A 3.1/2004 ÉME szerinti földm tömörségi el írások értékelése és módosítási javaslat METROBER Kft Subert István Min ségellen rzési vezet Az NA Rt felkérésére felülvizsgáltuk azokat az észrevételeket és tapasztalatokat, amelyek a 3.1/2004 ÉME NA Rt által kibocsátott M szaki Feltételek el írásainak betarthatóságával kapcsolatosan munkánk során felmerült. A folyamatban lév
autópálya építések már számos
következtetés levonását teszik lehet vé, els sorban a földm vek szigorú el írásaival kapcsolatosan. Elemeztük el ször azokat a lehet ségeket, melyek a tömörségmérés pontosabbá tételéhez szükségesek, illetve rendelkezésünkre állnak, vizsgáltuk másrészt a tömörségi határértékek teljesíthet ségét az anyagjellemz k és fizikai törvényszer ségek figyelembevételével. Nem tartottuk szükségesnek annak elemzését, hogy a fokozott tömörítés a beépítési víztartalom határokat miként sz kíti, valamint hogy a tömörít eszközök teljesítménye hogyan növelhet , mert ezek megítélése a szakmában jelenleg is egységes és korrekt.
Elemzésünk kiterjed az NA Rt tenderkiírásaiban már szerepl , dinamikus tömörségmérésre vonatkozó ÚT 2-2.124 ÚME alkalmazására és el nyeire is, mely egy jóval pontosabb és alternatív mérési módszert jelent az Európában ma már mell zött izotópos tömörségméréssel szemben.
A dinamikus tömörségi fok A tömörségi fokot egy új módszerrel, a süllyedési amplitúdókból képzett alakváltozási görbéb l határozza meg az ÚT 2-2.124 ÚME szerinti mérés, dinamikus mér eszközzel. A B&C (Bearing Capacity & Compaction Rate Tester) egy speciális könny -ejt súlyos mér berendezés, melynek kölönböz sége els sorban a tárcsa méretében rejlik. A 163mm átmér miatt a tárcsa alatt 0,35 MPa tárcsa alatti terhelés jön létre, pont annyi, mint a földm veknél alkalmazott statikus teherbírás mérésnél! 1
A száraz s r ségek arányából meghatározott hagyományos (pl izotópos) Trρ% tömörségi fok levezethet en azonos ezzel a Trd% dinamikus tömörségi fokkal, mely a TrE% helyszíni relatív tömörség és a Trw nedvességkorrekciós tényez szorzata. A relatív tömörségi fok (TrE%) nem más, mint az adott víztartalom mellett elért helyszíni tömörségi fok, az adott víztartalom mellett elérhet
legnagyobb tömörítéshez viszonyítva. A
legegyszer bb megérteni a helyszíni relatív tömörség fogalmát a Proctor-vizsgálatból, ahol a választott víztartalommal adott munkával betömörített minden Proctor-pont relatív tömörsége 100%. A helyszínen tömörített réteget tehát ehhez viszonyítjuk. A nedvességkorrekciós tényez
(Trw) értéke ekkor az ρdi/ρdmax/100, azaz a Proctor-
vizsgálatban a számított Proctor-tömörségi fok százada. Mivel wopt-nál a relatív tömörség szintén 100% de a Trw=1, emiatt a wopt-ban a Trρ%=TrE%*Trw=100% minden esetben). nedvességkorrekciós tényez
A Trw
tehát a Proctor-görbe normalizált (azaz ρdmax-szal osztott) alakja.
Alapelv, hogy minden anyag nedvességkorrekciós görbéje (lásd 1.sz. ábra) a wopt%-nál=1,0 és csak görbülete változó! A Trw görbe pontos egyenletének meghatározásakor a mérési eredmények természetes szórása miatt ugyanazon anyagból ajánlott több vizsgálatsorozatot (2-3*5 pont) végezni és ezeket egyben feldolgozni, regressziós analízissel, a kell megbízhatóság biztosításához.
Fentiekb l következ en a dinamikus tömörségmérés olyan gyakorlati el nyökre képes, mely a kivitelezést jelent sen megkönnyíti és rutinszer döntéseket tesz lehet vé. A kijelzett paraméterek alapján egyértelm en eldönthet , hogy kell-e (lehetséges-e) még további tömörítés, vagy éppen a tömörítést meg sem szabad kezdeni, mert az anyag magas, vagy túl alacsony víztartalma miatt 100% relatív tömörségnél sem érhet el az el írt tömörségi fok. A dinamikus tömörségmérési módszer lényeges eleme, hogy a Proctor-vizsgálattal azonos munkával a tömörítést mindig a helyszínen, az adott anyagon, újra és újra elvégzi minden mérésnél. Ez a mérési módszer pontosságát jelent sen emeli, a napi gyakorlati munkavégzést pedig, rendkívül 2
biztonságossá és megbízhatóvá teszi. A berendezés kis mérete, könny kezelhet sége, nagyban segíti széleskör alkalmazhatóságát az épít ipar teljes területén. Fontos, hogy a dinamikus tömörségmérés nem használ az egészségre és környezetre káros izotópforrást. Egészségügyi és környezetvédelmi el nyei miatt a 2003-as Genfi Találmányi Világkiállításon aranyérmet kapott.
2.sz ábra Tömöségi fok és térfogatváltozás egyesített összefüggése öt különböz anyagnál
Tömörségi fok és alakváltozás mm összefüggése n=150 db
Tömörségi fok Trd%
y = -0,3642x + 100 R2 = 0,9967 100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 85 84 0 83 82 81 80 79 78 77 76 75
2
y = 0,0013x - 0,3934x + 100 R2 = 1
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
alakváltozás mm
A Proctor-féle vizsgálatból korrekt módon levezethet az az összefüggés, mely a tömörségi fok
és
a
térfogatváltozás
regressziós
analízisének,
a
közelít
görbe
együtthatójának
figyelembevételén alapul. A süllyedési amplitúdók különbségéb l, az egy helyre mért ejtések
3
számával súlyozott átlagából és az anyag Proctor-vizsgálatából számított Trd%-dl összefüggés felhasználásával képezhet a relatív tömörségi fok. Ezt az ÚT 2-2.124 módosításában „alternatív” módszernek nevezett változat több szempontból is kedvez bb. Mivel az els ejtés süllyedési értéke nem bír akkora jelent séggel, a tárcsa-elhelyezési, illeszkedési és felfekvési problémákból származó hiba lehet sége jóval kisebb. A
paraméter, mint meredekség, pontosan is meghatározható a Gsz=constans Proctor-
modellben az egyes víztartalmakhoz tartozó térfogatkülönbségek és a Proctor tömörségi fok (100* di/ dmax) lineáris összefüggéséb l. A 2. ábrán példaképpen bemutatunk öt különböz típusú anyagból, egyenként 10-10 Proctor-vizsgálatból, azaz összesen 150 db Proctor-mérési pontból számított összefüggést, ahol a lényeges anyagi és s r ségi különbségek ellenére a térfogatváltozástömörségi fok összefüggés
lineáris együtthatója 0,3642-nek adódott R2=0,9967 regressziós
együttható mellett. Ez a dinamikus tömörségmérés, mint vizsgálati módszer függetlenségét mutatja a s r ségt l, mely más tömörség-mérési módszerekre egyáltalán nem jellemz . A dinamikus tömörségmérés 2005 évi ÉME módosításának nagy újdonsága, hogy bevezette az egyszer sített tömörségmérés fogalmát. Mivel korábban 18 ejtés volt szükséges a méréshez, nem aratott osztatlan sikert a laboránsoknál. Az új módszer az egyszer sített üzemmódban a valós tömörítettségt l teszi függ vé a még szükséges ejtések számát, a tömörödési görbe alakjának figyelésével. Az els kilenc ejtés után kezdi figyelni a program a feltétel fennállását, teljesülésekor pedig az utolsó két pontból képzett meredekséggel képzi a hiányzó adatsort. A helyettesítés miatt az így számított tömörségi fok kissé rosszabb, mint a teljes sorozattal számított, így az elhanyagolás mindig a biztonság javára történik.
Nedvességkorrekciós tényez fogalma és alkalmazása az izotópos méréseknél Az ÚT 2-3.103 és MSZ 15320 szerinti radiometriás tömörségmérések a száraz s r ség és a Proctorvizsgálattal meghatározott ρdmax arányából határozzák meg a Trρ% tömörségi fokot (mely azonos a Trd% dinamikus tömörségi fokkal). Mivel a Trd% tömörségi fok a TrE% helyszíni relatív tömörség 4
és a Trw nedvességkorrekciós tényez szorzata, ezért az izotópos mérési eredményb l is számítható az izotópos relatív tömörségi fok: TrEiz%= Trρ% / Trw kifejezéssel. A TrE% helyszíni relatív tömörség nem más, mint az adott víztartalom mellett elért helyszíni relatív tömörségi fok, mely a végzett hengerlési munka hatékonyságának mutatója. Ha ez alacsony, rá kell küldeni a hengert még további néhány járatra. 1.sz ábra Trw nedvességkorrekciós görbék Trw javított földm (mar+H) M7
y = -0,0018x2 + 0,0222x + 0,9311 R2 = 1
Trw <=1,000
1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
w%
Trw <=1,000
Trw földm homokliszt M7
y = -0,0016x2 + 0,0292x + 0,8666 R2 = 0,9586
1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0,88 0,86 0,84 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 w%
5
y = -0,0036x2 + 0,0366x + 0,9074 R2 = 1
Trw HK véd réteg M7
Trw <=1,000
1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 w%
A számított nedvességkorrekciós tényez (Trw=ρdi/ρdmax) is igen fontos, és kizárólag csak az anyag nedvességtartalmától függ. Ebb l azt látni, hogy az adott wt nedvességtartalom mellett hány %-kos tömörséget lehet elérni, azaz tökéletes hengerlés esetén is maximum mekkora tömörségi fokot tudunk elérni. Ha a Trw értéke mondjuk a helyszínen mért wt% víztartalomnál csak 0,922 akkor a Trρ% = TrEiz%*Trw miatt (a legnagyobb 100% relatív tömörségi fok esetén is) csak 100*0,922=92,2% tömörségi fokot lehet legföljebb elérni a helyszínen, azaz 95%-ot semmiképpen. A nedvességkorrekciós tényez b l meg lehet mondani el re, hogy a leszállított (vagy kibontott) anyag egyáltalán alkalmas-e az adott tömörségi fok elérésére, vagy majd nedvesíteni, esetleg szárítani kell azt. Emiatt a nedvességkorrekciós tényez megadása az alkalmassági vizsgálat része kell legyen. Nyilvánvaló az is, hogy ha az izotópos mérések eredményeib l 100%-nál nagyobb relatív tömörséget kapnánk, az csak hibás mérés lehet, ezért a módszer az amúgy gyenge megbízhatóságú izotópos mérési mód ellen rzésére is alkalmas.
Víztartalom mérés hatása az izotópos mérés pontosságára Érdekes következtetésre vezet egy másik szempont vizsgálata is az izotópos mérési módszer körül. Mint ismeretes, az izotópos berendezések egyik izotópja a nedves s r séget méri (ez hitelesített),
6
míg a másik a víztartalmat határozza meg (ez csak kalibrált). Hogy a mért víztartalomnak mekkora a jelent sége, azt az alábbi példán mutatjuk be: Legyen a ρdmax=2,21g/cm3 és a mért nedves s r ség ρn=2,18 g/cm3 mint egy hitelesített izotópos mér berendezéssel mért helyszíni eredmény. A száraz s r ség ebb l ρdi=ρn*(1/(1+w)), melyet különböz víztartalmaknál az 1.sz. táblázatban számítottuk. wt% 2 4 6 7
1/(1+w) 0,980 0,962 0,943 0,935
1.sz táblázat A víztartalom hibájának hatása a tömörségi fokra Trρ% számított ρdi ∆Trρ% hiba 2,137 96,7% + 4,1% 2,096 94,8% + 2,2% 2,055 93,0% + 0,4% 2,037 92,2% - 0,4%
Megállapítható, hogy az alacsonynak mért víztartalom el nyös a jobb eredményhez, mert akkor magasabb a tömörségi fok. Mivel a víztartalom mérése nem hitelesített, igazán nem is tudjuk mekkora eltérése lehet. Néhány mintát leellen rizve szárítószekrényben, gyakorinak találtuk a 23%-os eltérést, de magasabb víztartalmaknál 6-10%-os eltérést is tapasztaltunk! Ha jelen példában a valós víztartalmat wt%=6,5%-nak és a mért tömörséget Trρ%=92,6%nak feltételezzük, akkor a szemünknek oly megszokott alacsony víztartalmak miatti eltérés a tömörségi fokban elérheti a 4-5%-ot(!).
A nedvesség pontos mérése tehát igen fontos, ezért egyre több laboratórium tér át a víztartalom helyi mérésére, más módszerrel. A dielektromos álladó elvén történ
víztartalom
meghatározás például az amerikai T-90 Trident nedvességmér vel 1% pontosságú. A példa igen jó annak bemutatására is, mekkora a jelent sége egy jó nedvességtartalom mér nek a m szaki ellen rök kezében, melyet a METROBER már két éve folyamatosan alkalmaz.
Megjegyezzük, hogy példánkban csak egy paraméter, a víztartalom mérés hatását mutattuk be a tömörségi fok számított értékére, mely a Proctor-s r ség (viszonyítási s r ség), és a nedves s r ség mérési hibájával halmozódva akár ∆Trρ% = +/- 6%-ot is elérheti. 7
Emiatt a 97%-os tömörségi el írás izotópos mér berendezéssel gyakorlatilag mérhetetlen, mert azt a mérés pontatlansága jelent sen meghaladja.
A viszonyítási s r ség meghatározásának alternatívái Az új MSZ EN európai szabványok hazai megjelenésével az eddig használt dmax fogalma is viszonyítási térfogats r ségre változott. Az eddig használt Proctor-vizsgálat új szabványa mellett (MSZ EN13286-2) már lehetséges a valóságos hengerlési munkához közelebb álló modellhatású módszerek, például a vibrosajtolásos (MSZ EN13286-3), a vibrokalapácsos (MSZ EN13286-4), vagy a vibroasztalos (MSZ EN13286-5) viszonyítási térfogats r ség meghatározása is, melyek összehasonlítása újdonságuk miatt eddig még senkinek sem volt lehetséges, de valójában hamarosan elkerülhetetlen lesz.
Az izotópos mérések amúgy is vitatott pontosságát a több módon meghatározható és egymástól várhatóan igen eltér viszonyítási s r ségek káosza végleg fel fogja borítani.
Megjegyzend , hogy a dinamikus tömörségmérés módszere a vibrokalapácsos módszerhez igen hasonló. A helyszínen elvégezhet
tömöríthet ségi gyorsvizsgálat is kifejlesztés alatt áll a
viszonyítási térfogats r ség meghatározására. A térfogatváltozáson alapuló mérés igazoltan független az anyag típusától, amellett jóval pontosabb módszer is.
A tömörségi fok meghatározása egyéb hagyományos módszerekkel Az nyilvánvaló, hogy a rendelkezésünkre álló laboratóriumi mérési módszerekb l a valós tömörítéshez legközelebb állókat kell majd alkalmazzuk, legalábbis a mérés modellhatása közel azonos kellene legyen a valós hengerléssel. A dinamikus tömörségmérés e vizsgálati módszerekkel
8
meghatározott Trw nedvességkorrekciós görbe meghatározására korlátozódik és érdektelen (!) a térfogats r ség abszolút értéke.
A dinamikus tömörségmérés megjelenésével már nem tekinthet közvetlen módszernek a korábbi kiszúróhengeres, homokkitöltéses, gumiballonos módszerek egyike sem, mert mindegyikük a térfogats r ség – mint a tömörség számításához szükséges közvetett érték – meghatározására törekszik. A tömörségi fok számítása ezeknél sajnos ugyanúgy tartalmazza a viszonyítási térfogats r ség ( dmax) hibáját, mint az izotópos mérésnél. E régi módszerek nem népszer ek sem itthon, sem külföldön lassúságuk és macerás manualitásuk miatt. Az ÚT 2-3.103 és újabban az MSZ 15320 szerinti izotópos mérésünk elterjedt hazánkban, összes hibájával és közismert pontatlanságával együtt. Az izotópforrás alkalmazása és egészségügyi kockázata miatt azonban Európában nincs jöv je ennek a mérésnek. Dr. Szepesházi Róbert úr MAÚT Útügyi Konferencián 2004. április 27-én elhangzott hozzászólásában már jelezte, hogy az FGSV 516 ajánlásában (Merkblatt für die Verdichtung des Untergrundes und Unterbaues im Straßenbau) már nincs benne az izotópos tömörség-mérési módszer.
Meggy z désünk, hogy szabványaink és vizsgálati módszereink a jöv ben nagyobb kritikát kell elviseljenek, kiálljanak, mint eddig. Nem tarthatók meg olyan el írások és vizsgálati módszerek, melyek gazdasági, vagy egészségügyi, környezetterhelési kockázattal bírnak, s t esetenként már akár kimutatható károkozással járnak a kivitelezésben. Az ISO szerint min sített és valóban min ségi munkára törekv - kivitelez k, az igen sz kre szabott határid miatti feszes organizáció, valamint a késésre-hibákra hegyezett fül
politikai hangulat nem t ri meg a
bizonytalanságot. Szakmailag korrekt, megalapozott, megfelel
mérési pontosságú módszerek
alkalmazása szükséges, melyek nem vethet k el csak azért, mert „újak”.
9
Megépíthet -e az autópályák földm -fels rétegén a 97%-os tömörségi fok? A 3.1/2004 ÉME az új típusú autópálya szerkezetek alatti egyméteres vastagságban a földm tükörre el írja a Trρ%>=97%-0% tömörségi határérték alkalmazását. Látni kell, hogy az izotópos tömörségmérés a bemutatottak miatt a tömörség +/-2% pontosságú meghatározására alkalmatlan. A dinamikus tömörségvizsgálat ilyen pontosságú mérésre ugyan alkalmas lehet, mégis fel kell tegyük magunknak a kérdést, hogy az adott víztartalmakkal és tömörít
eszközökkel
egyáltalán megépíthet -e az autópályák fels rétegeire el írt 97% tömörségi fok? Az el z ekben tárgyalt relatív tömörségi fok és a nedvességkorrekciós tényez érzékenységét és jelent ségét ilyen vonatkozásában elemezzük.
A földm fels 1,0m fels 0,5m részét vizsgálva, induljunk ki abból, hogy a különlegesen jól tömöríthet
homokos-kavics anyag alkalmazása itt szigorúan el
van írva. A Trρ%>=97-0%
tömörségi követelményt intenzív tömörítéssel a következ módokon érhetjük el: a.) A Trd% tömörségi fok akkor lehet az elvárt 97% felett, ha az elért TrE% helyszíni relatív tömörség 97-100% közötti és a nedvességkorrekciós tényez Trw = (Trd% / TrE%) = 1,00-0,97 közötti. Ezt is csak úgy, ha a relatív tömörség a 100% felé tart, illetve a Trw 0,97 felé. Ennél gyakoribb eset lehet, ha a relatív tömörség eléri a 98% értéket, és a Trw= 0,99 érték legalább. Ez a homokos kavicsok Proctor görbéit tekintve általában a wopt%+/-1,5% tartomány, mely olyan sz k, hogy gyakorlatilag - tartósan - NEM állítható el .
b.) Másik eset lehet a tökéletesebb tömörítés (pl nagyobb, korszer bb henger), amikor a relatív tömörség 99-100% közötti, ekkor a Trw legalább 0,98 kell legyen. Ez a homokos kavicsok esetében általában a wopt% +/-2,5% beépítési víztartalom tartomány, mely gyakorlatilag is el állítható. Ehhez tehát elegend a hagyományos tömörít eszközök leváltása korszer bbekre.
Látni kell, hogy igen messze vagyunk a tenderekben megengedett wopt+/-5%-tól!!! 10
Mindezeket megvizsgálva a földm fels 1,0m alsó 0,5m részére - mivel itt különlegesen jól tömöríthet homokos-kavics anyag alkalmazása nincs is el írva - teljesen reménytelen teljesíteni a Trρ%>=97%-0% tömörségi követelményt bármilyen intenzív tömörítéssel, bármilyen pontos méréssel.
Összefoglalva: az autópályákra el írt tömörségi követelmény a szabad ég alatti kivitelezési körülményeket, a talajok természetes víztartalmát, a közelít
beépítési technológiákat is
figyelembe véve, maximális tömörítési technikával, megfelel anyagokkal, a földm
fels 1,0
méterének fels 50cm-es rétegben, homokos-kavics jelleg , igen jól tömöríthet , alig görbül Proctor-görbéj
anyagokkal Trd%>=97% (-2% az esetek maximum 20%-ában megengedve)
tartható be szerintünk reálisan, a méréstechnikai megfontolásokat alapelvnek tekintve.
A földm
fels
1,0m alsó 0,5m részében - mivel itt a
homokos-kavics jelleg
anyagok
alkalmazása már nem el írás - teljesen reménytelen tartósan teljesíteni a Trd%>97-0% tömörségi fok követelményt, maximális tömörítési technikával és megfelel , jól tömöríthet
szemcsés
talajokból is legföljebb csak Trd%>95%-0% el írás tartható be biztonsággal, a fenti, egyszer méréstechnikai megfontolások alapján is.
Budapest 2005-06-22
11
Szakirodalmi jegyzék
1.) Dr. Kézdi Á.: Talajmechanika I. TK. Budapest 1972. 2.) Tömörség- és teherbírásmérés könny ejt súlyos berendezéssel K+F Jelentés Budapest ÁKMI Kht. 3810.5.1/2002 Témafelel s: Subert István 3.) ÚT 2-2. 124:2003 Útügyi M szaki El írás „Dinamikus tömörség- és teherbírásmérés könny ejt súlyos berendezéssel” 4.) Subert I.: Dinamikus tömörség- és teherbírásmérés könny ejt súlyos berendezéssel Közúti és Mélyépítési Szemle 53.évf. 2003 5.szám. p.:184-191 5.) Subert I.: A dinamikus tömörségmérés tapasztalatai 31. Útügyi Napok Gy r 2003, 3. szekció. p.: 10. 6.) Subert I. Dinamikus tömörség- és teherírásmérés könny ejt súlyos berendezéssel Közúti és mélyépítési szemle 2003/2 7.) Subert I.: Dinamikus tömörségmérés alkalmazásának újabb tapasztalatai Geotechnika 2003 Konferencia Ráckeve 8.) Subert I.: Dinamikus tömörségmérés – környezetbarát, új mérés a mélyépítésben Mélyépítés 2003 p.:36.- 37. 9.) Subert István: Dinamikus tömörségmérés alkalmazásának tapasztalatai és el nyei 31. Útügyi Napok Gy r, Építés-Technológia szekció 10.) Subert I.: B&C dinamikus tömörségmérés – megbízható min ség a mélyépítésben Mélyépít -tükörkép 2004 p.: 11.) dr Fay P: Az új B&C teherbírás- és tömörségmér készülék Magyar Elektronika 2004/6.szám p.:46-47 12.) Subert I.: Új, környezetkímél , gazdaságos mér eszközök a közlekedésépítésben Geotechnika 2004 Konferencia Ráckeve 13.) Subert I.: B&C dinamikus tömörségmérés Mélyépítés 2004 október-december p.:38-39. 14.) Subert I.: B&C – egy hasznos társ Magyar Épít Fórum 2004/25 szám p.:36.
12
