrum . P rom ieniow anie w idzialne w zakresie 400+700 nm u m o żliw iają lam py halogenow e o m ocy 8 kW w ytw arzające tem peraturę do 70°C. Prom ienniki nadfioletu o d ługościach fal 185 i 255 nm im itu ją prom ieniow anie UV.
K om ora 2 - (niebieska) (rys.2) - im ituje deszcz i w iatr. Z raszanie w o d ą um ożliw ia układ dw óch dysz poziom ych, z których je d n a nieruchom a w ytw arza w odę błonkującą, zaś druga, zasadnicza pionow o - ruchom a, d o starcza ukośnej strugi.
Z raszanie skojarzone je s t z podm ucham i w iatru o regulow anej am plitudzie i częstości.
K om ora 3 - (w kolorze białym ) - im ituje m rożenie i o b n iża tem peraturę pow ierzchni badanych p róbek do -20 °C.
R ys.2. W idok stan o w isk a PBS od strony kom ory „d eszczu ” i „m ro zu ” .
K om ory klim atyczne p ra c u ją w sposób ciągły z przerw am i na o b ró t kom ory centralnej. Pełny cykl starzeniow y je s t rów now ażny je d n e m u obrotow i kom ory centralnej i trw a około 4 godziny przy zadanym jed n o stk o w y m cyklu dla kom ór klim atycznych trw ającym 1 godzinę. W ty m czasie k ażd a p ró b k a p o d d an a je s t kolejnym i n aprzem iennym oddziaływ aniom term iczn o -w ilg o tn o ścio w y m w układzie: grzan ie i naśw ietlanie, zraszanie, chłodzenie, odm rażanie, (ry s.3). P o przejściu przez kom ory klim atyczne, w czw artej pozycji kom ory centralnej, badane m ateriały p o d d an e są klim atow i hali laboratoryjnej i m o g ą być w ów czas o bserw ow ane. Stanow isko sterow ane je s t zdalnie i autom atycznie przy pom ocy k om putera i m ik ro p ro ceso ro w eg o przyrządu sterującego i je s t zgodne z w ym aganiam i podanym i w norm ie b adań tw orzyw sztucznych [2], P aram etry czynników klim atycznych dobran o zgodnie z w ym aganiam i norm y [3] obow iązującej w przem yśle chem icznym . W zgodzie z t ą n o rm ą je s t także charakter pracy stanow iska. Z uw agi na brak regulacji norm ow ej w zakresie badań trw ałości m ateriałów budow lanych, przyjęto stosow nie do zaleceń norm y [4], długość badań odporności na przyśpieszone starzenie ja k o 90 cykli.
R ys.3 .C h arak tery sty k a term iczn a ściany testow ej w czasie je d n e g o cyklu b adaw czego.
3. M etodyka badań
B ad an ia przy użyciu kom ory starzeniow ej prow adzone s ą ośrodku gliw ickim w g m etodyki określonej o d p o w ied n ią p ro ced u rą (rys4). Z arów no trw ałość ja k i odporność, określane s ą na podstaw ie w yników i zw iązków uzyskanych z badań w środow isku sym ulow anych czynników klim atycznych. C zynnikam i tym i s ą n iem echaniczne w pływ y, takie ja k tem p eratu ra - niska (-20 C) i p o d w y ższo n a (+ 70 C ) oraz w ilgoć i w oda, które d z ia ła ją w sposób cykliczny i naprzem ienny. C zynniki te p e łn ią funkcję oddziaływ ań destruktyw nych Ai - A n , które z kolei w p ły w ają na w ew n ętrzn ą strukturę m ateriału. T eoretycznie oddziaływ ania te realizu ją się na poziom ie m ikrostruktury tj.
w iązań cząsteczkow ych oraz m akrostruktury, obejm ującej budow ę porów . O ddziaływ ania m ają obejm ow ać cały przekrój badanej przegrody, począw szy od w arstw y zew nętrznej w głąb przegrody. P raktycznie, oddziaływ ania te m a ją decydujące znaczenie w przypow ierzchniow ej eksponow anej w arstw ie zew nętrznej i w yraźnie rejestrow ane są na poziom ie struktury porow atej. Z m iany m ikrostrukturalne nie są przedm iotem uw agi z pow odu trudności w ich śledzeniu i pom iarze. Skutkiem pow yższych oddziaływ ań s ą zachodzące w ew nątrz m ateriałów procesy destruktyw ne takie ja k np. w nikanie i przepływ czynników destruktyw nych o raz o d k ształcen ia i nap rężen ia term iczno-w ilgotnościow e. Skutkiem tych procesów s ą pew ne efekty fizyczne ja k : zm iany w łaściw ości czy defekty m ateriałow e. E fekty te rejestro w an e ja k o cechy m ierzalne m a ją zastosow anie przy określaniu odporności i trw ałości.
R ys.4. O gólny schem at m etodyki badań trw ałości i odporności
4. M etoda badań odporności
Z a p o m o c ą kom ory rotacyjnej, w oparciu o zalecenia norm [2] i [3] m ożliw e je s t przyśpieszone badanie odporności w ypraw oraz faktur elew acyjnych na działanie czynników atm osferycznych. B adania p o leg ają n a p rzeprow adzeniu testu starzeniow ego, trw ającego 90 cykli, w g norm y [4], Z godnie z n o rm ą [3] w trak cie testu prow adzone s ą badania m akroskopow e, polegające na rejestrow aniu co 5 cykli zm ian na p o w ierzchniach eksponow anych. W yniki obserw acji, zgodnie z zaleceniam i norm ow ym i rejestrow ane są na kartach postępu zm ian starzeniow ych posługując się w tym celu w ielo k ry terialn ą o cen ą stanu. O cenie p o d leg ają takie cechy ja k : barw a, zabrudzenie, kredow anie, erozja, spękanie, łu szczenie , pęcherze i p rzyczepność do
podłoża. K ażd a cecha je s t o ceniana w skali 5-io lub 4-o punktow ej na p odstaw ie obserw acji. W ynikiem je s t globalny procentow y w sp ó łczy n n ik odpo rn o ści K , :
K t = [%] (1)
A o
gdzie : A , - w artość liczbow a w łaściw ości tw o rzy w a po teście starzeniow ym A 0 - w artość liczbow a w łaściw ości tw o rzy w a przed testem
starzeniow ym
W spółczynnik m oże służyć do przybliżonej oceny sto p n ia odporności a także je g o o dnoszenia do w arunków naturalnych, na p odstaw ie o d p ow iednich przełożeń norm ow ych. Ponadto dla ilustracji historii destrukcji, inw entaryzow any je s t rozw ój u szkodzeń i zm ian fizycznych n a pow ierzchniach badanych p ró b ek . W m yśl norm y [3] za odporne u w aża się m ateriały, które po 90-iu cyklach nie w y k a z u ją spękań, łuszczenia, i zm ian przyczepności przy dopuszczalnej zm ian ie p ozostałych cech o je d e n stopień.
5. M etoda ocen y trw ałości
K orzystając z zasad i sform ułow ań teorii użytk o w aln o ści i zn iszczen ia [6], o pracow ano te o re ty c z n ą i p rzy b liżo n ą m etodę szaco w an ia trw ałości. Jej p o d sta w ą je s t d u aln a interpretacja trw ałości ja k o czasu, który m oże doty czy ć b ądź stanu użytkow ego w m yśl podstaw ow ej definicji, b ądź też stopnia destrukcji. W obydw óch przypadkach osiągających w artości graniczne u znane za dopuszczalne. N a tej po d staw ie przyjęto dw a m odele trw ałości. Jeden w yrażający zm iany w y trzy m ało ści i opisujący stan użytkow alności. D rugi natom iast p rzedstaw iający zm iany m asy i ty m sam ym stan destrukcji. D o oceny trw ałości w oparciu o w ytrzym ałość w y k o rzy stan o m odel w postaci:
R ( t ) = R 28 [ 1 - (0,8 k ) 0 25 n t ) ] (2)
t T = ( Ro " R t n i n ) / ( Ro " Rl ) (3)
gdzie: k = p p90 / p po ,
p p % - gęstość rzeczy w ista po 90 cyklach,
Ppo - gęstość rzeczyw ista przed testem starzeniow ym , n - liczba cykli starzeniow ych
t T - czas trw ałości w latach
R 0 - w ytrzym ałość m ateriału przed starzeniem
R m jn - d opuszczalna w ytrzy m ało ść m ateriału w fazie użytkow ej
Ri - w ytrzym ałość m ateriału po 90 cyklach starzenia
Do pro g n o zo w an ia trw ałości w oparciu o zm iany m asy w y k o rzy stan o m odel o pisujący przyrosty ubytków m asy w czasie, w yw ołane d e stru k c ją m ro z o w ą n i|(t) i p o w ierzch n io w ą m 2( t ) w raz z odpow iadającym czasem trw ałości:
M ( t ) = m , ( t ) + m 2( t ) (4)
m , ( t ) = k, • ( R 28 + 8 ) ' 1'4 • t m 2( t ) = k2 • R 28"3 3 • t
1 t = M max/ M , (5)
gdzie: M , - ubytek m asy w czasie testu starzeniow ego M max - dopuszczalny uby tek m asy
Z a p o m o cą tych m odeli m ożliw a je s t przybliżona o cen a trw ałości m ateriałów elew acyjnych. P odobieństw o w yników sprzyja alternatyw nem u k orzystaniu z narzędzi, stosow nie do dysponow anych cech w yjściow ych. Z nając w ytrzym ałości i gęstości m ateriałów m ożna korzystać z m odelu w ytrzym ałościow ego. D ysponując p o ro w ato ścią i w y trzy m ało śc ią m o żn a używ ać m odelu zm ian masy.
6. P odsum ow anie
Z ap rezentow ane pow yżej stanow isko badaw cze je s t w pełni przydatne do badań odporności m ateriałów budow lanych na p rzyśpieszone starzenie. U zyskane w yniki obserw acji m akroskopow ych św ia d c z ą o skuteczności stanow iska. W ykorzystując to stanow isko oraz dostępne norm y dotyczące badań starzeniow ych, m ożna z pow odzeniem oceniać odporność m ateriałów n a procesy starzeniow e. R okujące nadzieję s ą tutaj rów nolegle prow adzone pom iary porozym etryczne, których zm ienność w yników św iadczy o zw iązku procesów starzeniow ych ze zm ianam i struktury porow atej m ateriałów i co daje m ożliw ość ich w ykorzystania w badaniach trw ałości.
P rzeprow adzone na stanow isku badania oraz opracow ane m etody, zw łaszcza m odele trw ałościow e, m ają charakter pilotażow y i stan o w ią podstaw ę do dalszych badań, zw iązanych z trw ało ścią i je j prognozow aniem .
L iteratura
[1] B ochen J., S pychała J.: „B adania trw ałości w ybranych m ateriałów ścian zew nętrznych w w arunkach przyśpieszonego starzenia” , P raca b ad aw cza w y k o n an a w K atedrze Procesów B udow lanych, G liw ice 1997,
[2] PN -85/C -89037. M etody badań odporności na starzenie. T w orzyw a sztuczne, [3] P N -7 3 /6 7 0 1-03.M etoda przyśpieszonego badania odporności na działanie
czynników atm osferycznych.
[4] P N -91/B -10105. M asy tynkarskie do w yk. pocienionych w ypraw elew acyjnych.
[5] B roniew ski T., F iertak M .: „ M etodologiczne problem y oceny trw ałości m ateriałów bu d ow lanych” , II K onf. N auk.-T ech. M A T B U D 98, K raków -M ogilany 1998, [6] Sarja A ., V esikari E.: „D urability design o f C oncrète S tructures” , R IL EM R eport
14, 1996.
[7] M ikoś J., N o w ak H ., B ochen J.: ’’B ad an ia w pływ u struktury beto n u n a je g o trw ało ść w sym ulow anych w arunkach naprzem iennego działania czynników zew nętrznych” , P rojekt badaw czy d la K BN nr 772329102, G liw ice 1995,
[8] M ikoś J.: „K ształtow anie struktury b etonów w ysokiej w ytrzym ałości i trw ało ści” , Z eszyty N au k o w e P olitechniki Śląskiej, B udow nictw o z .81, G liw ice 1995,
[9] M ikoś J.: W ybrane problem y diagnostyki i p rognozow ania trw ałości tw o rzy w i ob
iektów budow lanych; X X X IV KN. KIL1W PA N i KN P Z IT B ,G liw ice-K ry n ica 88, [lO jM ik o ś J., N ow ak H .A ., L oska A,: „M eto d a badania trw ałości przegród budynków
w w arunkach rzeczyw istych”, C PB P nr 02.01, tem at 3.14, G liw ice 1986-88,
A R E SE A R C H S T A N D A N D M E T H O D O F R E SIST A N C E A N D D U R A B IL IT Y T E S T S FO R B U IL D IN G M A T E R IA L S A N D E L E M E N T S
Sum m ary
In the paper a spécial research stand for durability and résistance o f building materials and elements (walls, renderings) is presented. The appratus works as a rotational chamber for accelerated ageing. Samples are instaled inside and then are subjected to such artifical climatic factors as: radiation, rain and Iow température, continouously and altematively during 90 cycles.
This method is used for estimation o f materiał résistance. Additionaly, basing on this test, a durability o f materials is predicted using two models: strength and weightloss.
