ultradźwiękowa ocena przyczepności między powłoką polimerową a

ultradźwiękowa ocena przyczepności między powłoką polimerową a

Andrzej GARBACZ
Mikołaj KRYSTOSIAK
Politechnika Warszawska
Wydział Inżynierii Lądowej
e-mail: [email protected]
ULTRADŹWIĘKOWA OCENA PRZYCZEPNOŚCI
MIĘDZY POWŁOKĄ POLIMEROWĄ A PODKŁADEM BETONOWYM
1. WPROWADZENIE
Jednym z ważniejszych zastosowań kompozytów polimerowych [1] są naprawy oraz
ochrona powierzchniowa konstrukcji betonowych (powłoki ochronne, posadzki przemysłowe,
itp.). W powstającym w wyniku naprawy lub ochrony powierzchniowej
układzie
wielowarstwowym najistotniejszym zagadnieniem, z punktu widzenia skuteczności
wykonanych prac, jest zapewnienie odpowiedniej przyczepności, między kompozytem
polimerowym (PC) a podkładem betonowym (CC) [2]. Przyczepność (rys.1) oznacza się
najczęściej przez odrywanie przyklejonych stalowych krążków za pomocą aparatu. „pull-off”
[1]. W wielu dokumentach normalizacyjnych zaleca się aby przyczepność przy odrywaniu
była większa niż 1,5 MPa [3]. Możliwość oznaczania przyczepności przez odrywanie
krążków jest zwykle ograniczana przez inwestorów do niewielkiej liczby punktów
pomiarowych. Z tego też względu istnieje potrzeba opracowania nieniszczącej (NDT) metody
oceny przyczepności między kompozytem polimerowym a podkładem betonowym, w
szczególności możliwości sporządzania mapy poziomu adhezji na badanej powierzchni.
a)
b)
powłoka
polimerowa
P
przyklejony krążek
stalowy Ø 50
podkład betonowy
Rys.1. Schemat wyznaczania przyczepności przy odrywaniu (a) oraz widok powierzchni
powłoki po badaniu przyczepności przy odrywaniu (b)
2. NIENISZCZĄCA OCENA STANU UKŁADÓW WIELOWARSTWOWYCH PC-CC
W układzie wielowarstwowym jaki tworzy powłoka polimerowa i podkład betonowy
propagacja fali jest zjawiskiem złożonym [4-6]. Wynika to z różnic we właściwościach
akustycznych PC i CC, jak również znacznej niejednorodności mikrostruktury podkładu
betonowego i kompozytu polimerowego. Na powierzchni rozdziału PC i CC mogą również
PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.pdffactory.com
występować różnego rodzaju defekty typu adhezyjnego takie jak delaminacje, miejsca o
obniżonej przyczepności, itp. Większość nieniszczących badań układów wielowarstwowych za
pomocą metod NDT koncentruje się na wykrywaniu defektów na powierzchni rozdziału
poszczególnych elementów układu [6,7]. Nieliczne prace odnoszą się do nieniszczącej oceny
przyczepności między materiałem naprawy a podkładem betonowym [8-10]. Ze względu na
złożoność zjawiska propagacji fali przez układ PC-CC wydaje się, że dla oceny stanu
powierzchni rozdziału konieczne będzie opracowywanie krzywych regresji podobnie jak ma to
miejsce w przypadku ultradźwiękowej metody szacowania wytrzymałości betonu na ściskanie
[4,5]. Z danych literaturowych dotyczących nieniszczącej oceny stanu elementów układu
wielowarstwowego lub detekcji defektów na powierzchni rozdziału wynika, że do tego rodzaju
analizy porównawczej stosuje się najczęściej [4-10]:
- prędkość lub amplitudę różnych typów fali sprężystej (P, S, R) lub ich kombinację,
- amplitudę pików częstotliwości dominujących w widmie częstotliwości,
- prędkość fazową.
W przypadku układu PC-CC zastosowanie powyższych parametrów jest utrudnione ze
względu na dużą niejednorodność struktury betonu powodującą duże tłumienie i zmienność
amplitudy rejestrowanego sygnału. Stosowanie amplitudy pojedynczych pików w dziedzinie
czasu jako parametru charakteryzującego przyczepność może prowadzić do błędów. W praktyce
badania układu PC-CC mogą być prowadzone przy dostępie tylko z jednej strony. Sprawia to, że
trudno jest określić przyczynę różnic w prędkości fali, które mogą być spowodowane zarówno
niejednorodnością struktury, poziomem adhezji, jak i obecnością defektów na powierzchni
rozdziału. W niniejszej pracy do oceny przyczepności w układzie PC - CC zastosowano
pośrednią metodę przepuszczania fali ultradźwiękowej [11,12] zgodnie z procedurą
zaproponowaną przez Garbacza i wsp [13]. Opiera się ona na założeniu, że miejsca o obniżonej
przyczepności powłoki PC do podłoża betonowego będą wpływać na kształt rejestrowanego
sygnału powodując jego szybsze tłumienie (rys.2), a parametry opisujące zmiany amplitudy w
dziedzinie czasu są skorelowane ze zmianami w przyczepności. Wstępne wyniki badań systemu
PC-CC ultradźwiękową metodą echa wskazują, że może być ona wykorzystana do szacowania
grubości powłoki polimerowej. Natomiast jest nieczuła na zmiany przyczepności, a nawet
występowanie delaminacji między PC i CC [14].
1 2
1 2
a)
9
6
amplitude [V]
amplitude [V]
b)
9
6
3
0
-3
3
0
-3
-6
-6
-9
-9
-1 2
-1 2
t im e
[µ s ]
tim e
[µ s ]
Rys.2. Przykład sygnału zarejestrowanego dla posadzki a) o dużej przyczepności i b) braku
przyczepności do podkładu betonowego
PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.pdffactory.com
3. PROCEDURA BADAWCZA
3.1. Materiał - systemy powłokowe
Badania przeprowadzono na próbkach handlowo dostępnych posadzek
przemysłowych (tabl.1): epoksydowych (EP-1 i EP-2) i poliuretanowych (PUR). Wszystkie
powłoki zostały nałożone na podłoże betonowe klasy B35.
Tablica1. Ogólna charakterystyka systemów posadzkowych wg danych producentów
Właściwość
Skład chemiczny
Liczba składników
Maksymalna średnica ziaren
mikrowypełniacza, mm
Nominalna grubość posadzki, mm
Przyczepność przy odrywaniu
(dla podkładu beton. o wytrzymałości
na ściskanie powyżej > 25MPa)
Symbol posadzki
EP-1
EP-2
Wodna dyspersja
Żywica
żywicy epoksydowej epoksydowa
2
2
< 0,1
< 0,1
PUR
Żywica
poliuretanowa
2
< 0,1
0,7 - 3
1-5
1-4
> 1,5 MPa
> 2,0
> 2,0
3.2. Procedura badań ultradźwiękowych
Badania przeprowadzono za pomocą testera betonu z zestawem głowic nadawczo –
odbiorczych. Odległość między głowicami była stała i wynosiła 80 mm. Częstotliwość
impulsu fali ultradźwiękowej wynosiła 100kHz. Jako środka sprzęgającego użyto żelu
stosowanego do badań USG. Impuls fali ultradźwiękowej był przekształcany do sygnału
cyfrowego a następnie rejestrowany w mikrokomputerze w celu jego dalszej analizy. Badania
ultradźwiękowe posadzek przeprowadzono po 7 dniach ich utwardzania
Propagacja fali ultradźwiękowej przez granicę rozdziału PC-CC scharakteryzowano szybkością
fali ultradźwiękowej oraz rozkładem tzw. wartości średniokwadratowej – MS(t) w dziedzinie
czasu. Wartość MS dla danego czasu obliczono z zależności:
i − no
MS(t) = ( ∑ Ai ⋅ Ai )/(ni − no )
no
(1)
gdzie: Ai – amplituda i-tego zarejestrowanego punktu w dziedzinie czasu [V],
no – numer pierwszego punktu o niezerowej amplitudzie.
Rozkład MS(t) opisuje wariancję amplitudy w dziedzinie czasu i reprezentuje uśrednione
tłumienie impulsu fali ultradźwiękowej. W pracy założono, że dla obszaru o mniejszej
przyczepności w systemie PC-CC, wartość MS będzie statystycznie szybciej malała niż w
obszarach o większej przyczepności. uśrednienia zmian.
Dla oceny możliwości wykorzystania ultradźwiękowej metody pomiaru czasu
przejścia do nieniszczącej oceny przyczepności w systemie PC-CC przeprowadzono trzy
eksperymenty ukierunkowane na ocenę przyczepności dla warunków granicznych, ocenę
wpływu grubości powłoki i stanu podkładu betonowego na propagacje fali ultradźwiękowej
oraz ultradźwiękową detekcję defektów w układzie PC-CC.
PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.pdffactory.com
4. WYNIKI BADAŃ I ICH DYSKUSJA
4.1. Ocena przyczepności w warunkach granicznych
Analizę przebiegu impulsu fali ultradźwiękowej przeprowadzono dla dwóch skrajnych
przypadków:
- powłoka o maksymalnej przyczepności (dla danego typu powłoki); powłoka nałożona
zgodnie z wytycznymi producenta,
- powłoka o „zerowej” przyczepności (przypadek odpowiadający wystąpieniu delaminacji
powłoki); powłoka wykonana na folii pokrytej środkiem antyadhezyjnym i następnie
ułożone na podkładzie betonowym.
Średnia przyczepność przy odrywaniu (rys.3a) dla poszczególnych typów posadzek była
większa od 2 MPa. Wartość MS określona przy maksymalnej przyczepności powłoki różniła
się istotnie od stanu powłoki o zerowej przyczepności (rys.3b).
a)
Szybkość fali Przyczepność Symbol
na rys.
[km/s]
[MPa]
3b
(stand. dev.)
Maksymalna przyczepność
EP-1
3,94 (0,03)
3,15
EP-2
4,10 (0,05)
2,10
PUR
4,59 (0,11)
3,20
EP (3mm) *)
4,46 (0, 32)
3,23
1
)
PUR (3mm)*
4,42 (0,20)
2,10
2
Brak przyczepności
EP-1
2,96 (0,16)
EP-2
2,79 (0,42)
PUR
3,06 (0,43)
EP (3mm) *)
2,63 (0, 07)
3
PUR (3mm) *) 2,33 (0,10)
4
Podkład betonowy: szybkość fali 4,908 km/s
CC
b)
60
Rodzaj powłoki
*) - wyniki wg [13]
MS, V*V
50
40
1
30
4
2
20
3
CC
10
0
0
500
1000
1500
czas, µ s
Rys.3. Szybkość fali ultradźwiękowej i przyczepność (a) oraz rozkład wartości MS w dziedzinie czasu
(b) w warunkach granicznych dla badanych systemów posadzkowych
Rozkład wartości MS określony dla podkładu betonowego (bez powłoki) kształtował
się między rozkładami MS dla powłok o maksymalnej przyczepności do podkładu a
rozkładami dla powłok o zerowej przyczepności. W odniesieniu do badanych powłok
największe różnice występują dla czasów 400 - 700 μs. Z tego względu w dalszych badaniach
propagację fali przez układ PC-CC charakteryzowano wartością MS obliczoną dla czasu 500
μs. Podobne różnice stwierdzono w przypadku szybkości fali. Przy maksymalnej
przyczepności szybkość fali była co najmniej o 1 km/s większa w stosunku do stanu "zerowej
PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.pdffactory.com
przyczepności". Szybkość fali dla stanu o zerowej przyczepności uzyskana dla posadzek
epoksydowych była zbliżona do szybkości mierzonej metodą przepuszczania na próbkach
żywicy epoksydowej: vp = 2650 m/s [14]. Jednakże, prędkość fali ultradźwiękowej mierzona
metodą pośrednią może być traktowana tylko jako parametr dodatkowy ze względu na
trudność określenia drogi impulsu w tej metodzie. Różnice w prędkości otrzymane dla
warunków granicznych potwierdzają jednak, że fala ultradźwiękowa penetruje granicę
rozdziału: kompozyt polimerowy – podłoże betonowe. W przypadku wystąpienia delaminacji
fala ultradźwiękowa jest propagowana przez warstwę powłoki polimerowej. Uzyskane wyniki
są zbieżne z wynikami badań, podobnych pod względem materiałowym, posadzek
żywicznych (EP i PUR) o nominalnej grubości 3 mm [13].
4.2. Wpływ grubości powłoki polimerowej
Propagacja fali ultradźwiękowej w układzie PC-CC analizowano dla posadek EP-1,
EP-2 i PUR o nominalnych grubościach: 1, 2 i 4mm.Otrzymane wyniki wskazują, że rodzaj
spoiwa oraz grubość powłoki wpływają na propagację fali ultradźwiękowej. Ze wzrostem
grubości maleje prędkość fali oraz wartość MS (rys.4). Największe różnice zaobserwowano
dla posadzki wykonanej z dyspersji żywicy epoksydowej (EP1) oraz poliuretanowej (PUR).
W przypadku posadzki EP-2 wpływ zmian grubości był mniej istotny.
a)
5,0
b)
4,79
PUR
50
EP-2
4,5
4,28
4,3
EP-1
3,94
3,89
4,0
40
4,12
4,1
3,71
MS, V*V
prędkość fali, km/s
4,59
3,5
30
20
3,0
10
1
2
4
1
2
4
1
2
4
0
500
-1mm,
-2mm,
-4mm
EP-2:
1500
czas, µ s
grubość powłoki, mm
EP-1:
1000
-1mm,
-2mm,
-4mm
PUR:
-1mm,
-2mm,
-4mm
Rys.4. Prędkość fali ultradźwiękowej (a) i rozkład wartości MS (b) dla badanych posadzek
żywicznych o różnej grubości
PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.pdffactory.com
4.3. Wpływ stanu podkładu betonowego
Badania wpływu stanu podkładu betonowego na propagację fali ultradźwiękowej
przeprowadzono dla dwóch typów posadzek epoksydowych: EP-1 i EP-2 o nominalnej grubości
2mm. Dla uzyskania ciągłego rozkładu przyczepności podłoże betonowe było zróżnicowane pod
względem jakości jego przygotowania przed układaniem powłok: stopnia oczyszczenia,
zawartość wilgoci, obecność środków gruntujących. Każdy wariant powłoki był nakładany na
próbki podłoża betonowego o wymiarach: 30 x 30 x 5 cm. W przypadku posadzek
epoksydowych EP-1 i EP-2 dla szerokiego zakresu przyczepności (rys.5) prędkość fali była
praktycznie stała i znacząco wyższa niż w przypadku stanu o "zerowej przyczepności". Dla obu
posadzek zależność między przyczepnością a wartością MS(500) charakteryzowały się wysokim
współczynnikiem korelacji r > 0,99.
5
b)
50
y = -2,68x2 + 18,44x + 8,64
r = 0,999
40
MS(500),V*V
prędkość fali, km/s
a)
4
3
1,5 MPa - m inim alna
w artość zalecanej
przyczepności
przy odryw aniu
2
0
1
2
3
przyczepność, MPa
30
20
y = -3,43x2 + 23,17x + 3,58
r = 0,997
10
0
4
0
1
2
3
4
przyczepność, MPa
Rys.5. Zależność między przyczepnością szybkością fali (a) i wartością MS(500) dla
posadzek EP-1 i EP2;
- EP-1,
- EP-2;
- wyniki dla posadzki PUR o maks. i zerowej
przyczepności
4.4. Ultradźwiękowe wykrywanie defektów w systemie pc-cc
Możliwość zastosowania metody ultradźwiękowej do wykrywania defektów, np.
delaminacji, przeprowadzono dla epoksydowych systemów posadzkowych z
zamodelowanymi sztucznymi defektami. Do badań wybrano posadzki epoksydowe EP-1 i
EP-2 o nominalnej grubości 2 mm. Posadzki EP-1 i EP-2 nałożono na podkład betonowy
klasy B35 o wymiarach 30 x 30 x 5 cm. Sztuczne defekty o różnych kształtach i wymiarach
przygotowano w formie kawałków folii PE ułożonych na podłożu betonowym przed
nałożeniem warstwy posadzki epoksydowej. Na próbce posadzki została naniesiona siatka
punktów pomiarowych o regularnych oczkach. W każdym węźle siatki wykonano po 6
pomiarów ultradźwiękowych wokół każdego węzła. Następnie w węzłach siatki określono
przyczepność. Dla sporządzenia rozkładów wartości MS(500) – rys.6 zastosowano
statystyczną procedurę wygładzania metodą najmniejszych kwadratów. Wyznaczona
eksperymentalnie przyczepność wynosiła powyżej 2 MPa, nawet w miejscach, w których
PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.pdffactory.com
krążek stalowy częściowo przykrywał defekt. Niskie wartości przyczepności otrzymano
jedynie w miejscach, w których krążek stalowy był przyklejony do posadzki bezpośrednio
nad miejscem występowania defektu. W odróżnieniu do eksperymentalnych wartości
przyczepności rozkład wartości MS(500) właściwie wskazuje obecność defektów. W miejscu
występowania defektów wartość MS(500) spada a współczynnik zmienności dla MS rośnie
co najmniej dwukrotnie.
a)
b)
35
35
15
20
25
30
35
40
45
ponad
30
30
25
25
20
0,6M Pa
0,5M Pa
2,4 MPa
cm
MS(500)
V*V
cm
3,0MPa
3,2M Pa
20
3,1MPa
15
10
0,4MPa
5
5
10
15
20
25
15
20
25
30
35
40
2,3MPa
45
30 ponad35
15
10
2,8M Pa
5
5
10
2,2M Pa
15
cm
20
25
30
35
cm
Rys.6. Wyniki ultradźwiękowego mappingu przyczepności na podstawie rozkładu wartości MS (500) dla
posadzek: (a) EP-1 i (b) EP-2 o nominalnej grubości 2mm ze sztucznymi defektami (linia przerywana). W
białych prostokątach podano wartość przyczepności zmierzoną eksperymentalnie w miejscach
oznaczonych białym kółkiem; białymi punktami zaznaczono miejsca prowadzenia pomiarów
ultradźwiękowych
5. WNIOSKI
Uzyskane wyniki wskazują na możliwość zastosowania ultradźwiękowej metody
przepuszczania do oceny przyczepności między powłokami polimerowymi a podłożem
betonowym, w tym również do sporządzania map poziomu adhezji. Dla tej oceny konieczne
jest sporządzenie odpowiednich krzywych regresji uwzględniających wpływ składu
chemicznego posadzki oraz jej grubości.
PODZIĘKOWANIA
Praca powstała w ramach grantu KBN nr 5T07E06622. Autorzy dziękują
Panu prof. dr. hab. inż. Lechowi Czarneckiemu za cenne uwagi i dyskusję podczas
przygotowywania artykułu.
Niniejszy artykuł był prezentowany podczas 31 Krajowej Konferencji Badań
Nieniszczących – KKBN Szczyrk 2002
PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.pdffactory.com
6. LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
CZARNECKI L.: Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych, Wyd. Polski Cement, Kraków, 2002
CZARNECKI L., GARBACZ A., ŁUKOWSKI P., CLIFTON J.R.: “Polymer Composites for Repairing of
Portland Cement Concrete: Compatibility Project”, United States Department of Commerce, Report no. NISTIR
6361, Gaithersburg, USA, 1999
EN 1504-9: 1996. Products and Systems for the Protection and Repair of Concrete Structure. General
Principles for the Use of Products and Systems
BRUNARSKI L., RUNKIEWICZ L.: "Podstawy i przykłady stosowania metod nieniszczących w badaniach
konstrukcji z betonu, Wyd. ITB, 1983
CARINO N.J.: w "Nondestructive Test Methods", Concrete Construction Engineering Handbook,
ed.E.G.Nawy, CRC Press, 1997
LEWIŃSKA-ROMICKA A.: Badania nieniszczące. Podstawy defektoskopii. WNT, Warszawa, 2001
ADAMS, R.D., DRINKWATER B.W.: Nonderstructive testing of adhesively bonded joints, NDT&E
International, 30, 1997
JAQUEROD, C., ALOU, F., HOUST, Y.F.: Nondestructive testing of repair mortars for concrete, in Proc. an
International Colloquium 'Material Science and Restoration', Esslingen, 1992
TAN, K.S., CHAN, K.C., WONG, B.S., GUAN, L.W.: Ultrasonic evaluation of cement adhesion in wall tiles,
Cement and Concrete Composites, 18, 1996
WANG, CH.Y., CHANG, Y.F.: Evaluation of the bonding condition between steel plate patch and strengthened
concrete structure, Proc.14th World Conference on Non Destructive Testing, New Delhi, 1996
RUNKIEWICZ L., ZACHARSKI A.: Zastosowanie ultradźwiękowej powierzchniowej metody do oceny
wytrzymałości i jednorodności betonu w konstrukcji, Mater. XXII KKBN, Szczyrk, 1993
GUDRA T., STAWISKI B.: Non-destructive strength characterization of concrete surface waves, NDT&E
International, 33, 2000
GARBACZ A., CZARNECKI L., CLIFTON J.R., Non-destractive methods to assess adhesion between
polymer composite and portland cement concrete, Proc. 2nd Int. RILEM Symposium “Adhesion between
polymers and concrete”- ISAP’99, Dresden, 1999
GARBACZ A., GARBOCZI E.: Ultrasonic methods applicable to polymer concrete Composites, Raport
MEN/NIST-97-299, Warszawa-Gaithersburg, 2002
ULTRASONIC EVALUATION OF ADHESION
BETWEEN POLYMER COATING AND CONCRETE SUBSTRATE
As the results of a repairing or anti-corrosion protection of the concrete structure with polymer
composite, at least, two component systems are created. The adhesion between polymer composite
(PC) and cement concrete substrate (CC) is one of the important properties affecting the compatibility
in the PC-CC system. A quality control of adhesion is available using, e.g. a pull-off test. Usually, the
pull-off strength higher than 1,5MPa is recommended in many guidelines for protection and repair of
concrete structure. Due to the its destructive character, the measurement of pull-off strength is usually
restricted by contractors to the local points. Therefore, the development of non-destructive methods to
assess the adhesion between polymer composite and concrete substrate, especially a possibility of
mapping of adhesion strength, is one of the important needs.
In this paper, the ultrasonic methods were used to assess an adhesion between polymer
composite and concrete substrate. The usability of indirect ultrasonic pulse velocity methods was
evaluated on the example of commercial industrial floor systems. The relationships between pull-off
strength and propagation of ultrasonic wave were established and analyzed. The some effects of
microstructure and geometry in PC-CC system were discussed. The results confirmed usefulness of
ultrasonic pulse velocity method for non-destructive evaluation of adhesion between polymer
composite and concrete substrate.
PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.pdffactory.com