NSZ-NT betonok alkalmazása a hidakhoz BME Hidak és Szerkezetek Tanszéke Útügyi kutatási nap 2008. október 15.

Témakörök I. Előzmények a) Az nagy szilárdság és a nagy teljesítőképesség értelmezése b) Az NSZ-NT betonokkal kapcsolatos nemzetközi és hazai kutatások c) Új hídszerkezeti megoldások NSZ-NT betonok alkalmazásával II. Az erőtani tervezés szabályzati háttere NSZ-NT betonok alkalmazása esetén (4. téma) III. Az NSZ-NT betonok alkalmazásával kapcsolatos gyártási és kivitelezési kérdések (5. téma)

I) Előzmények

a) A nagy szilárdság (NSZ) és a nagy teljesítőképesség (NT) értelmezése Megkülönböztetés betontechnológiai alapon normál szilárdság (C16-C45/55) szokásos betontechnológiai intézkedések és módszerek nagy szilárdság (≥C50/60) különleges betontechnológiai intézkedések és módszerek szükségesek (pl. szemeloszlás módosítása, adalékszerek, stb.) helyszíni körülmények között megvalósítható (C50/60-C90/105) csak laboratóriumi körülmények között valósítható meg (>C90/105)

TELJESÍTŐKÉPESSÉG Környezeti vagy erőtani hatásokkal szembeni (pl. mechanikai, áteresztőképességi) ellenállás mértéke  tágabb fogalom a nagy szilárdságnál Hidak esetén általában a tartósság mértékének a megkülönböztetésére használjuk.

b) Az NSZ-NT betonokkal kapcsolatos nemzetközi és hazai kutatások A) Nemzetközi alapkutatások fő területei A korszerű betonok elterjedésének történeti háttere NSZ-NT betonokkal kapcsolatos nemzetközi és hazai kutatások Az NSZ-NT betonok fő típusai A korai repedezettség minimalizálása, az utókezelés elvei Fagy- és olvadásállóság Permeabilitás, vízzáróság Sóállóság B) Hazai kutatások – fejlesztési irányokra ráépülő alkalmazott kutatások

Az NSZ-NT betonok fő típusai Nagyszilárdságú (NSZ) beton Nagy teljesítőképességű (NT) betonok Speciális tulajdonságú NT betonok Ultra nagyszilárdságú beton Öntömörödő beton Szálerősítésű beton Szálerősítésű öntömörödő beton Ultra nagy szilárdságú, szálerősítésű beton

Nagyszilárdságú (NSZ) beton  [N/mm2] C80/95 C50/60 C35/45 C20/25  [‰] Előnyök magas szilárdság kisebb cementfelhasználás kisebb súly nagyobb tartósság kisebb fenntartási költségek

Nagy teljesítőképességű (NT) betonok Általában a tartósság növelése a cél Speciális esetekben különleges tulajdonságokra van szükség ultra nagyszilárdságú beton (magas szilárdság) öntömörödő beton (bedolgozhatóság) szálerősítésű betonok (repedezettség minimalizálás) + ezek kombinációi

Az NSZ-NT betonok helye a hídépítésben NSZ betonok Erőtanilag használható ki olyan szerkezeteknél, ahol a magas nyomószilárdság az ellenállásban domináns szerepet játszik. Pl.: hídpillérek felmenő szerkezetei ívek ferdekábeles hidak pályaszerkezetei és pilonjai előfeszített termékek (hídgerendák) utófeszített felszerkezetek

NT betonok Tartóssági szempontból használható ki elsősorban az élettartam során szükséges kisebb fenntartási ráfordítások reményében. Célszerű alkalmazási területek: téli olvasztó sózásnak közvetlenül kitett, (tartószerkezeti és nem tartószerkezeti) elemek (szegélyek, pótpadkák, terelőfalak, hídpillérek függőleges szerkezetei) szigetelés nélkül készülő híd-felszerkezetek alépítményi függőleges szerkezetek előregyártott, feszített hídgerendák

Életciklus-vizsgálatok (life-cycle cost analyses) Elv Célszerűen megválasztott referencia-intervallum alatt, előírt szolgáltatási színvonalhoz szükséges teljes ráfordítás minimalizálása. Költségek építési költség üzemeltetési és fenntartási költség javítási és rekonstrukciós költség esetleges megerősítés költsége Területei betonburkolatok (már alkalmazzák) híd-felszerkezetek (még nem alkalmazzák)

Életciklus-vizsgálatok betonburkolatok Jellemző költségek műszaki okból felmerülő költségek építési költség üzemeltetési és fenntartási költség (személyi költséggel együtt) felújítási költség (tartószerkezet + forgalomtechnika) hulladékfeldolgozás + újrahasznosítás csökkent értékű burkolat használatából származó kárköltség kieső haszon járművek javítási költsége balesetek kárköltségei infláció, kamatlábak Referencia-intervallum közutak lakott területen kívül ~30-40 év közutak lakott területen belül (városban) ~20-30 év repülőterek ~30 év Útburkolatok használati élettartama az USA-ban

Életciklus-vizsgálatok híd-felszerkezetek Célszerű lenne, mert a burkolatokhoz képest jelentősen hosszabb tervezési élettartam (100 év) nem megfelelő szolgáltatási színvonal esetén a kárkövetkezmény mértéke nagy a működési feltételek alig befolyásolhatók az élettartam során

Fejlesztési irányok a hazai hídépítésben Előfeltételek Kedvező gazdasági környezet Fejlesztési igények szakmai oldalról (beruházó, tervező, kivitelező, fenntartó) Elérhető nagy teljesítőképességű anyagok (NSZ-NT betonok) Fejlesztési irányok Funkcionalitás Gazdaságosság A meglévő szerkezetekhez és szerkezeti megoldásokhoz képest Alkalmazások Útburkolatok Hézagaiban vasalt betonburkolat (M0) Előregyártott beton híd-felszerkezetek FI-150 (M7, M3, M6, ...) Monolit beton híd-felszerkezetek Nagyobb teljesítőképességű betonok alkalmazása tartóssági és szilárdsági okokból (C40) Szigetelés és aszfaltburkolat nélküli híd-felszerkezetek (M7 S65)

A fejlesztési irányokra ráépülő hazai alkalmazott kutatások BME-Ferrobeton-ÁKMI (2003) – Nagyszilárdságú betonok alkalmazása előregyártott hídgerendákban  FI-150 (alkalmazott kutatás) Mahíd 2000 (2005) – Szigetelés nélküli híd-felszerkezet építésére alkalmas betonok (alkalmazott kutatás) BME-Magyar Közút (2007) – NSZ-NT betonok tervezésének szabályzati háttere (alkalmazott kutatás) (4. téma) BME-Magyar Közút (2007-2008) – NSZ-NT betonok gyártása és kivitelezése (alap- és alkalmazott kutatás) (5. téma) BME-Magyar Közút (2007-2008) – NSZ-NT beton hidak fenntartása és üzemeltetése (alkalmazott kutatás)

II) Az erőtani tervezés szabályzati háttere NSZ-NT betonok alkalmazása esetén Résztvevők BME Hidak és Szerkezetek Tanszéke Tanszékvezető: Dr. Farkas György Témafelelős: Kovács Tamás

A kutatás indokai Szabályzati háttér megteremtése (EC előmozdítása) NSZ betonok alkalmazása az UT előírások alapján korlátozott (≤C55/67) Az EC modernebb (szélesebb alkalmazási kör, differenciált követelmények, egyedi megoldások lehetősége) 2010-től EC alapú tervezés (tervezői versenyképesség) Nemzeti melléklet kidolgozása az EC-hez Nemzetileg meghatározott paraméterek NSZ-NT betonokra Gyakorlati alkalmazás elősegítése mintapéldákkal

Tervezési előírások Jelenleg rendelkezésre álló előírások ÚT 2-3.401, ÚT 2-3.412 és ÚT 2-3.414 (>C55/67-re nem terjed ki) MSZ ENV Eurocode sorozat (nem teljes) MSZ EN Eurocode sorozat (még nem teljes) MF 5/2004 Műszaki Szállítási Feltételek (jogilag csak az M0 esetén érvényes) Nagy teljesítőképességű betonszerkezetek tervezése és építése (MAÚT-ÁKMI tanulmány) (jogilag nem előírás és nem teljes) Jövőbeli előírások Perspektívában gondolkodva mind jogi, mind szakmai oldalról egyetlen reális alternatíva az MSZ EN szabványok alkalmazása (2009-2010-től kizárólagos). Az MSZ EN sorozat teljessé tételéhez a vonatkozó EN szabványok honosítására van szükség. A honosítás szakmai feladata: A nemzeti mellékletek kidolgozása (a nemzetileg meghatározott paraméterek felvétele)

Eredmények TERVEZÉSI SEGÉDLET az NSZ-NT betonok alkalmazásával készülő közúti hídszerkezetek erőtani vizsgálataihoz teljes mértékben EC alapú nem szabványfordítás gyakorlati alkalmazást segítő magyarázatok nemzeti paraméterek felvétele  nemzeti melléklet Két fő rész: Terhelő erők és hatások Beton hídszerkezetek tervezése

TERVEZÉSI SEGÉDLET (tartalom) A1. Közúti hidakat terhelő erők és hatások A1.1. Állandó jellegű terhelő erők és hatások A1.2. Esetleges hatások A1.3. Közúti járműforgalomból származó rendkívüli hatások A1.4. Hidakat terhelő esetleges hatások szeizmikus tervezési állapotokban A1.5. A hatáskombinációk összeállításának szabályai A2. Betonszerkezetek tervezése A2.1. Anyagok A2.2. Erőtani számítás A2.3. Az erőtani követelmények teljesülésének igazolása A2.3.1. Teherbírási követelmények A2.3.2. Használhatósági követelmények A2.4. Szerkesztési szabályok

Eredmények MINTAPÉLDA NSZ-NT betonból előregyártott híd-felszerkezet erőtani számítása C60/70 beton, meglévő felszerkezet FI-150/34,80 hídgerendából Párhuzamos számítás a TERVEZÉSI SEGÉDLET és az UT (Uvaterv Zrt.) alapján  összehasonlító értékelés

MINTAPÉLDA (értékelő megállapítások) Az UT és az EC szerinti méretezés vonatkozásában A tartóssági követelmények sokrétűbbek és következetesebb az EC-ben EC szerint többlet-anyagmennyiség beépítés szükséges, ennek fő okai: Hasznos terhek nagyobbak az EC-ben Tartóssággal összefüggő használhatósági feltételek szigorúbbak az EC-ben Feltételekhez között biztonsági szintek alkalmazása Életciklus-vizsgálatok vagy ezzel összefüggő gondolkodásmód (döntési módszerek) szükségesek

III) Az NSZ-NT betonok alkalmazásával kapcsolatos gyártási és kivitelezési kérdések Résztvevők BME Hidak és Szerkezetek Tanszéke (gesztor) Tanszékvezető: Dr. Farkas György Témafelelős: Kovács Tamás Spránitz Ferenc (Dolomit Kft.) Szikkti Kft. (Dr. Wojnárovits Lászlóné) Cemkut Kft. (Dr. Szegőné Kertész Éva)

A kutatás indokai A kutatás célja Jelenlegi gyakorlat normál szilárdságú és normál teljesítőképességű beton meglévő, a szokásos beépítési gyakorlathoz és a műszaki lehetőségekhez igazodó receptúrák és betontechnológiai megoldások NSZ-NT betonok alkalmazása esetén (pl. S65) NSZ és NT betonok (eltérő tulajdonságok) az eltérő tulajdonságok szokásostól eltérő beépítési feltételeket tesznek szükségessé (konzisztencia, rövidebb eltarthatóság, stb.) új receptúrákra és betontechnológiai megoldásokra van szükség a betongyártók esetében ez versenyképességi kérdés, ezért sokszor üzleti titok A kutatás célja NSZ-NT betonok gyártási és kivitelezési kérdései – összetétel tervezési irányelvek kidolgozása

Program I. feladat Betonösszetételek és tervezési alapelvek normál teljesítőképességű hídbetonokhoz, a nagyteljesítményű betonok megjelenése Tervezési alapelvek normál hídbetonokhoz, legfontosabb becslőképletek, érvényességi korlátok Betonösszetételek, elvárható tulajdonságok és gyakorlati tapasztalatok normál hídbetonok esetén A teljesítményelvű szemlélet megjelenése a betontudományban A teljesítményelvű szemlélet megjelenésének okai Teljesítmény vagy szilárdság? Melyik a lényeges, és mik az összefüggések?

A nagyteljesítményű betonok tervezési kérdései II. feladat: A nagyteljesítményű betonok tervezési kérdései; a pépek vizsgálati módszerei és vizsgálatai A nagyteljesítményű betonok tervezési kérdései a "szuperpépek” megjelenése pépek - hagyományos pépek, reaktív kiegészítő anyagokkal javított pépek, folyósított pépek, a folyósítószerek generációi tervezési fázisok: péptervezés, pép&adalékanyag-mátrix tervezés Cementek, szilárd kiegészítő anyagok, adalékszerek vizsgálati módszerei cementek és kiegészítő anyagok (kohósalak, pernye, szilkapor, szilika-szuszpenzió, nanoszilika, metakaolin, kőliszt) vizsgálatai (részecskeméret-eloszlás, anyagsűrűség) adalékszerek (folyósító, stabilizáló) vizsgálatai (szárazanyag-tartalom, derivatogramok, IR spektrogramok, alkáli-tartalom) Pépek vizsgálati módszerei reológiai vizsgálatok tömörségi (porozitás) vizsgálatok kémiai ellenállóképességi vizsgálatok Különböző pép-adalékanyag arányú keverékek tulajdonságainak meghatározása elvárt frissbeton tulajdonságok (követelmények) definiálása (pl. konzisztencia, szállíthatóság, bedolgozhatóság, dmax=8, 16 mm) laborvizsgálatok

NT betonok gyártást és beépítést elősegítő vizsgálatai III. feladat Nagyteljesítményű betonok gyártása és beépítése; a megszilárdult beton tulajdonságainak vizsgálatai NT betonok gyártást és beépítést elősegítő vizsgálatai a pépminőség és pépmennyiség hatása a konzisztenciára és a lassú alakváltozási tulajdonságokra (zsugorodás, kúszás) a lejtésképzés feltételei az adalékanyag típusának hatása az NSZ-NT beton „önkiszáradására”, a határfelületi zóna tulajdonságaira a frissbeton levegőtartalma a keverés hatékonyságának vizsgálata (minimális keverési idő, keverőgépi kiegészítő felszerelések, keverés megfelelőségének ellenőrzési lehetőségei) a korai repedésérzékenység megelőzése (péptípus, száladagolás, felületi párolgás hatása) a ragadósság és a felületkérgesedés megelőzése a szállíthatóság és a bedolgozhatóság (szivattyúzhatóság, konténeres betonozás, stb) feltételei a tömörítés és a felületkezelés lehetőségei az utókezelés hatásainak vizsgálata (a fenti tulajdonságok különböző utókezelés esetén) Megszilárdult NT betonok (C60/75-C80/95) vizsgálata (összehasonlítás normál ~C35/45 betonokkal) adiabatikus hőfejlődés lassú alakváltozások vizsgálata (kúszás és zsugorodás, min. 180 nap) porozitás vizsgálata nyomó- és húzó (hajlító-húzó, hasító) szilárdsági vizsgálatok vízzáróság (nyomás alatt) és kapilláris vízfelszívás kopásállóság légáteresztő-képesség elektromos vezetőképesség sóállóság (kloridion-diffúzió) Beépített NT betonok vizsgálatai áteresztőképességi (légáteresztő-képesség, vízzáróság) mérések

Pépvizsgálatok Pépvizsgálatok „tiszta” (Mo-on alkalmazott) cementekkel bedolgozhatósági (reológiai) vizsgálatok ellenállóképességi vizsgálatok hidratáció sebességével és mértékével kapcsolatos vizsgálatok (derivatográf, röntgendiffrakció, elektronmikroszkóp) porozitási vizsgálatok (poroziméter, vákuumos vízfelvétel, klorid-ellenálló képesség) szilárdsági és keménységi vizsgálatok Pépvizsgálatok kiegészítő anyagokkal (pernye, kohósalak, szilikapor, mészkőliszt, metakaolin) módosított cementekkel

Pépvizsgálatok Közreműködők Spránitz Ferenc (bedolgozhatósági, szilárdsági, keménységi és vízfelvételi jellemzők) Szikkti Labor Kft. (hidratáció mértékével kapcsolatos vizsgálatok: pórusméret-eloszlás, röntgendiffrakció, derivatográf, elektronmikroszkóp) Cemkut Kft. (vízfelvétel, klorid-ellenálló képesség)

Alapanyagok típusai és jellemzői Cementek (A, B, C, D) CEM I 42.5 RS (Holcim-Lábatlan) CEM I 52.5 (DDCM–Beremend) CEM II/B-V 32.5 R (Holcim-Lábatlan) CEM III/B 32.5 N (DDCM-Vác)

Alapanyagok típusai és jellemzői Folyósítószerek Dynamon SR3 (Mapei) Dynamon SX (Mapei) Glenium ACE-30 (BASF) Muraplast FK 802.1 (MC-Bauchemie) Muraplast FK 842.1 (MC-Bauchemie) Viscocrete 1035 (SIKA) Viscocrete 1050 (SIKA)

Keverékek Cement v/c 0,2 0,3 0,4 A A2 A3 A4 B B2 B3 B4 C C2 C3 C4 D D2

a) Bedolgozhatósági (reológiai) vizsgálatok Finomrész-összetevők (egyfajta poranyag) átnedvesedési és bedolgozhatósági jellemzői (beszórási vízigény, kifolyási idő, relatív terülés) Porkeverékek (többfajta, külön adagolt finomrész esetén) átnedvesedési és bedolgozhatósági jellemzői (vizsgálatok, mint fent) Pépek bedolgozhatósági jellemzői (kifolyási idő, relatív terülés, vízkiválási-ülepedési hajlam, vibrálhatóság, légtelenedési hajlam, eltarthatóság).

Bedolgozhatósági jellemzők mérése Tölcsér és stopperóra, kifolyási idő méréséhez (a tölcsér 100 cm3 térfogatú, 6 mm alsó lyukméretű) Beszórási vízigény mérése (100 ml vízbe 2 perc alatt beszórható és éppen átnedvesedő poranyag tömegének mérése)

Bedolgozhatósági jellemzők mérése „A” cement terülése v/c=0,4 víz-cement tényezőnél adalékszer nélkül „A” cement terülése v/c=0,4 víz-cement tényezőnél folyósító adalékszerrel „A” cement terülése v/c=0,4 víz-cement tényezőnél másik folyósító adalékszerrel

Bedolgozhatósági jellemzők mérési eredményei

Bedolgozhatósági jellemzők mérési eredményei

Bedolgozhatósági jellemzők mérési eredményei

b) Próbatestek vizsgálatai Próbatestek ellenállóképességi és tömörségi vizsgálatokhoz

Kizsaluzáskori testsűrűség [kg/m3]

Nyomószilárdság

Vízfelvételi és víztartalmi jellemzők

c) Kémiai ellenállóképességi vizsgálatok Derivatográfiás vizsgálatok (hidratáció mértéke és sebessége) Röntgendiffrakciós vizsgálatok (hidratációs fázisok elemzése) Pórusméret-eloszlás vizsgálata különböző korokban (áteresztőképesség) Elektronmikroszkópos felvételek (hidratáció mértéke, sebessége)

Derivatográfiás vizsgálatok

Röntgendiffrakciós vizsgálatok

Porozitási vizsgálatok

Elektron-mikroszkópos felvételek

d) Klorid-ellenálló képesség "A-D" jelű cementek v/c=0,20-0,40 pépjein 28 napos korban mért töltésáteresztés 1-6 óra alatt

Megállapítások Közvetlen hasznosítás Folytatódó kutatások Végcél A vizsgálati eredmények értékelése alapján az egyes (ismert összetételű) pépkerevékek teljesítőképességi tulajdonságai megítélhetők. A teljesítőképességi tulajdonságok befolyásolására irányuló péptervezési irányelvek kidolgozása Folytatódó kutatások Pépvizsgálatok kiegészítő anyaggal (pernye, kohósalak, szilikapor, mészkőliszt, metakaolin) módosított cementekkel Vizsgálatok megszilárdult betonon (III. feladat) Végcél A teljesítőképességi tulajdonságok elvárt értékeinek definiálása hídszerkezetekre (szerkezeti elemekre)