Polimocznik jako materiał wzmacniający konstrukcje w budownictwie

Procesy korozyjne w połączeniu z nieprawidłową eksploatacją oraz starzeniem się elementów konstrukcji powodują uszkodzenia obiektów budowlanych, co wpływa również na dodatkowe nakłady finansowe w trakcie ich użytkowania. Problem ten jest zagadnieniem globalnym, którego natężenie zależy zarówno od danego środowiska zewnętrznego, strefy klimatycznej, jak i jakości zastosowanych materiałów.

Tradycyjne materiały budowlane, takie jak beton, stal, drewno oraz materiały izolacyjne, często charakteryzują się niewystarczającą trwałością oraz niezadowalającymi właściwościami użytkowymi. Powoduje to przyspieszenie procesów korozyjnych, jednocześnie zmniejszając wytrzymałość elementów konstrukcji w czasie, które ostatecznie wymagają wykonania prac związanych z ich wzmocnieniem. Wpływa to na poszukiwanie produktów pozwalających na poprawę kilku parametrów użytkowych konstrukcji jednocześnie.

Do poszukiwanych cech użytkowych materiałów budowlanych należy zaliczyć przede wszystkim: zabezpieczenie elementów obiektów przed korozją, starzeniem i jednoczesne uzyskanie efektu ich wzmocnienia. Do produktów posiadających wszystkie wyżej wymienione właściwości użytkowe jednocześnie można zaliczyć polimocznik [4–5].

W niniejszym opracowaniu zaprezentowano zastosowanie powłok polimocznikowych jako możliwego produktu do wzmacniania elementów konstrukcji wraz z uzyskaniem poprawy innych parametrów użytkowych jej elementów, jak ochrona przed korozją i starzeniem. Skoncentrowano się głównie na zaprezentowaniu polimocznika jako funkcjonalnego produktu do wzmacniania obiektów z zapewnieniem zachowania integralności po przekroczeniu nośności elementów konstrukcji (FOT. 1).

System powłok polimocznikowych

Polimocznik jest współczesnym materiałem o nieprzeciętnych właściwościach, który został opracowany w latach 80. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. W Europie powłoki polimocznikowe pojawiły się w latach 90. XX wieku, a rynek zastosowań tej technologii zaczął się dynamicznie rozwijać na świecie na początku XXI wieku.

Polimocznik, pod względem materiałowym, jest produktem powstałym w wyniku reakcji izocyjanianu oraz mieszaniny amin, o łańcuchowej budowie składającej się z „n” liczby cząsteczek silnie usieciowanych z sobą (RYS. 1).

Polimocznik to elastomer otrzymywany w wyniku reakcji chemicznej (poliaddycji) aromatycznego lub alifatycznego izocyjanianu z wielofunkcyjną aminą lub mieszaniną amin. Polimoczniki aromatyczne powstają na bazie diizocyjanianu metylenodifenylu (MDI), polimoczniki alifatyczne natomiast na bazie diizocyjanianu heksametylenu (HDI) lub diizocyjanianu izoforonu (IPDI), które stanowią sztywny segment łańcucha. Wybór prepolimeru izocyjanianowego wpływa na znaczące właściwości gotowego produktu końcowego. Wybór odpowiedniego diizocyjanianu powinien się opierać na uzyskaniu optymalnego kompromisu pomiędzy lepkością materiału a reaktywnością całego układu. Wysoka lepkość wpływa na pogorszenie zdolności mieszania składników, natomiast niższa lepkość ułatwia mieszanie składników, dając lepszą reaktywność i zwiększoną twardość powłoki [4, 6, 7].

Polimocznik – zalety i wady

Zalety

Membrany polimocznikowe, w przeciwieństwie do tradycyjnych materiałów izolacyjnych, uzyskują znakomite właściwości użytkowe oraz parametry odporności chemicznej i wytrzymałości mechanicznej. Cechy materiałowe polimocznika, które decydują o jego szerokim zastosowaniu i są zarazem jego zaletami, to [4, 6, 7]:

• szybka reaktywność i wiązanie, co pozwala znacząco ograniczyć niezbędny czas na aplikację produktu,
• przyczepność do większości materiałów budowlanych, po uprzednim odpowiednio przygotowanym podłożu pod aplikację produktu,
• sprężystość i elastyczność, która występuje w szerokim zakresie temperatur ujemnych i dodatnich,
• wysoka wytrzymałość mechaniczna, przy czym wytrzymałość na rozciąganie osiąga wartości powyżej 20 MPa, a wytrzymałość na rozdarcie powyżej 50 MPa,
• wysoka odporność chemiczna na działanie większości kwasów organicznych i nieorganicznych oraz zasad i roztworów soli, a także amin,
• zdolność mostkowania rys, na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych, powłoka jest w stanie pokryć rysy o szerokości do 5 mm,
• odporność na promieniowanie UV.

Wady

Technologia powłok polimocznikowych, poza niewątpliwymi zaletami, posiada również wady, których znajomość jest konieczna do świadomego stosowania produktu.

Główną słabością tej technologii jest konieczność przestrzegania określonych zasad technologicznych oraz stosowanie specjalistycznego sprzętu do aplikacji systemu. Dodatkowo, przed nałożeniem polimocznika, konieczne jest odpowiednie przygotowanie podłoża, przy czym sposób jego przygotowania jest zależny od rodzaju podłoża. Pokrywanie elementu polimocznikiem odbywa się w sposób natryskowy i ważne jest odpowiednie zabezpieczenie powierzchni przyległych, gdyż zabrudzenia polimocznikiem są trudne do usunięcia lub w ogóle nieusuwalne.

Należy również podkreślić, że wykluczona jest aplikacja powłoki na powierzchnie brudne, tłuste i nieprzygotowane oraz w nieodpowiednich warunkach otoczenia, np. podczas padającego deszczu.

Podstawowe badania

Podstawowe badania polegały na oznaczeniu właściwości mechanicznych polimocznika przy statycznym rozciąganiu, które wykonano zgodnie z normą EN ISO 527:2012 [8].

Przedmiotem badań była ocena wytrzymałości na rozciąganie polimocznika na próbkach w kształcie wiosełek. Określenie wytrzymałości na rozciąganie materiału wyznaczano dla trzech prędkości badania: 50 mm/min, 100 mm/min i 500 mm/min, na specjalnie do tego celu przygotowanym stanowisku badawczym (FOT. 2).

Analiza wyników wykazała, iż wytrzymałość na rozciąganie oraz wydłużenie względne nominalne polimocznika jest zależne od prędkości badania, a ich wartości maleją ze wzrostem prędkości badania (RYS. 2).

Proste testy fizyczne

Przykładami prostych testów fizycznych z wykorzystaniem powłok z polimocznika były badania polegające na określeniu wytrzymałości na ściskanie próbek betonu komórkowego pokrytych powłoką z polimocznika.

Badania wykonano zgodnie z normą EN 772-1:2015 [9] na trzech typach próbek walcowych o średnicy 10 cm:

• I typ – próbki kontrolne bez powłoki,
• II typ – próbki pokryte powłoką na obwodzie,
• III typ – próbki walcowe w całości pokryte polimocznikiem.

Analiza wyników wykazała, iż powłoka z polimocznika ma znaczący wpływ na zachowanie integralności elementów w trakcie obciążania oraz zniszczenia próbek (FOT. 3).

Testy w pełnej skali

Badania elementów konstrukcyjnych w ich naturalnej skali przeprowadzono na kręgach betonowych o średnicy wewnętrznej 800 mm i wysokości 900 mm oraz grubości płaszcza 100 mm.

Przedmiotem badań była ocena wytrzymałości na zgniatanie kręgów betonowych wzmocnionych za pomocą powłoki z polimocznika. Określenie wytrzymałości na zgniatanie kręgów betonowych wykonano zgodnie z normą EN 1917:2002 [10].

Łącznie badaniu wytrzymałości na zgniatanie poddano dziewięć kręgów betonowych wykonanych z betonu klasy C25/30. Pierwsza seria (trzy elementy) zostały oznaczone jako próbki kontrolne i nie były pokryte powłoką z polimocznika (FOT. 4).

Druga seria (trzy elementy) zostały pokryte polimocznikiem na powierzchni zewnętrznej (FOT. 5).

Trzecia seria (trzy elementy) zostały pokryte membraną na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej (FOT. 6).

Analiza wyników wykazała, iż elementy z powłoką na obu powierzchniach uzyskały ponad 20% wzrost nośności, a polimocznik zapewnił integralność kręgów po przekroczeniu ich nośności na zgniatanie [11].

Wnioski

Motywem przewodnim przeprowadzonych rozważań i opisanych badań było przedstawienie powłok polimocznikowych jako produktu poprawiającego walory użytkowe elementów konstrukcji.

Na podstawie zaprezentowanych wyników badań eksperymentalnych i ich analizy można sformułować następujące wnioski:

• polimocznik posiada unikalne właściwości użytkowe i mechaniczne oraz oferuje szerokie zastosowania w nowoczesnych gałęziach przemysłu,
• opisany produkt, dzięki swojej nieprzeciętnej elastyczności i przyczepności do podłoża, doskonale mostkuje rysy w elementach betonowych, zwiększając ich ochronę przed korozją i starzeniem,
• aplikacja powłoki na elementy wykonane z materiałów kruchych, takich jak beton komórkowy, pozytywnie wpływa na zachowanie ich integralności po przekroczeniu nośności na ściskanie,
• system powłok polimocznikowych zapewnia dodatkowe wzmocnienie na zgniatanie kręgów betonowych,
• aplikacja powłoki na kręgi betonowe zapewnia zachowanie integralności elementów po przekroczeniu ich nośności na zgniatanie.

Literatura

1. H. Badowska, W. Danilecki, M. Mączyński, „Ochrona budowli przed korozją”, Arkady, Warszawa 1974.
2. J. Baszkiewicz, M. Kamiński, „Korozja materiałów”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006.
3. J. Bródka, „Przebudowa i utrzymanie konstrukcji stalowych”, Centralny Ośrodek Badawczo-Projektowy Konstrukcji Metalowych „Mostostal”, Politechnika Łódzka, Łódź 1995.
4. J. Banera, M. Maj, A. Ubysz, „Powłoki polimocznikowe w budownictwie”, Grupa MD, Poznań 2017.
5. M. Gruener, „Korozja i ochrona betonu”, Arkady, Warszawa 1983.
6. J. Szafran, A. Matusiak, „Polyurea coating systems: definition, research, applications” [w:] L. Małyszko, R. Tarczewski, „Lightweight Structures in Civil Engineering – Contemporary Problems – Monograph from Scientific Conference of IASS Polish Chapters”, University of Warmia and Mazury in Olsztyn, 2016, s. 103–110.
7. J. Szafran, A. Matusiak, „Nowoczesne izolacje natryskowe w budownictwie na przykładzie pianki PUR i polimocznik”, III Konferencja Naukowo-Techniczna TECH-BUD’2017, Kraków, 15–17 listopada 2017.
8. EN ISO 527:2012, „Plastics. Determination of tensile”.
9. EN 772-1:2015, „Methods of test for masonry units. Part 1: Determination of compressive strength”.
10. EN 1917:2002, „Concrete manholes and inspection chambers, unreinforced, steel fibre and reinforced”.
11. J. Szafran, A. Matusiak, „Crushing strength of concrete rings with a polyurea reinforce system”, „Tunnelling and Underground Space Technology” 101, 2020.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!