JELLEGZETES ÜZEMFENNTARTÁSI OBJEKTUMOK ÉS SZAKTERÜLETEK 1.04 5.03
Alkáli–kovasav reakció által károsodott vízi műtárgyak vizsgálata és helyreállítása Tárgyszavak: beton; műtárgy; hibafeltárás; helyreállítás; kárelemzés; hibadiagnosztika.
A német Szövetségi Vízépítési Intézet (Karlsruhe) munkatársai az elmúlt évek szemléi során a közlekedési vízépítés beton műtárgyain olyan repedezéseket találtak, amelyek alkáli–kovasav reakció okozta duzzadásnak tulajdoníthatók. A jelenséget Németország északi és középső részein levő régi építményeken észlelték, amelyekre építésük idején nem létezett a jelenlegi vasbeton-irányelvhez hasonló kármegelőző szabályozás. A károk elemzésére és a helyreállítási lehetőségek szemléltetésére alkalmas példaként két zsilip (1), egy vízzáró mű (vízduzzasztó) (2) és egy mederpillér (3) szolgál. A vizsgálat az említett reakción kívül kiterjedt egyéb lehetséges kártételekre, így a beton hidratálódásakor felszabaduló hő által keltett feszültségek és elégtelen utókezelés miatti repedezésre, valamint további, az igénybevételtől függően bekövetkező károkra (fagy, mechanikai terhelés stb.).
Hibadiagnosztika – szemrevételezés Az építmények hibáinak számbavétele és fokozati minősítése bizonyos kritériumok szerinti szemrevételezéssel kezdődik (1. táblázat). 1. Mindkét zsiliprendszer kamráinak betonján feltűnő, részben málladékkal kitöltött repedések láthatók, amelyek párhuzamosan végigfutnak a zsilipkamrák falán, itt-ott igen durva harántrepedésekkel összekötve, összességükben repedéshálót alkotva. A látható károsodásokra felállított, 1-től 5-ig terjedő skála szerint a két helyszínen a zsilipkamrák falfelületének 25, ill. 50%-át 3-as–4-es minőségi osztályokba sorolták. 2. A duzzasztómű közúti alagútként is működő öt gátfala hat pilléren nyugszik. Ezek közül a két szárazföldi pilléren nem észleltek emlí-
tésre méltó károsodást, a többin viszont, a váltakozó vizes zóna fölött hálós repedezések képződtek, elmállott betonnal részben kitöltve. A legerősebb, 4–5 fokozatú repedések a mederpillérek kosárívben hajlott homlokfalán alakultak ki, amelyek részben a pillérszélekkel párhuzamosan, részben az élek körül futnak. 1. táblázat Kárfelvétel a vizsgált építményeken Építmény Zsilipkamrák Kárfelmérés szemrevételezéssel Repedezettség több durva repedés, a széleken párhuzamos repedések, vékony háló Repedésszélesség 0,5–2,5 mm Kárfokozat 3–4 A repedezettség értékelése fúrómintákon A fúróminták száma 19 A repedések lefutása függőleges, a felülettel párhuzamos Szerkezeti lazulás 10 cm mélységig, elválások miatt
Vízzáró mű
Mederpillérek
vastag, ill. igen vastag repedésháló málladékkal kitöltve 0,5–3,5 mm 2–5
felül vékony, az összekötő födémen durva repedésháló 0,5–3,5 mm felül 3–4 födém 4–5
26 23 függőleges, a felülettel párhuzamos 20 cm mélységig, elválások miatt
az egész falat és födémet behálózó elválási repedések
3. Egy régi lübecki híd mindkét mederpillérének felső részén levő erős repedezésről már egy 1977. évi bejárás hírt adott. Ennek nyomán és későbbi (1992) vizsgálatok alapján is alkáli–kovasav reakcióra lehetett következtetni, amely statikailag fontos tartományokban is szerkezeti lazulásokat okozott. A felcsapóhíd üzembiztonsága megkívánta a nagy húzó igénybevételű parti pillérek megerősítését külső abroncsszerkezettel. Tekintettel a pilléreken duzzadásos reakciókkal előidézett károkra, a pillérek elhasználódási tartalékának időhatárát korábban 2010-re becsülték. Az új megfigyelés az eddig hibátlannak minősített mederpilléreken is talált a vízvonalnál körbefutó repedéseket, hasonlóképpen a pillér belsejében levő összekötő födém alján. Duzzadásos folyamatok a 3,5 mm-es szélességet is elérő repedezést indítottak el. Valószínű, hogy a vízvonal környéki repedésháló is a födém duzzadásának következménye.
Mintavétel, fúróminta-vizsgálat Mind a sérült, mind a hibátlan épületrészekből legalább 10 cm átmérőjű fúrómintákat vettek (a legdurvább kaviccsal készült betonból ugyan-
is ennél keskenyebb minták nem használhatók). A fúrómélység, a falvastagságtól függően 50–100 cm volt. A fúrómintákat először vizuálisan ítélték meg repedezettség, kiválások és szerkezet szempontjából. Ha csak töredékesen sikerült a fúrás, akkor a furat oldalát is megvizsgálták kamerabejárással. 1. A zsilipekből vett 19 vízszintes fúróminta közül hétben találtak szórványos kalcium-hidroxid-lerakódásokat, de az alkáli–kovasav reakcióra jellemző gélkiválást csak egy esetben. Ilyen folyamat tehát a mintavétel idején nem zajlott a tárgyak betonjában. Repedezések és duzzadásra utaló elválások (héjképződés) viszont hat fúrómintán jól láthatók voltak. 2. A duzzasztómű betonjának 26 fúrt mintája közül 12-t, speciálisan az alkáli–kovasav reakció vizsgálata céljából, a két legerősebben károsodott pillérből vettek. E fúróminták többségében 20 cm mélységig észleltek elváló repedéseket, a felszínre merőleges repedések rendszerint elhatoltak az 5–10 cm-re levő fegyverzetig, majd elgörbültek. 3. A mederpillérből 23 vízszintesen, ill. függőlegesen fúrt mintát vettek, a pillérfalból és az összekötő födémből. Valamennyi mintán a teljes födém- és falvastagságon határozottan felismerhetők voltak az elválásos repedések. A repedezést a furat belső fala az átszivárgó vízcseppekkel tanúsította.
Laboratóriumi vizsgálatok A beton szilárdságát és szerkezetét – ugyancsak fúrómintákon vizsgálva – a húzószilárdsága, nyers tömege és vízfelvétele alapján határozták meg. A fúróminták különböző mélységi szakaszain 5–10 cm-enként végzett mérésekből tájékozódni lehet a beton húzószilárdságának változásáról (1. ábra). A magbetonéhoz képest megfogyatkozott felületi húzószilárdságból szerkezeti hibákra is következtetni lehet. A nyomószilárdságot a statikailag előírt értékkel összehasonlítva (adott esetben az épületelem keresztmetszetéből leszámítva a károsodott peremzónát) lehetőség nyílik stabilitási (állóképességi) becslésre (2. táblázat). A beton alkáli–kovasav reakcióra való hajlamának ellenőrzése céljából a mintákat kilenc hónapra reakciógyorsító 40 °C-os ködkamrába helyezték és minősítő kritériumként meghatározták – megnyúlásukat, – látható elváltozásaikat (gélkiválás, repedezés, lepattogzás) és
– nyomószilárdság-veszteségüket kezeletlen mintákkal összehasonlítva. A normális (0,3 és 0,4 mm/m) nedvességi és hőtágulásnál nagyobb megnyúlás bizonyos reakciópotenciálra vall. 0,8 mm/m-t meghaladó értéknél erős repedezés és szerkezeti lazulás következhet be.
távolság a betonfelülettől,cm
>40 30-40 20-30 20.okt 10-20 10.máj 5-10 0-5 0
0,5
1
1,5
tapadási húzószilárdság, N/mm
2
2,5
2
1. ábra Tapadási húzószilárdság az egyik zsilip mély szintjein A nedves kamrában végbemenő repedezés egyértelműen utal már lezajlott alkáli–kovasav reakcióra. Gélkiválás és pattogzás csak alkáliérzékeny részeket jelez, nem lehet belőle károsodásokat valószínűsíteni. A beton kémiai elemzése a kötőanyagok és az alkálifémek koncentrácójának meghatározására irányult. Emelt alkálifém-tartalom (Na2O-egyenérték ≥ 3,6 kg/m3) ugyanis az alkáli–kovasav reakció, ill. a reakciópotenciál alapvető feltétele. Károsító alkáli–kovasav reakció csak akkor játszódhat le, ha a beton pórusoldatában elegendő az alkália, nyilvánvalóan elegendő nedvesség mellett.
Kárértékelés, helyreállítási lehetőségek 1. Zsilipkamrák A zsilipkamrák falán a károsodásra több, egymás után vagy egyszerre végbement mechanizmust lehet feltételezni. Mivel a kamrafalak
nagy betontömbjei egy munkamenetben készültek, a felszínhez közeli részeken a repedezés a magbeton és a külső rétegek között a lefelé hatoló hidratációs hő miatti belső feszültségek következménye lehet. A repedezett tartományokban a nedvességátvitel és a csekély hozzáférhető alkáliatartalom kedvezhetett az alkáli–kovasav reakciónak. A duzzadás ezután különösen a széleken további repedezést és repedésszélesedést indíthatott el. 2. táblázat Laboratóriumi vizsgálati eredmények Építmények Zsilipkamrák Szilárdsági vizsgálatok Hibátlan tartomá- Nyomószilárdság: nyok szilárdsága 30 N/mm2, Húzószilárdság 2,3 N/mm2 Károsodott A peremeknél 40 cm tartományok mélységben csökkent szilárdsága húzószilárdság < 1,5 N/mm2 A reakcióképesség becslése Nyomószilárdság Magbeton 31,5 N/mm2 40 °C-os (szilárdságvesztés ködkamrában nélkül) tartás után Megnyúlás 1. zsilip: 0,3 mm/m ködkamrapróba 2. zsilip: 0,4–0,8 mm/m után Elváltozások a Gélkiválás ködkamrában alkáliérzékeny kőzetszemcséken A beton alkálifémtartalma (Na2Oegyenérték)
Összesen 4,5 kg/m3, stabilan betonba kötve: 3,0 kg/m3
Vízzáró mű
Hídpillérek
Nyomószilárdság 75–81 N/mm2, Hasadási húzószilárdság 4,2–5,2 N/mm2 Pillérek repedezett tartományában hasadási húzószilárdság 3,1–3,9 N/mm2, csökkent nyomószilárdság: 53–62 N/mm2
Nyomószilárdság 50–60 N/mm2 Húzószilárdság 1,8–2,2 N/mm2 Pillérfalak és összekötőfödém repedezett tartományában csökkent húzószilárdság: 25–35 N/mm2
Pillérmagbeton: 45–58 N/mm2
Pillérfalazat: 35–55 N/mm2 (szilárdságvesztés <10%)
1. pillér: 1,2–1,5 mm/m 2. pillér: 0,9–1,4 mm/m
Pillérfalazat: 0,4–1,2 mm/m; összekötőfödém: 0,3–0,6 mm/m nincs elváltozás
Gélkiválás a fúróminta palástjára, csiszolaton alkáli–kovasavként kimutatva 3,0–3,8 kg/m3
3,5–4,5 kg/m3
A peremövezetekben meggyengült szilárdság és stabilitás nem befolyásolja a 2,40 és 9,50 m közötti szélességű, masszív betontömbök kereken 30 N/mm2-es nyomószilárdságát. Tekintettel a zsiliprendszer átnedvesedés utáni fagy, jégzajlás, hajóütközés általi nagy igénybevételére, nem alkalmazható rájuk a Német Vasbetonbizottság repedések betömését és felületvédelmét tartalmazó
ajánlása. A zsilipkamrák nagy, fegyverzet nélküli tömbjei a repedezett réteg lehordásával és fröccsbetonnal való pótlásával állíthatók helyre. A szükséges 30 cm-es lehordás után szabványos vasbeton előtéthéjat kell kialakítani. A magbeton alkáliérzékeny kőzetből álló kaviccsal készül, ezért a javítóbetonhoz és habarcshoz kis alkálitartalmú cementet, ún. NAcementet kell használni. Ez esetben nem kell a régi és az előtétbeton érintkező zónájában a betonozás közbeni nedvességbeviteltől tartani. 2. Duzzasztógát A duzzasztógát pillérének felső, görbült homlokfelületén megfigyelhető erős repedezés több okra vezethető vissza: – a legfontosabbak az első hét napon a pillér 50 K-t is elérő hidratációs felmelegedése és a kialakult hőmérséklet-különbség következtében a magbeton és a külső beton között fellépő feszültségek, – az utókezelés hiánya, – a tengervízzel a repedéseken át alkáliabevitel, amely alkáli– kovasav reakciót és duzzadást vált ki, – a repedezésnek kedvező durva fegyverzetrács a felszín közeli betonrétegben. Az 1,20–2,00 m vastag pillérfalak stabilitása – a károsodott helyek 45 és 58 N/mm2 közötti tekintélyes maradékfeszültségének köszönhetően – nincs veszélyben, az említett görbült felületeken látható, itt-ott a vasbetétig hatoló leválások ellenére. A tengervíz hatására viszont a ködkamravizsgálattal jelzett reakciópotenciál miatt nem zárható ki sem a keresztmetszet belseje felé nyomuló repedezés, sem a fegyverzet korróziója. Az utóbbit valószínűsítik a betonban 4 cm mélységben mért kritikus, 0,4 M%-ot meghaladó kloridkoncentráció-értékek. Az említett helyreállítási módszerek a duzzasztógát pillérein sem alkalmazhatók, tehát a sérült résznek a fegyverzetig történő lehordása után pótolni kell a betétrudakat beágyazó és a fedőbetont a víz- és alkáliafelvételt megakadályozó fröccsbetonnal. A további használat során elengedhetetlen a gondosabb karbantartás és a repedések képződésének ellenőrzése az előtétbetonon. 3. Mederpillérek A lübecki híd mederpilléreinek alsó szakasza feltehetően már korábban, alkáli–kovasavas duzzadás következtében repedezett meg, erős átnedvesedés miatt, pl. az összekötőfödémen álló víztől. A ködkamra-
próbák itt a reakciópotenciál kimerülését jelzik, így nem kell további szilárdságcsökkenéssel számolni. Ezzel szemben a magasabb falrészeken kimutatható a maradék potenciál, a szilárdságvesztés némi veszélyével. A födém magasságában végzett nyomószilárdság-mérések (20–30 N/mm2) és a statikai ellenőrzés azonban pillanatnyilag a stabilitási követelmények kielégítését igazolják a pillérek egészében. A hídpillérek károsodásának előrehaladásakor nem zárható ki, hogy a betonszilárdság a kívánt, C 12/15-ös terméké alá csökken. Minthogy az alkáli–kovasav reakció miatti feszültségvesztés kiterjed a viszonylag vékony pillérfalak egész keresztmetszetére, a javítást a szakértők ésszerűtlennek ítélték. A szilárdságot javító, már 1993-ban elvégzett beavatkozásokat is figyelembe véve, a hídnak még 2010-ig tartó használati időt prognosztizáltak forgalomkorlátozás és rendszeres repedezésvizsgálatot feltételezve, a pillérek akkor még sértetlen alapozásából kiindulva. Az elmúlt néhány évben az egyik mederpilléren megindult folyamatok azonban arról tanúskodnak, hogy az alapozótartományban is számítani kell alkáli– kovasav reakció okozta károsodásra. Ezért a kritikus, esetenként az üzembiztonságot és a stabilitást befolyásoló elváltozásokra való azonnali reagálás érdekében monitoringrendszert szereltek fel, amely automatikusan begyűjti és értékeli is az építményen esetleg észlelhető változásokat (pl. méreteket), a repedések szélességét, továbbá az igénybevételeket (pl. rezgést), valamint az időjárási adatokat. A monitoring a megmaradt használati idő végéig működik. Jelenleg pótlásképpen közúti alagút készül, 2005-ben pedig a tervek szerint megkezdik a híd visszabontását. Összeállította: Dr. Boros Tiborné Reschke, Th.: Untersuchung und Instandsetzung von Wasserbauwerken, die infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion geschädigt sind. = Beton, 54. k. 1. sz. 2004. p. 14–21. Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, UA „Alkalireaktion im Betonbau”: Empfehlung für die Schadensdiagnose und Instandsetzung von Betonbauwerken, die infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion geschädigt sind. = Beton, 53. k. 9. sz. 2003. p. 438–443. Siebel, E.; Dahms, J.: Beurteilung von Bauwerken hinsichtlich einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion. = Beton, 47. k. 9. sz. 1997. p. 533–537.
Röviden… Vágás vízsugárral Hidegmegmunkálásban fémek vágására elterjedten alkalmazzák az erősen koptató (abrazív) anyagot tartalmazó, nagynyomású vízsugaras technológiákat. A hagyományos (WAIS = Wasser-Abrasive-InjektionsVerfahren) módszernél az abrazív anyagot levegővel keverve szívják be, és nagynyomású keverőfejben vízzel keverve használják vágásra. Az eljárás hátránya a kis vágási teljesítmény és a folytonos szikrasugár, amely robbanásveszélyes. A továbbfejlesztett, újabb (WASS = WasserAbrasive-Suspensions-Schneid-Verfahren) eljárásnál az abrazív anyagot 40 literes, nagynyomású tartályban vízzel keverve szuszpenzióvá alakítják, és max. 1400 bar nyomásra sűrítik. A víz mennyiségének függvényében 8–10% csiszoló–koptató anyagot adnak a nagynyomású vízsugárhoz, és a nagynyomású szuszpenziót hajlékony tömlővel vezetik a vágófúvókához, amelyet hidraulikus hajtású manipulátorok mozgatnak; így a rendszer robbanásveszélyes környezetben is alkalmazható. A teljes berendezés minden eleme szabványos méretű konténerben van, így könnyen és biztonságosan szállítható, bárhol használható. A Német Szövetségi Anyagfejlesztési és Anyagvizsgálati Hivatal (BAM) durranógáz atmoszférában végzett kísérleteket különböző vastagságú és anyagú mintákkal, és igazolta, hogy az eljárás és a berendezés a környező robbanásveszélyes atmoszférát nem gyújtja be. Az eljárást egy osztrák kőolaj-finomító FCC reaktora kupolájának eltávolításánál alkalmazták. A kupola anyaga 20 mm vastag ST 37 acél, 4% acéltűtartalmú, 80 mm vastag tűzálló beton és kb. 10 mm vastag koksz. A teljes vágáshossz kb. 10 m volt, a műveletet 49 m magasságban végezték, a kupolát kilenc óra alatt vágták le a reaktortartályról. Az eljárás különösen vegyipari, kőolajipari, gyógyszeripari, nukleáris berendezések bontására, üzemzavarok utáni javítási műveleteinél alkalmazható, akár több méter mély vízben is. Mivel a vágófúvókából csak víz és abrazív anyag lép ki, nem keletkezik az egészségre ártalmas, a környezetet szennyező por, gáz, radioaktív aeroszol. A megmunkált anyag szerkezete nem változik; vágás közben nem keletkeznek rezgések; összetett anyagok (pl. acél + beton) hidegen vághatók; akár 350 mm-nél vastagabb acél is vágható. (Instandhaltung, 2004. 2. sz. ápr. p. 22–23.)
Infravörös, termográfiás eljárás villamos berendezések károsodásainak megelőzésére Az USA és Franciaország biztosítótársaságai után a német biztosítók is javasolják villamos berendezések és készülékek kezdődő hibáinak, bizonytalan érintkezéseinek infravörös, termográfiás módszerekkel végzett felderítését. A VdS Schadenverhütung GmbH a közeljövőben erre a szakterületre vonatkozó új irányelveket szándékozik megjelentetni. A VdS 2859 a termográfiás készülékek minősítésével, a biztosítók tapasztalatain alapuló követelmények meghatározásával és tanúsításával, a VdS 2858 villamos berendezések és készülékek termográfiás vizsgálatával foglalkozik. Tartalmazza a vizsgálatok szakszerű és reprodukálható elvégzésére alkalmas, bizonyított minősítésű és a megfelelő készülékekkel rendelkező intézmények jegyzékét is, továbbá egységes vizsgálati jelentés bevezetéséről is intézkedik. A villamos berendezések és készülékek állapotának infravörös, termográfiás ellenőrzése rendkívül hasznos és eredményes kiegészítő módszer, azonban nem helyettesítheti az egyéb előírásokban megfogalmazott vizsgálati, mérési, szemrevételezési eljárásokat. A rendszeresen megismételt, közvetlen érintkezést, csatlakozást nem igénylő termográfiás vizsgálatok a berendezések kikapcsolása nélkül végezhetők, más módszerekkel nehezen észlelhető, kezdődő hibák felderítésére alkalmasak. A vizsgálati eljárás alapján nyilvánvaló, hogy a szokásos, fémburkolatú kapcsolószekrények, sőt az infravörös sugárzást át nem engedő üveg- vagy műanyag ablakok nem teszik lehetővé a termográfiás vizsgálatokat. A probléma megoldására az infravörös sugárzást átengedő, különleges üvegből készült ablakok vagy (kisfeszültségű berendezésekben) fémrácsokkal fedett nyílások alkalmasak. (Instandhaltung, 2004. 2. sz. ápr. p. 16–17.)
EGYÉB IRODALOM Anlagendiagnose Aus sicherer Entfernung. Berührungslose Temperaturmessung an laufenden Anlagen. (Berendezésdiagnosztizálás biztos távolságból. Érintésmentes hőmérsékletmérés működő berendezéseken.) = Instandhaltung, 2003. 4. sz. p. 22.
