Metoda oceny trwałości materiałów elewacyjnych na podstawie testu przyspieszonego starzenia

K.P.B. Politechniki Śląskiej Gliwice - Kokotek, 28.09 - 01.10.2000 r.

Jan M IK O Ś 1 Jerzy B O C H EN 2 Jan S PY C H A Ł A 2

M ieczysław A N D R E A S IK 3

METODA OCENY TRWAŁOŚCI MATERIAŁÓW ELEWACYJNYCH NA PODSTAWIE TESTU

PRZYSPIESZONEGO STARZENIA

1. T rw ałość m ateriałów elew acyjnych

R ozpatrując trw ałość poszczególnych elem entów bu d o w li np. budynków , n ietrudno zauw ażyć, że w dużej m ierze zależy o n a od w łaściw ości m ateriałów b ezpośrednio stykających się ze środow iskiem zew nętrznym i p o d leg ający m je g o agresyw nem u oddziaływ aniu. D otyczy to szczególnie w y p raw ty n k o w y ch i zew nętrznych faktur ścian osłonow ych budynków . M echanizm n iszczen ia tych m ateriałów je s t zjaw iskiem złożonym i zależy od w ielu czynników . Z teg o punktu w id zen ia najczęściej rozpatruje się w pływ atm osfery gazow ej, zaw ierającej dw utlenek w ęgla i chlorki [7,8].

R ys. 1. Z m iany trw ało ścio w e w łaściw ości użytkow ych m ateriału (elem entu) budow lanego w czasie

T aki typ a g re sji'm a szczególne znaczenie dla konstrukcji żelbetow ych, trw ałości których d ecyduje o tu lin a beto n o w a oraz odporność zb ro jen ia n a p rocesy korozyjne.

'P ro f.d r inż., 2 M gr inż. - K atedra Procesów B udow lanych, P o litech n ik a Śląska, ul.

A kadem icka 5, 44-100 G liw ice, 3 D r inż. - P PH U „T herm odom ” Żory

W pozostałych przypadkach, zw iązanych z m ateriałam i nie zbrojonym i takim i ja k : beton, ceram ika i zapraw y, isto tn ą rolę w odporności na czynniki zew nętrzne odg ry w a ich bu d o w a strukturalna [10]. M a ona w pływ n a m ożliw ość i szybkość penetracji agresyw nych czynników w głąb. O d niej zależy rów nież o d porność na oddziaływ ania te rm iczn o -w ilg o tn o ścio w e. W szystko to zależy rów nież od: składników m ateriałow ych i dodatków , ilości spoiw a, stosunku w /c, konsystencji, jak o ści w y k o n an ia i pielęgnacji.

Jest to czas po którym osiągany je s t graniczny stan użytkow ania. Stan ten określony je s t przez odpow iednie kryterium np. odkształcenie, zarysow anie, ubytek m asy itp. Po osiągnięciu stanu granicznego użytkow ania, m ateriał lub elem ent budow li przestaje spełniać w ym agania techniczne, choć m oże je s z c z e funkcjonow ać, aż do m om entu całkow itej destrukcji , określonego ja k o czas życia („life tim e” ) (R y s.l).

Isto tn ą rolę w kształtow aniu trw ałości odgryw a bu d o w a porow atej struktury m ateriału.

M niejsza objętość porów w pływ a korzystniej na odporność w czasie. W raz ze w zrostem p roduktów hydratacyjnych w zrasta ilość porów żelow ych, a tym sam ym m aleje ilość porów kapilarnych i w zrasta szczelność m ateriału. M a to korzystny w pływ na ilość w ilgoci i gazów przenikających do struktury, a tym sam ym na trw ałość. W kw estii tej znaczenie m a w ielkość porów . D uża ilość porów m olekularnych poniżej 50 A utrudnia w nikanie w ody. W przedziale od 50+1000 A w ilgoć przenika na zasadzie dyfuzji. W porach kapilarnych w ilgoć je s t transportow ana na zasadzie podciągania kapilarnego.

Jednocześnie w ypełnienie porów w o d ą utrudnia przepływ agresyw nych gazów . Przy oddziaływ aniu tem peratur, zw łaszcza niskich, znaczenie o d g ry w ają pory z zakresu 0,1 + 1,0 p m , w których lód pow oduje najw iększe uszkodzenia [11]. W w yniku destrukcji m rozow ej m oże nastąpić spadek w ytrzym ałości m ateriału lub ubytki m asy.

C echy te m o g ą stanow ić kryterium oceny trw ałości. T w orząc m odel, uzależniający w ielkość destrukcji od w ybranych cech m ateriałow ych i czasu, m o żn a z pew nym przybliżeniem oceniać trw ałość m ateriałów . W niniejszej pracy przedstaw iono p ropozycję takiej m etody.

2. M etodyka badań

B ad an ia zm ierzające do o p racow ania m odeli trw ałościow ych oparto na teście odpornościow ym na przyśpieszone starzenie. C harakterystykę testu przyjęto na podstaw ie m etody stosow anej w T rondheim oraz założeń norm y [4], T est polega na cyklicznym i naprzem iennym oddziaływ aniu sym ulow anych czynników klim atycznych, takich ja k : prom ieniow anie św ietlne, podczerw one i U V , zraszanie w o d ą oraz m rożenie.

T est realizow any je s t na specjalnie do tego celu przystosow anym stanow isku do przyśpieszonych badań starzeniow ych - PB S [1]. D ziałanie stanow iska polega na przy­

śpieszonym i naprzem iennym oddziaływ aniu sztucznych czynników klim atycznych na m ateriały, czego efektem je s t proces przyspieszonego starzenia. B adaniom poddano w ybrane m ateriały ścian zew nętrznych takie ja k : tynki m ineralne zw ykłe, tynki pocienione, cegła ceram iczna, beton kom órkow y i gips. U zyskane w yniki stanow iły podstaw ę do o p racow ania przybliżonych m odeli prognozow ania trw ałości. Z godnie z [6] przyjęto całkow ity czas badań w ynoszący 90 cykli badaw czych, przy czym każdy z cykli składa się z 4 cykli jed n o stk o w y ch - jed n o g o d zin n y ch , co łącznie z czasem potrzebnym na ob ró t kom ory centralnej daje 4,5 godziny n a cykl badaw czy. C ykle je d n o stk o w e stanow iska sprow adzono w ięc do ciągłego 60 m inutow ego oddziaływ ania na kolejne ściany kom ory centralnej poszczególnych m ediów : prom ien io w an ia św iet­

lnego, m rozu i w ody. W trakcie trw ania testu rejestrow ano zachodzące zm iany m akroskopow e oraz zm iany struktury porow atości i cech fizycznych badanych m ateriałów .

3. P odstaw y m od elow an ia trw ałości

Przy o pracow aniu m etody w yko rzy stan o zało ż en ia ogólnej teorii zn iszczen ia i użytkow alności [9], w m yśl której granicę trw ałości ro zp atru je się ja k o czas , po upływ ie którego osiągany je s t stan graniczny pew nej cechy ek sp lo atacy jn ej. C zas ten m oże dotyczyć sto p n ia destrukcji bądź stanu użytkow ego. W przypadku pierw szym d estrukcja zachodzi w ów czas, gdy odpo rn o ść je s t m niejsza od od d ziały w an ia niszczącego.

{ D E S T R U K C JA } <=> { R < S } ( 1 ) Z godnie z t ą relacją, m odel trw ałości m o żn a przed staw ić ja k o k rzy w ą

zn iszczen ia D (t) - ( rys.2):

Rys.2. D estrukcyjny m odel trw ałości

C zas po którym zo stan ie osiągnięte d o puszczalne zn iszczen ie je s t trw ałością.

Jako przykład m oże posłużyć d estru k cja m ro zo w a w postaci uby tk ó w m asy.

M ro zoodporność zostanie w y czerpana gdy ubytki m asy p rz ek ro czą 5% m asy początkow ej. T rw ałość m o żn a także zam odelow ać pod kątem u żytkow alności , ja k o k rzy w ą odporności R (t) - (rys.3). C zas po którym o d porność o siągnie dopuszczalny poziom je s t czasem trw ałości. Przykładem m oże być także d estru k cja m rozow a przejaw iająca się spadkiem w ytrzym ałości. C zas po którym spadek w ytrzym ałości przekroczy 2 0% w artości początkow ej je s t trw a ło śc ią m ateriału (5).

R ys.3. U żytkow y m odel trw ałości

P rzedstaw ione pow yżej m odele trw ałości m o g ą być zastosow ane do opisu destrukcji m rozow ej i pow ierzchniow ej - w yw ołanej p e n e tra c ją deszczu i nagrzew em . Z godnie z [9] destrukcję m ro zo w ą m o żn a opisać ja k o funkcję c z a so w ą w ytrzym ałości i m asy. N a skutek cyklicznego zam rażania i ro zm rażan ia w y trzy m ało ść m aleje i zm ienia się w g relacji ( 2 ):

d n

R ( t ) = R28[ l - ( 1 - ( - ) " ) ] ( 2 )

h

gdzie : d - głębokość od pow ierzchni próbki h - głębokość w pływ u zam rażania n - liczba cykli zam rażania

P ow yższem u zjaw isku tow arzyszy ubytek m asy , który narasta z czasem w g w zoru:

m i ( t ) = [ c i ■ c2 ■ C3 ■ a 0,7 ■ ( R28 + 8 ) 1,4 ] • t ( 3 )

gdzie : ci - w spółczynnik środow iskow y : 2,0 -f- 160 c2 - w spółczynnik pielęgnacji

c2 = [ 0,85 + 0,17 ■ log( tp ) ]"' , tp - czas pielęgnacji w dniach c3 - w spółczynnik w ieku : 1,0

a - zaw artość pow ietrza [%]

t - czas w latach

P ozostałe oddziaływ ania klim atyczne, takie ja k : nagrzew anie, w pływ y w ilgotnościow e, w ypłukiw anie soli w odą, s ą o dpow iedzialne za destrukcję p o w ie rz c h n io w ą , ob jaw iającą się ubytkam i m asy , zm ieniającym i się ró w n ież z czasem w g zależności:

m 2 ( t ) = [ c , • c2 • R28‘3,3 ] • t ( 4 )

gdzie : C) - w spółczynnik środow iskow y : 50 -r 500000 c2 - w spółczynnik pielęgnacji, j.w .

4. M od elow an ie trw ałości w oparciu o zm ian y w ytrzym ałości

P rzedm iotow e m odele opracow ano d la w yników uzyskanych z badań starzeniow ych losow o w ybranych m ateriałów elew acyjnych, w przew adze tyn k ó w [2][3]. D o prognozow ania trw ałości w oparciu o w ytrzym ałość w y korzystano destrukcyjny zm odyfikow any m odel trw ałości w postaci:

R ( t ) = R 28 [ 1 - ( - ^ k ) °'25 n ■ t )] ( 5 )

H

Ze w zoru w ynika, Ze w ytrzym ałość m oże osiągać tylko w artości m niejsze od w artości początkow ej. W rzeczyw istości zm iany te m o g ą m ieć inny charakter. W pływ hydratacji m oże spow odow ać tuż po stw ardnieniu m ateriału dalszy w zrost w ytrzym ałości. W badaniach przyjęto je d n a k , dla uproszczenia zagadnienia, Ze test w ykonyw any je s t na m ateriałach całkow icie zhydratyzow anych, a w przypadku w ystąpienia w /w zjaw iska potraktow ano go ja k o zakłócenie i n ie brano pod uw agę m ożliw ych przyrostów w ytrzym ałości w okresie początkow ym . W celu adaptacji w /w w zoru dla potrzeb stanow iska PB S przyjęto w ersję zm od y fik o w an ą

gdzie: k =

p p

p P

P p 90 - gęstość rzeczyw ista po 90 cyklach,

p p

p rzykładow o - tynk E urom ix 3.02: R 28 = 11,30 M Pa,

n = 90 / 4 = 22,5 cykli norm ow ych,

p p

p p

k = p p90 / p po

R (90c) = 11,75 [ 1- ( 0,8 • 0,996 )22'5] = 11,22 M P a

Z godnie z p ra c ą [2] przyśpieszenie p rocesów starzeniow ych w k om orze PB S w stosunku do w arunków naturalnych, w ynosi około 12 -s- 14. O zn acza to, że efekty testu starzeniow ego, trw ającego 90 cykli tj. około 1 m iesiąc (4 h- 5 cykli na d obę), są p o rów nyw alne ze starzeniem naturalnym , trw ającym 1 rok. Z n ając w ięc p rzew idyw ane zm iany w ytrzym ałości po 1 roku oraz lim it trw ałościow y, w y n o szący 2 0 % spadku w ytrzym ałości w zględem w artości początkow ej, m o żn a o szaco w ać trw ało ść zgodnie z m odelem ( rys.4 .) :

R ys.4. W ytrzym ałościow y m odel trw ałości

P rzyjm ując m in im aln ą d o p u szczaln ą w artość w ytrzym ałości, w y n o sz ą c ą 80%

w artości początkow ej oraz je j liniow y p rzebieg R ( t ) = a • t + R 0 z a którym p rz e m a w ia ją : m ałe zm iany w czasie t| , brak po m iaró w pośrednich , m o żn a o kreślić dla każdego z m ateriałów p rzybliżony teoretyczny m odel w ytrzy m ało ścio w y ich trw ałości.

P rzykładow o m odel taki dla tynku E urom ix 3.02 będzie w yglądał n astęp u jąco : R0 = 11,30 M P a , R , = 11,22 M Pa

R mm = 0,8 x 11,30 = 9,04 M P a zatem : R( t ) = a • t + R 0 ,

gdzie: a = (11,22 - 11,30 ) / 1,0 = - 0 ,0 8

Z m odelu tego w ynika, że p rzew idziany okres trw ałości b ędzie w y n o s ił:

t T - - ( Rmin - R o ) ( 6 )

a

zatem , d la tynku E urom ix 3.02 : tT = ( 9,04 - 11,30 ) / (- 0,0 8 ) = 28,3 lat D la pozostałych m ateriałów w y trzy m ało ścio w e m odele trw ałości oraz

o dpow iadające im przew idyw ane okresy trw ałości b ę d ą w ynosić od p o w ied n io - (tabl. 1)

5. M od elow an ie trw ałości w oparciu o zm ian y m asy

D o p ro g n o zo w an ia trw ałości w oparciu o zm ian y m asy w yko rzy stan o m odel zaproponow any w pracy [ 9 ] . Jest to m odel teoretyczny , o p isujący przyrosty ub y tk ó w m asy w czasie, w yw ołane procesam i starzeniow ym i. M odel m a ch arak ter em p iry czn y i obejm uje ubytki m asy w yw ołane d e stru k c ją dw ojakiego rodzaju: d estru k cję m r o z o w ą - m ,( t ), d estru k cję p o w ie rz c h n io w ą - m 2( t ), gdzie:

T ab lica 1. W ytrzym ałościow e m odele i przew idyw ane okresy trw ałości

Lp. Rodzaj m ateriału R ( t ) T rw ałość

txí lata 1

1. C egła ceram iczna - 0,07 * t + 12,38 35

2 . T ynk cem entow y -0 ,1 * 1 + 1 1 ,9 2 24

3. T ynk „Y to n g ” - 0,013 • t +1,73 27

4. Tynk „W ega” - 0,09 * t +13,64 30

5. Tynk „E urom ix” 3.02. - 0,082 * t +11,75 28

6 . Tynk cem -w ap - 0,03 • t +3,01 20

gdzie: m ,( t ) = [ c, • c2 • c3 • a'° 7 • ( R 28 + 8 )‘M ] • t ( 3 ) m2( t ) = [ Cl • C2 • R28 3 3 ] ' t ( 4 )

M( t ) = rr»i( t ) + m2( t ) ( 7 )

Z uw agi n a trudność pom iaru rzeczyw istych ub y tk ó w w trak cie testu starzeniow ego, w niniejszym opracow aniu zrezygnow ano z dośw iadczalnej w eryfikacji pow yższych m odeli, traktując j e ja k o ostateczne. P rzyjm ując odpow iednie w spółczynniki w pow yższych w zorach, uzyskano dw a m odele destrukcyjne:

m i( t ) = k, • (R 28 + 8 )"1,4 • t ( 8 ) gdzie : k, = 2,0 • 0,91 • 1,0 • p'0’7 = 1 ,8 2 • p 0-7

oraz:

m 2( t ) = k2 * R 28-3 3 * ( t ) ( 9 )

g d z ie : k2 = 50 »0,91 = 4 5 ,5

Rys. 5. D estrukcyjny m asow y m odel trw ałości

Prognozow anie trw ałości z w ykorzystaniem pow yższych w zorów oparto na idei destrukcyjnego m odelu trw ałościow ego (rys.5).

Z godnie z charakterem m odelu m asow ego, w którym zm iany ubytków są p roporcjonalne do czasu (stałe ubytki roczne), przyjęto w pow yższym m odelu zm ienność liniow ą:

M = a • ( t ) [ m m / rok ] ( 1 0 ) W celu w yznaczenia w spółczynnika „a” w ykorzystano zależność , że długość testu starzeniow ego odpow iada starzeniu naturalnem u o długości 1 roku. P rzykładow o, roczne ubytki m asy dla poszczególnych m ateriałów oraz p roponow ane m asow e m odele trw ałości m o g ą być następujące - (tabl.2). W dw óch przypadkach odrzucono nadm ierne w yniki destrukcji pow ierzchniow ej (*) traktując te w artości ja k o błędne.

T ablica 2.

Lp. Rodzaj m ateriału

m, [m m /rok]

m 2 [m m /rok]

M

[m m /rok] M (t) = a • t

1. C egła ceram iczna 0,0039 0,0113 0,0152 0,0152 * t

2 . T ynk „ Y to n g ” 0,0131 7,455 * 7,4686 0,0131* t

3. T ynk cem entow y 0,0046 0,0137 0,0173 0,0173 • t

4. T ynk cem ent.-w ap. 0,0109 1,212 * 1,223 O o o so ^•

5. T ynk E urom ix 3.02 0,0049 0,0128 0,0177 0 ,0177 * t

6 . T ynk W ega 0,0049 0,0082 0,0131 0,0131 * t

Z tak opracow anych m odeli w y n ik a , że przew idyw any o kres trw ało ści będzie w y n o s ił:

t T = — M max (11)

a

Z zależności w ynika, że trw ałość będzie to czas, w którym ubytki masy w yw ołane d estru k cją te rm ic z n o -w ilg o tn o śc io w ą nie p rz ek ro czą w artości dopuszczalnej. D o określenia dopuszczalnego ubytku m asy zaad o p to w an o zalecenia no rm o w e [5] w g których dla betonu p oddanego badaniom odporności na działanie m rozu m e to d ą p rz y ś p ie s z o n ą , ubytki te pow inny p rzekraczać w arto ści 0,05 cm 3/c m 2 . Z godnie z tym zaleceniem d o p u szczaln a głębokość ubytków będzie w ynosić: M max = 0,5 m m /m 2 .

D la tak przyjętego m odelu destrukcji m rozow ej przew idyw ane okresy trw ałości p oszczególnych m ateriałów w ynosić b ę d ą o dpow iednio - (tabl.3). W dw óch m odelach w artości trw ałości określono z w ykluczeniem destrukcji pow ierzchniow ej (*),

stosow nie do zało żen ia w tabeli 2 .

T ab lica 3.

Lp. R odzaj m ateriału M ( t ) = a • t T R W A Ł O Ś Ć tT fiata]

1. C eg ła ceram iczna 0,0152 * t 32

2 . T ynk „Y to n g ” * 0,0131 * t *19

3. T ynk cem entow y 0,0173 * t 29

4. T ynk cem ent.-w ap. * 0,0109 * t * 23

5. T ynk E urom ix 3.02 0,0177 * t 28

6 . T ynk W ega 0,0131 * t 38

6 . O cena zaprop on ow an ej m etod y i w n iosk i

N a p o d staw ie zaproponow anych m odeli, u zyskano w yniki p ro gnozow anych trw ałości (tabl.4).

R ó ż n ią się one w poszczególnych m odelach choć zbliżone do siebie. N a ich p o d staw ie n a su w a ją się następujące w nioski. Z apro p o n o w an e w p racy m o d ele trw ałości m o g ą stanow ić użyteczne narzędzie do szaco w an ia trw ałości m ateriałów budow lanych.

P o d obieństw o w yników sprzyja ich alternatyw nem u korzystaniu. Z nając w ytrzym ałości i gęstości m ateriałów m o żn a k orzystać z m odelu w ytrzym ałościow ego.

T ablica 4.

Lp Rodzaj m ateriału

TRWAŁOŚĆ [ lata ] W oparciu o model

TRWAŁOŚĆ Prognoz, [lata]

WYTRZYMAŁOŚCIOWY MASOWY ŚREDNIA

1. C eg ła ceram iczna 35 33 34

2 . T ynk cem -w ap. 20 23 22

3. T ynk cem entow y 24 29 27

4. T ynk Y tong 27 19 23

5. T ynk „E urom ix” 3.02 28 29 29

6 . T ynk „W ega” 30 38 34

D ysponując p o ro w ato ścią i w y trzy m ało śc ią m o żn a używ ać m o d elu m asow ego.

M odele te nie w y d ają się być je d n a k uniw ersalnym dla w szystkich m ateriałów . Pew ne różnice w yników oraz w prow adzane w trakcie analiz korekty, św iad czą o konieczności ich doskonalenia. D otyczy to w szczególności stosow anych w spółczynników środow iskow ych, a także w artości dopuszczalnych spadku w ytrzym ałości i ubytków m asy d la różnych m ateriałów . P rzykładow o w m ateriałach o niskiej w ytrzym ałości takich ja k : beton kom órkow y, gips, ty n k w apienny i cem entow o-w apienny, roczne ubytki m asow e znacznie p rzek raczają w /w w artość graniczną. P rzyjęta m etoda, ja k k o lw ie k użyteczna, w ym aga oczyw iście kontynuacji badań w celu ich doskonalenia.

L iteratura

[1] M ikoś J., N ow ak H .A , B ochen J., A ndreasik M.: „B adania odporności m ateriałów budow lnych w w arunkach przyśpieszonego starzenia” - M ateriały B udow la. 12/98 [2] B ochen J., S pychała J.: „B adania trw ałości w ybranych m ateriałów ścian

zew nętrznych w w arunkach przyśpieszonego starzenia” Praca badaw cza w yk o n an a d la PPH U "TH ER M O - D O M ” w roku 1997.

[3] B ochen J., N o w ak H. A ., A ndreasik M: „B eschleunigte A lterungstests von A u ssenputzen zur P rognose der D auerhaftigkeit” ; 5th International C olloguium

„M aterials Science and R estoration 9 9 ” E sslingen, G erm any 11/12.1999, [4] P N -85/C -89037. M etody badań odporności na starzenie. T w orzyw a sztuczne.

[5] PN -88/B - 06250 „B eton zw ykły”,

[6] P N -91/B -10105. M asy tynkarskie do w y konyw ania pocienionych w ypraw elew acyjnych .W ym agania i budow a.

[7] Ściślew ski Z.: „Z asady p rojektow ania budynków i budow li z uw zględnieniem trw ałości. ITB W arszaw a 1994.

[8] Ściślew ski Z: „T rw ałość konstrukcji żelbetow ych” , ITB W arszaw a 1995.

[9] Sarja A ., V esikari E.: „D urability design o f concrete structures” R ilem R eport 14.

[10] M ikoś J.: „Z w iązki fizyczne struktury porow atości z cecham i betonu cem en to w eg o ”, P olitechnika Śląska, Z eszyt N auk. nr 618, G liw ice 1979.

[1 l] N o w a k H .A .: „Z ależności w ytrzym ałości zaczynów gipsow ych od średniego prom ienia porów ich m ikrostruktury” . P raca doktorska, G liw ice 1978.

AN E V A L U A T IO N M E T H O D O F R E N D E R IN G M A T E R IA L S D U R A B IL IT Y B A SE D O N A C C E L E R A T E D A G E IN G T E ST

S u m m a ry

A method o f accelerated ageing test o f different external renderings is presented. For the description o f durability two models have been proposed. One o f this is based on the changes o f w eightloss and the other on the changes o f strength. Both models can be used for prognosis o f durability o f external renderings.