Dinamikus tömörségmérés európai és ázsiai tapasztalatai Subert István Andreas Kft T.Q.Phong BME Geotechnika Tanszék Bükfürdő Beruházási konferencia Bevezetés Minden vonalas létesítmény földmunkája, szemcsés rétegei igénylik a kellő teherbírás és tömörség biztosítását, ellenőrzését. A B&C dinamikus tömörség- és teherbírás mérési módszer az LFWD készülékek elvén működik, ezért nem igényel ellensúlyt és a mérés a korábbi statikus teherbírás vizsgálathoz képest igen gyors. A tényleges, dinamikus forgalmi terheléssel azonos modellhatású a mérés. A dinamikus mérési módszerek alkalmazása gyorsan terjed a világon, de tömörség mérésére ez az első kidolgozott módszer. Az új dinamikus tömörség mérési módszer pontosabb, megbízhatóbb és gazdaságosabb, mint a korábbi sűrűségmérésen alapuló eljárások. Alkalmazása megnöveli a földművek és szemcsés anyagrétegek minőségellenőrzésének hatékonyságát, megbízhatóságát. A B&C SP-LFWD (Small-plate Light-Falling Weight Deflectometer) kistárcsás könnyű-ejtősúlyos berendezés egyrészt méri a dinamikus modulust, másrészt az ejtések hatására létrejött tömörödési görbéből a tömörségi fokot. A mérő berendezés kifejlesztése 2003-ban kezdődött a két legfontosabb jellemző egyidejű mérésére, valamint a dinamikus tömörségmérés elméleti kutatására. A dinamikus tömörségi fok világszerte új elméletét és mérésének módját az Andreas Kft dolgozta ki. A módszer magyar, majd európai szabadalom lett. Elkészült az ÚT2-2.124 Útügyi Műszaki Előírás, majd 2008-ban CEN-WA 15846 európai szabvány, mellyel a B&C dinamikus tömörség- és teherbírás mérés alkalmazása megnyílt Európa és a világ más országai előtt. Magyarországon 27 akkreditált laboratórium alkalmazza már a mérést.
Előzmények A tömörség és teherbírás a két legfontosabb építési jellemző a mélyépítésben. Az eddig alkalmazott tömörségmérések közvetett módon, a sűrűség mérésén alapultak, mint a homok-kiöntéses, a víztérfogatméréses, vagy az izotópos mérés. A mért helyi sűrűséget a víztartalom ismeretében először száraz sűrűségre átszámítottuk, majd egy viszonyítási sűrűséghez hasonlítottuk, százalékban megadva. Minőség ellenőrzése szempontjából lényeges, hogy az eddigi mérési módszerek pontossága gyenge, gyakran Trg ± 5–6%-os, mely az egyre szigorodó követelményeknek ma már nem felel meg. Az elterjedten alkalmazott izotópos mérési módszer sem egészségügyi, sem környezetvédelmi okokból nem tartható. Alkalmazását szigorú jogszabályok korlátozzák egyre nagyobb mértékben, ezért kiváltása hatalmas egészségügyi, adminisztrációs- és üzemeltetési költségcsökkentést eredményez. A méréshez egy fő elegendő, míg az izotópos mérést két fő jelenlétében lehetett végezni. Az európai elvárások sürgetik az izotópos módszerek kiváltását. A német FGSV-561 például már nem is említi az izotópos mérési módszert, helyette az homokkitöltéses, térfogatos módszereket alkalmazza, vagy a tömörség helyett a teherbírás mérését helyezi előtérbe. Újabb lehetőség a nagyfelületű munkák tömörségének minősítésére a CCC-módszer, mely a tömörítő hengerekre szerelt gyorsulásmérővel állapít meg és alkalmaz több, a tömörödéssel kapcsolatban állónak vélt jellemzőket.
1
Fentiek miatt a dinamikus ejtősúlyos tömörségmérés kifejlesztése és gyakorlati előnye kiemelkedő. A tapasztalatok igen kedvezőek. Alkalmazása az építést jelentősen megkönnyíti, helyszíni, rutinszerű döntéseket tesz lehetővé. A mért paraméterek alapján egyértelműen eldönthető, hogy kell-e (lehetséges-e) még további tömörítés, vagy sem.
1. ábra Kistárcsás, könnyűejtősúlyos mérőberendezés kialakítása, részei
Dinamikus teherbírás modulus meghatározása A B&C (Small-Plate Bearing Capacity & Compactness-rate Tester) egy olyan könnyű-ejtősúlyos mérőberendezés, melynek tárcsaátmérője 163 mm, a 70-75 cm magasságból ejtett 11±1kg tömegű ejtősúly a tárcsa alatt 0,35 MPa dinamikus terhelést hoz létre. Ez szükséges ahhoz, hogy a tömörségméréshez szükséges tömörítési munka az ejtések során teljesüljön, másrészt a statikus terheléssel azonos tárcsa alatti terhelést hozzon létre. Emiatt a mért dinamikus modulus a statikus E2 értékkel egyező nagyságrendű, és semmiféle átszámítás nem szükséges. A kialakítás miatt minden korábbi tömörségi fok, és teherbírási határérték előírás módosítás nélkül alkalmazható. A vizsgálat során a terhelőtárcsa középpontja alatt gyorsulásmérővel és kvarcórával mérjük a dinamikus terhelés hatására keletkező függőleges irányú elmozdulást, a süllyedési amplitúdót. A süllyedési amplitúdók sorozatából határozható meg a dinamikus teherbírási modulus Ed illetve a végmodulus Edvég, valamint a relatív helyszíni tömörségi fok (TrE%). A dinamikus tömörségi fok (Trd%) a 2
relatív tömörségi fok és a nedvességkorrekciós tényező (Trw) szorzata, a nedvességet ezért külön műszerrel mérjük.
Dinamikus teherbírási modulus meghatározása A dinamikus modulus meghatározása az első hat ejtésből meghatározható. A számítást hagyományosan végezzük, azzal a különbséggel, hogy a tárcsa alatti terhelés a statikus teherbírás méréssel egyező, valamint az anyagra jellemző Poisson-féle haránt-kontrakciós tényezővel és a Boussinesq-féle merevtárcsaszorzót alkalmazzuk, választható módon. A dinamikus modulust a 4-5-6 ejtésből számítjuk, az első három előterhelésnek minősül. A süllyedési amplitúdó mind a rugalmas, mind a maradó alakváltozást tartalmazza. A 16-17-18 ejtésből végmodulust számítunk, ami a teljes tömörítéssel elérhető legnagyobb modulust mutatja meg. Számítása:
E d,C,μ
ahol: c
c. 1 μ 2 .p din .r C.μ s1á s1á
- Boussinesq-féle tárcsaszorzó, (c = 2 vagy π/2 merev tárcsára figyelembe véve)
s1á
- tárcsa közepének átlagos függőleges elmozdulása, 0,01 mm
µ
- Poisson-tényező (0,3-0,4-0,5 között válaszható)
r
- a terhelő tárcsa sugara, mm
pdin
- Fdin /A tárcsa alatti dinamikus terhelés nagysága, 0,35MPa
Dinamikus tömörségi fok meghatározása A dinamikus tömörségi fokot (T rd%) az alakváltozást jellemző süllyedési amplitúdók sorozatából, mint tömörödési görbéből határozzuk meg. A számítás csak a maradó alakváltozásokat veszi figyelembe oly módon, hogy azokat az ejtések számával súlyozzuk és ebből súlyozott átlagot számítunk. Ezt nevezzük deformációs modulusnak. A T rd % dinamikus tömörségi fok a B&C műszerrel mért „helyszíni relatív tömörségi fok” és a nedvességkorrekciós tényező szorzata:
Trd % TrE .Trw Trρ % TrE helyszíni relatív tömörség az adott víztartalom mellett a tömörítő munkával elért tömörségi fok, a Trw pedig az optimális víztartalomra való átszámításhoz szükséges nedvességkorrekciós tényező. Az így kapott tömörségi fok az izotópos méréssel meghatározott tömörségi fokkal (Trρ%) elméletileg igazoltan egyező, a Proctor-vizsgálat elméletéből levezethető. A B&C mérési módszer más tömörségmérési módszerekhez képest (izotópos, vagy más viszonyítási sűrűséghez képest) jóval kedvezőbb ±2% pontosságú. A T rE helyszíni relatív tömörség a süllyedési amplitúdó görbéjéből határozható meg, a következő kifejezésből:
TrE % 100 Φ o D m 3
ahol: Фo = a Proctor-vizsgálat Gsz = constans modellből számított ΔVmm – T r% egyenes lineáris együtthatója. Jellemzően konstans, értéke 0,365 ± 0,025 Dm = deformációs mutató, melynek számítása a maradó alakváltozások ejtés számával súlyozott átlaga. A hi az ejtésekből létrejött rugalma és maradó (teljes) alakváltozás, i = 1..18. h 1≥h2≥h3…… …h 17≥h 18
S1 1 h 1 h 2 S 2 2 h 1 h 2 h 2 h 3 .. S16 16 h 1 h 2 h 2 h 3 .... ... h 17 h 16 S17 17 h 1 h 2 h 2 h 3 h 3 h 4 .... ... ... h 17 h 18 17 i j S j h i h i 1 j1 i 1
i j j h i h i 1 S j1 i 1 Dm 17 17 17
A Trw nedvességkorrekciós tényezőt a dinamikus tömörségméréssel egy időben kell mérni, vagy a vett mintából laboratóriumban meghatározni. A Proctor-görbéből számítható előre az úgynevezett nedvességkorrekciós görbe, melyből a korrekció alkalmazandó értéke a mérési hely víztartalmának wt% ismeretében kiolvasható. A T rw görbe számítása:
Trw
ρ di képlettel történik ρ dmax
T rw-görbe (földm ű, homokliszt M7)
y = -0,0016x 2 + 0,0292x + 0,8666 R2 = 0,9586
1,00
Trw
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 19 20 w%
3. ábra Nedvességkorrekciós együttható görbéje iszapos homoknál
4
A nedvességkorrekciós görbe tehát egy normalizált Proctor-görbe (MSZ- EN 13286-2). Minden anyag Trw görbéjének maximuma =1,0 csak görbületük változó. A vízre érzékenyebb anyagok görbülete nagyobb, a kevésbé érzékenyeké kisebb.
A B&C mérőberendezés előnyei A kistárcsás könnyű-ejtősúlyos B&C berendezés széleskörű alkalmazhatóságát nagyban segíti kis mérete, könnyű hordozhatósága. Ellensúlyt a mérés nem igényel. A mérés gyors és olcsó, egy laboráns kezelésében akár napi száz mérés is elvégezhető. A mérési adatokat számítógéppel ki lehet olvasni, feldolgozni. A KTI-ÁKMI körvizsgálatban résztvevők a mérésről bizonyítványt kapnak. A kidolgozott mérési módszer lényeges eleme, hogy a Proctor-vizsgálattal azonos munkával a tömörítést a helyszínen, az adott anyagon, újra és újra elvégezzük minden mérésnél. Ez a mérési módszer pontosságát jelentősen emeli, a napi gyakorlati munkavégzést pedig rendkívül biztonságossá és megbízhatóvá teszi. A mérési módszer független az anyag sűrűségétől. Az új dinamikus tömörség mérési módszer nagy előnye, hogy a mért paraméterekből azonnal lehet tudni a helyszínen, hogy megfelelő-e a tömörség, vagy nem, illetve mit kell tenni, ha nem az. A TrE% relatív tömörségi fok a hengerlés hatékonyságát mutatja, míg a T rw nedvességkorrekciós tényező az adott anyag nedvességtartalmára jellemző. A relatív tömörség T rE% < 97% esetén még érdemes néhány járattal rátömöríteni. Ehhez ráadásul nem kell ismerni az anyag Proctor- jellemzőit sem. A relatív tömörségi fokból a helyszínen meg lehet mondani, hogy a hengerlés hatékonysága milyen, tömörítendő, vagy tömöríthető-e a réteg tovább, vagy sem. A B&C berendezés környezetvédelmi és egészségügyi vonatkozásai kedvezőek, mert ez a módszer az izotópforrást alkalmazó hasonló mérőberendezéseket helyettesítheti környezetbarát módon és széles körben használható az építőipar teljes területén.
Nemzetközi tapasztalatok a B&C mérőberendezés alkalmazhatóságáról A kistárcsás könnyű-ejtősúlyos B&C berendezés széleskörű alkalmazhatóságát nagyban segíti kis mérete, valamint az az újdonsága, hogy a műszerrel az első hat ejtésből a teherbírást jellemző dinamikus modulus, az ejtések sorozatából létrejött tömörödési görbéből pedig dinamikus tömörségi fok egyidejűleg mérhető, számítható. A Genfi, Sucho-i, Szöul-i, Találmányi Világkiállításokon a B&C berendezés Környezetvédelmi előnyei miatt aranyérmet, Kuvaitban és Nürnbergben ezüstérmet kapott. Díjazta a Thai miniszterelnöki hivatal Minisztere, valamint az Orosz Föderáció Tudományos és Oktatási minisztere oklevelével. A nemzetközi érdeklődésre jellemző, hogy a szlovén, román, svájci, német, angol, thai egyetemeken a magyar B&C módszert és mérőeszközt tesztelik, vizsgálják. Számos külföldi bemutatót, előadást tartottunk a nagy érdeklődésre való tekintettel. Németországban a Német Műszerbizottság ülésére Prof Kudla, a BAST Német szövetségi Kutató Intézetben Ursula Blume meghívására jártunk. Bemutattuk a B&C készüléket Bangkokban, Loughborouh-ban, Laussanne-ben az ottani egyetemeken.
5
A szlovén műszaki egyetemen A. Petkovsek Ph.D. tanulmánya, Prof. Zmavc vezetésével a CCC-módszer által mért Evib és Ed értékeket tanulmányozta és kiváló korrelációt állapított meg. Megítélésük szerint az új módszer tanulmányozását folytatni szükséges. Egy épülő Portugál gyorsvasút alépítményén az University of Minho Építőmérnöki karán Prof Antonio Gomes Correira csapata végzett egy széleskörű összehasonlító körvizsgálatot, melyre meghívást kaptunk a B&C mérőeszközzel való helyszíni összehasonlító mérésre. A Bangkok-i Ramkhamhaeng Egyetemen a B&C berendezést Panarat Khamwongkhong tanulmányozta az Építőmérnöki Karon, összehasonlító kalibrációs méréseket végzett a homok-kitöltéses módszer és a dinamikus tömörségi fok között. Svájcban, a Lausanne-i EPA Talajmechanikai laboratóriumában Prof Steinmann vezetésével tanulmányozták a B&C berendezést és mérési módszert, melyről diplomamunka is készült. Loughborough-ban Fleming professzor kapott B&C műszert tesztelésre, eredményeinek feldolgozása még nem zárult le.
Összefoglalás A dinamikus mérési módszerek alkalmazása gyorsan terjed a világon. Ez a módszer nem igényel ellensúlyt és a mérés a korábbi statikus teherbírás vizsgálathoz képest igen gyors. A B&C dinamikus tömörség és teherbírás mérő berendezés tovább fejlesztette az LFWD módszert és kiterjesztette a tömörségi fok meghatározására is. Pontosabb és megbízhatóbb és gazdaságosabb mérési módszer, mint a korábbi eljárások. Alkalmazása megnöveli a földművek és szemcsés anyagrétegek minőségellenőrzésének hatékonyságát, megbízhatóságát. A B&C mérőberendezés a két legfontosabb jellemző egyidejű mérésére alkalmas, egy méréssel képes meghatározni a dinamikus modulust, illetve az ejtések hatására létrejött tömörödési görbéből a tömörségi fokot. A mérés szabályozása ÚT2-2.124 Útügyi Műszaki Előírásban, majd 2008-ban CEN-WA 15846 európai szabványban biztosított, mellyel a B&C dinamikus tömörség- és teherbírás mérés alkalmazása megnyílt Európa és a világ más országai előtt. A B&C mérési módszer pontossága ± 2% belüli, mely az eddigi tömörségmérési módszerekhez képest kiemelkedő. A mérés nem érzékeny a sűrűségingadozásra, ezért minden olyan anyagnál alkalmazható, amelyik a tömörítés hatására még alakváltozással reagál. A dinamikus tömörségmérési módszer alkalmazása jelentősen megnöveli a földművek és más szemcsés anyagrétegek minőségellenőrzésének hatékonyságát, megbízhatóságát. Lehetővé teszi a valós állapothoz közelebb álló mérési eredmények megismerését, egy pontosabb és megbízhatóbb minősítési mód alkalmazását. B&C dinamikus tömörség- és teherbírás mérő berendezés beszerzési ára fele az izotópos és teherbírást mérő berendezéseknek. Fenntartási költsége alacsony, termelékenysége kiemelkedő. Alkalmazható az egészséget, valamint a környezetet feleslegesen szennyező izotópos műszer kiváltására. A módszer európai szabadalommal védett és mára már számos elismerést és díjat kapott. A legnagyobb elismerés 6
számunkra azonban az, hogy a napi mérési gyakorlatban a mérőeszközt alkalmazó szakemberek olyan lehetőséghez jutottak, melyhez korábban nem lehetett. A berendezés gyakorlati haszna jól mérhető a magas eladási számban, mely öt év alatt elérte az ötvenet.
Irodalomjegyzék MSZ EN 13286-2 Kötőanyag nélküli és hidraulikus kötőanyagú keverékek 2. Vizsgálati módszerek a laboratóriumi viszonyítási térfogatsűrűség és víztartalom meghatározására. Proctor-tömörítés. CEN-WA 15846 Measuring Method for Dynamic Compactness & Bearing Capacity with SP-LFWD ÚT 2-2.124 Dinamikus tömörség és teherbírás mérés kistárcsás könnyűejtősúlyos berendezéssel Dr Pusztai József – Dr Imre Emőke – Dr Lőrincz János – Subert István – Trang Quoc Phong: Nagyfelületű, dinamikus tömörségmérés kifejlesztése helyazonosítással és a tömörítő hengerek süllyedésének folyamatos helyszíni mérésével. COLAS jelentés 2007. Subert: Method for measuring Compactness-rate with New Dynamic LFWD. XIII. Danube-European Conference on Geotechnical Engineering Ljubljana, Slovenia, 2006 Subert I.: „Dinamikus tömörségmérés a hazai autópályákon és városi helyreállításokon” Geotechnika Konferencia 2006 Ráckeve. (2006. október 17-18.) Fáy M. - Király Á.: - Subert I.: Közúti forgalom igénybevételének modellezése új, dinamikus tömörség- és teherbírásméréssel. Városi Közlekedés 2006 Subert I.: „Dinamikus tömörségmérés aktuális kérdései. A dinamikus tömörség mérés újabb tapasztalatai” Geotechnika Konferencia 2005 Ráckeve. (2005. október 18-20.) Subert I.: „Új, környezetkímélő, gazdaságos mérőeszközök a közlekedésépítésben” Geotechnika Konferencia 2004 Ráckeve. (2004. október 26-27.) Subert I.: „A dinamikus tömörség- és teherbírásmérés újabb paraméterei és a modulusok átszámíthatósági kérdései” Közúti és mélyépítési szemle 55. évf. 2005. 1. sz. (5 oldal)
7
