Prognozowanie trwałości tynków zewnętrznych na podstawie zmian właściwości fizycznych w procesie starzenia

Materiały i elementy budowli eksponowane na czynniki atmosferyczne podlegają procesom starzenia. Istnieją specjalne wytyczne i metody służące ocenie i prognozowaniu ich trwałości [1–5], w których zaleca się prowadzenie badań porównawczych, długotrwałych w warunkach naturalnych oraz krótkotrwałych w warunkach symulowanych [1, 2, 6].

Badania te wykonywane są w komorach klimatycznych [7, 8, 9] na podstawie odpowiednich procedur [2, 3]. Uzyskiwane wyniki pozwalają określić charakterystykę starzeniową, która odniesiona do stanu granicznego umożliwia oszacowanie trwałości, np. według normy brytyjskiej BS ISO 15686-2001 [2]. Wartości graniczne są umowne. Mogą to być np. dopuszczalne wartości normowe (jak spadek wytrzymałości, ubytek masy, przyczepności).

Warunki w komorze starzeniowej

Obecnie dostępne są gotowe stanowiska do badań odporności na selektywne oddziaływania klimatyczne, jak wilgotność, temperatura i promieniowanie słoneczne.

Innym stanowiskiem o kompleksowym działaniu, dowolnie programowanym, jest komora starzeniowa znajdująca się na Wydziale Budownictwa Politechniki Śląskiej. Jest to miejsce, w którym materiały poddawane są cyklicznym, symulowanym oddziaływaniom klimatycznym.

Stanowisko na Wydziale Budownictwa Politechniki Śląskiej składa się z 4 komór. Najważniejsza jest komora obrotowa wyposażona w 4 ściany ekspozycyjne o wymiarach 1,6×2,1 m do montażu ciał próbnych. Trzy pozostałe komory współpracują z komorą centralną i symulują dominujące czynniki klimatyczne.

W celach porównawczych próbki zapraw i tynków poddano dwóm testom starzeniowym (500 cykli w warunkach symulowanych i w warunkach naturalnych przez 2 lata). Co 100 cykli oraz co 12 mies. pobierano próbki i oznaczano cechy fizyczne i chemiczne, aby określić, jak się zmieniają w procesie oddziaływania czynników klimatycznych.

Badano wytrzymałość na ściskanie i zginanie, nasiąkliwość i adsorpcję kapilarną, gęstość objętościową i rzeczywistą, porowatość całkowitą i otwartą, mrozoodporność, przyczepność do podłoża, paroprzepuszczalność, odkształcalność termiczną oraz strukturę porowatości.

Przebadane cechy fizyczne pozwoliły na określenie charakterystyk starzeniowych oraz zależności między warunkami naturalnymi i symulowanymi. Z uwagi na możliwość określenia wartości granicznych przydatne do szacowania trwałości okazały się charakterystyki zmian gęstości objętościowej, przyczepności oraz porowatości otwartej.

Prognozowanie na podstawie zmiany gęstości (G)

Oznaczenia gęstości objętościowej w kolejnych etapach starzenia wykazały zmiany w większości o charakterze malejącym (RYS. 1). Wyniki te potwierdzają, że degradacja materiałów porowatych takich jak betony i zaprawy zachodzi strefowo [12], od powierzchni eksponowanej w głąb materiału.

W tynkach o malejącej gęstości (W1, K, S, A) określono ubytki obliczeniowe masy i zmiany grubości w środowisku symulowanym (RYS. 1). Uzyskano w ten sposób charakterystyki starzeniowe. Po ich odniesieniu do wartości granicznych otrzymano modele trwałości pozwalające na szacowanie czasu użytkowania (TABELA 1).

Jako wartość graniczną ubytków masy przyjęto 5% przez analogię do mrozoodporności betonu [13]. Na tej podstawie można było oszacować czas użytkowania w latach z uwzględnieniem współzależności 100 cykli w komorze = 2 lata w warunkach naturalnych [10, 11].

Prognozowanie na podstawie zmiany przyczepności (P)

Analogicznie na podstawie wytycznych BS ISO 15686­‑2001 [2] określono charakterystyki zmian przyczepności o malejącym trendzie na podłożu z bloczków betonu komórkowego (RYS. 2): p (t) = – p1·t + po. Po uwzględnieniu wartości granicznej oszacowano trwałość (TABELA 2).

Jako wartość graniczną przyjęto wymaganą minimalną przyczepność według normy PN-70/B-10100 [14] – 0,1 kG/cm² w odniesieniu do tynków wapiennych, 0,25 kG/cm² w wypadku tynków cementowo­‑wapiennych oraz 0,5 kG/cm2 w wypadku tynków cementowych.

Prognozowanie na podstawie kinetyki zmian porowatości otwartej (P_O)

Stwierdzono monotoniczne zmiany porowatości otwartej testowanych zapraw tynkowych zarówno w środowisku naturalnym, jak i symulowanym. Wykorzystano je do opisu procesu starzenia. Kinetykę zmian porowatości opisano wyrażeniem umożliwiającym opis zmian malejących i rosnących:

gdzie:
P_o, P_∞ – początkowa i największa przewidywana porowatość otwarta,k – współczynnik kinetyczny zależny od temperatury.

Badane zaprawy tynkowe podzielono na dwie grupy – o trendach rosnących (grupa 1, RYS. 3) i malejących (grupa 2). Stałe kinetyczne P_∞, k wyznaczono w programie komputerowym. W odniesieniu do tynków na spoiwach mineralnych przyjęto średnią temp. 22,5°C jednego cyklu w komorze starzeniowej od –20°C do +65°C, a w wypadku tynków na spoiwach polimerowo-żywicznych (K, S, A) maks. temp. słoneczną +65°C.

Określone w ten sposób charakterystyki nie są typowymi modelami trwałości ze względu na trudność określenia wartości granicznej. Przy uwzględnieniu jednak współzależności 100 cykli = 2 lata [10, 11] można oszacować porowatość otwartą w warunkach naturalnych.

Na tej podstawie oraz znanej zależności między wytrzymałością na ściskanie f_ck a porowatością otwartą Po można szacować wytrzymałość.

Przykładowo w tynku Cw3 porowatość otwarta po 500 cyklach, czyli po 10 latach, wynosi 11,2%. Wytrzymałość początkowa to 18,5 MPa, a dla empirycznej zależności f_ck = –0,11·P_o +14,0 wytrzymałość na ściskanie po 10 latach można oszacować jako 12,7 MPa.

Prognozowanie trwałości na podstawie ubytku masy (M)

Do tej analizy zastosowano model Vesikari-Pihlajavaary (VP) [4] opisujący dwa rodzaje ubytków masy tworzyw betonowych wywołanych degradacją mrozową (m1) oraz ekstrakcją (m2). Przyjęto, że ubytki zachodzą proporcjonalnie do czasu, zgodnie z typologią określoną przez Y. Matsufuji [5]. W związku z tym przyjęto model typu liniowego:

gdzie:
c₁ – współczynnik środowiskowy zależny od rodzaju i klasy środowiska zewnętrznego o wartościach 0–4,
c₂ – współczynnik zmian przyczepności do podłoża postaci c₂ = σ₁/σ_o danego etapu starzenia i stanu początkowego,
c₃ – współczynnik zmian przenikalności pary wodnej c₃ = δ₁/δ_o danego etapu starzenia i stanu początkowego,
V_Z – porowatość zamknięta jako różnica porowatości całkowitej i otwartej,
t – czas,
f_ck – wytrzymałość początkowa na ściskanie.

Jako graniczną wartość ubytku masy przyjęto 0,5 mm/m², analogicznie do wartości dopuszczalnej 0,05 cm³/cm² betonów według normy PN-88/B-06250 [13]. Przewidywany okres trwałości, w którym ubytki masy wywołane czynnikami zewnętrznymi nie przekroczą wartości dopuszczalnej, przyjęto z zależności liniowej:

M = M₁·t [mm/rok]

gdzie:

M₁ – jednostkowe obliczeniowe roczne ubytki masy.

Przy takich założeniach uzyskano przewidywane okresy trwałości wypraw tynkowych w odniesieniu do podstawowej (VP) oraz zmodyfikowanej postaci modelu masowego (VPm) (TABELA 3).

Weryfikacja statystyczna wyników dla modeli czasowych

Uzyskane modele trwałości (G) i (P) oparte na monotonicznych charakterystykach czasowych zweryfikowano statystycznie za pomocą programu komputerowego i przedstawiono jako szeregi czasowe w postaci wielomianu y = a+bt+ct²+...β, gdzie β jest resztą losową.

Stopień wielomianu i jego parametry dobierane są przez ocenę istotności, czyli stopnia prawdopodobieństwa testowego, które powinno być mniejsze niż 0,05, oraz na podstawie właściwości statystycznych reszt losowych.

Do poprawności wielomianu opisującego szereg czasowy wymagany jest rozkład normalny reszt losowych (RYS. 4) oraz brak ich związku liniowego, tzw. autokorelacji z modelem podstawowym. Do oceny tych właściwości zastosowano test Shapiro-Wilka [11].

Podsumowanie

Analiza cech fizycznych pod wpływem starzenia wykazała ich zmienność i tym samym możliwość formułowania charakterystyk starzeniowych oraz modeli trwałości. Stwierdzono, że najbardziej przydatne cechy to: gęstość objętościowa, przyczepność i porowatość otwarta. Z przedstawionych 4 modeli (RYS. 5) 3 pozwalają na szacowanie czasów trwałości (G, P, VPm).

Dobre rezultaty przy przyjętych kryteriach granicznych dają modele zmian gęstości objętościowej (G) i przyczepności (P). Dobre przybliżenie daje także zmodyfikowany model (VPm) degradacji powierzchniowej wyrażonej ubytkami masy. Prognozowanie na podstawie zmian gęstości ma ograniczone zastosowanie, gdyż jest przydatne w odniesieniu do materiałów o malejącej gęstości.

Model kinetyczny zmian porowatości otwartej (P_o) daje możliwość prognozowania wytrzymałości, przy czym potrzebna jest znajomość zależności wytrzymałości od porowatości, co jest ograniczone do materiałów pozwalających na wykonanie takich oznaczeń.

Przeprowadzone prace badawcze i analityczne pokazały możliwość szacowania trwałości na podstawie krótkotrwałych testów starzeniowych na przykładzie tynków elewacyjnych. Przedstawiona tematyka jest przedmiotem dalszych prac, m.in. w ujęciu statystycznym.

LITERATURA

1. Z. Ściślewski, „Zasady projektowania budynków i budowli z uwzględnieniem trwałości”, ITB, Warszawa 1994.
2. BS ISO 15686-2001, „Buildings and constructed assets. Service life planning. Part 2. Service life prediction procedure”.
3. ASTM E632-82, „Standard practice for developing accelerated tests to aid prediction of service life of building components and materials”.
4. A. Sarja, E. Vesikari, „Durability design of Concrete Structures”, RILEM Report 14, London 1996.
5. Y. Matsufuji, T. Koyama, S. Harada, „Service life predictive method of building materials”, „Durability of Building Materials and Components”, vol. 1, E&FN Spon, London 1996.
6. J. Sowińska, „Prognozowanie trwałości izolacji wodochronnych – testy naturalnego i przyspieszonego starzenia”, Instytut Techniki Budowlanej, Kwartalnik nr 4 (116), Warszawa 2000, s. 57–64.
7. Z. Pavlik, M. Jirickova, R. Cerny, „Semi-scale testing of multi-layered building envelope on the basis of HPC in difference climate conditions”, „Rocznik Inżynierii Budowlanej”, z. 4, PAN Oddział w Katowicach, Katowice 2004, s. 17–24.
8. M. Chiavarini, F. Gaggini, V. Massa, „A new methodology for the accelerated simulation of environmental attacks”, „Durability of Building Materials and Components”, vol. 2, London 1996.
9. M. Prokop, „Badania odporności materiałów elewacyjnych na przyspieszone starzenie”, „Materiały Budowlane”, nr 10/1999, s. 78–79.
10. J. Bochen, „Prognozowanie trwałości komponentów budowlanych eksponowanych na czynniki atmosferyczne na podstawie testów przyspieszonego starzenia”, Projekt Badawczy PBU-33/RB9/2010, Gliwice 2010–2013.
11. J. Bochen, B. Wilk-Słomka, „Ustalenie programu klimatu symulowanego w komorze starzeniowej”, XIII Polska Konferencja Naukowo-Techniczna, „Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce”, Łódź Słok 2011, t. VI, nr 1, s. 17–20.
12. T. Broniewski, „Problem strefowości procesów destrukcyjnych w materiałach budowlanych”, III Konferencja Naukowo­‑Techniczna „Zagadnienia Materiałowe w Inżynierii Lądowej”, MATBUD’2000, Kraków-Mogilany 2000.
13. PN-88/B-06250, „Beton zwykły”.
14. PN-70/B-10100, „Roboty tynkowe. Tynki zwykłe. Wymagania i badania przy odbiorze”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!