Varige konstruksjonar Fagdag Felix konferansesenter, Oslo. 31 Mai 2016 Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike miljø

Transkript

1 Varige konstruksjonar Fagdag Felix konferansesenter, Oslo. 31 Mai 2016 Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike miljø Per Hagelia Tunnel og betongseksjonen TMT Vegdirektoratet

2 Varige konstruksjonar Fagdag Felix konferansesenter, Oslo. 31 Mai 2016 Dette foredraget: Gjennomgang av forhold som påverkar sprøytebetong og fører til nedbrytande reaksjonar Grunnlagsmaterialet vi bygger på Resultat frå Varige konstruksjonar i korte trekk - Forprosjekt 2011 og hovudprosjekt ( ) - Samanstilling av data: vekt på alder, tykkelse, korrosjon, nedbryting, eksponeringsmiljø i hht NS-EN 206, Konklusjonar Also early age Long term process Water Debris Fallout of strong concrete slabs. Deteriorations along cracks and adhesion zone (or within rock) Focused or widespread weakening. Deterioration by through solution process leading to thinning by spalling and debris formation

3 Varige konstruksjonar Fagdag Felix konferansesenter, Oslo. 31 Mai 2016 Varige konstruksjonar - hovudmål «Programmets hovedmål er å legge til rette for at riktige materialer og produkter benyttes på riktig måte i Statens vegvesen sine konstruksjoner. Formålet er å oppnå ønsket kvalitet, forutsigbart vedlikehold og definert levetid for ulike konstruksjonsløsninger, i første rekke for bruer og tunneler». Vi har relevante erfaringar med sprøytebetong over år Er det muleg å ekstrapolere framover mot 100 år? Vi må undersøke tilstandsutviklinga i sprøytebetong Det er nødvendig å forstå årsakene til tilstandsutviklinga

4 Varige konstruksjonar Fagdag Felix konferansesenter, Oslo. 31 Mai 2016 Varige konstruksjonar Tilstandsutvikling sprøytebetong Sprøytebetongbergsikringa i tunnelar er påverka av fleire miljølaster enn brubetong!! Tekniske installasjonar (TT6) Tilstandsrapportar: - Ofte bare vekt på om betongen fungerer som han skal «så langt» - Gir svar på om vi må utføre vedlikehald & reparasjonar - Seier oftast lite om kva vi evt. burde ha gjort anleis (betre materialar & - design) Boltar (TT1/TT2) Miljøbelastingar (TT3) Sprøytebetong (TT5) Membranar (TT4) Varige konstruksjonar: Vekt på samanhengen mellom tilstandsutvikling og miljølaster: Samanliknar lokal variasjon i enkelttunnelar og mellom tunnelar med ulik miljøbelastning over lengst muleg tid Fordi: - Vi må vite kva for miljø, reseptar og design som gir redusert kvalitet & auka vedlikehald - Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på - Vi er bare interesserte i den historia tunnelane sjølve kan fortelle «Let our structures be our teachers» (Håvard Østlid, 1993)

5 Varige konstruksjonar Fagdag Felix konferansesenter, Oslo. 31 Mai 2016 Sprøytebetong som bergsikring i tunnelar: Svært mange variablar påverkar levetida! Vegsalt; nedre delar Fordamping i tunnelrommet; vatn kan bli meir aggressivt Bergmasse (stabilitet, mekaniske laster): Q-verdiar som designkriterier. Hydrogeologi: grunnvassnivå, oppsprekking (permeabilitet), bergoverdekning Vasskjemi (ferskvatn, alunskifer vatn, saltvatn) Betongresept Utført arbeid Tunnelrommet: vegsalt, fordamping (meir aggressivt vatn!!)

6 Bergmassekvaliteten varierer alltid: Q-verdi er utgangspunkt for design av sprøytebetongtykkelse Eksempel ved Q = 1 utan leire og vatn: 15 cm (Statens vegvesen) (NGI: 8-10 cm) Ved forekomst av svelleleire eller vatn Q-verdi minkar og krev tjukkare betong! Nedbryting kan føre til tap av bærande tverrsnitt (kan bli undersikra) D F Effekt av aktiv leire: J a = joint alteration number aukar Effekt av lekkasjevatn: J w = joint water number minkar

7 Surface Mn-Fe + Ca Innverknad av vatn/hydrogeologi på sprøytebetong som bergsikring Utluting og bakterievekst i undersjøiske tunnelar aukar med sjødjupet (vasstrykk er viktig) Trykkstyrken (MPa) svekkast i takt med drypplekkasje i % av tunnelarealet (Flekkerøytunnelen pr.1996: betongalder 8 år) Depth beneath sea level (m) 100 % «Riktig bruk av sprøytebetong» ( ) viste at utluting og bakterievekst («alger») starter tidleg i undersjøiske tunnelstrekningar. 40 % 73 % 76 %

8 Skadeleg innverknad av lekkasjevatn: Små lekkasjar av aggressivt vatn på overflata og heftsona er oftast meir skadelege for sprøytebetong enn store lekkasjar Vi injiserer ofte mot større lekkasjar, dvs den arealmessige fordelinga i % av tunnelen er mest interessant med tanke på påverknad frå aggressivt vatn Lekkasjearealet (X %: Hagelia 1992, 1994) er grovt sett styrt av : - antal sprekker/m 2 med fall o : opning < 0,5 mm ( J ): eit omtrentleg uttrykk for hydraulisk konduktivitet i bergmassen - Avstand frå grunnvassnivå eller havnivå ned til tunnelnivå (h) - Sjødjup (hw) - Bergoverdekninga (hr) og eventuelle lausmasser (hs) Potensialet for nedbryting av undersjøisk tunnelbetong aukar når sjødjupet (hw = h hr (+ hs)) aukar i forhold til bergoverdekninga i elles lik bergmasse (J = konstant). J = 5

9 ph, bufferevne, klorid, sulfat og magnesium er viktig XA XA3 Mg (mg/l) XA1 XA2 Seawater mixing Fordamping XS2 to XS Cl - (mg/l) SO4 2- (mg/l) Seawater - freshwater mixing line XA2 XA1 Sulfate reduction XS2 to XS Cl - (mg/l) Ionestyrken kan auke 10x p.g.a. fordamping i tunnelrommet! - Aktuelt for utildekka bergsikring med lekkasjar på overflata - Sprøytebetong-bergsikring bak hvelv er stort sett påverka av kjemien til det lokale grunnvatnet Syrepåverknad: frå alunskifer eller biofilm i undersjøiske tunnelar. Bufferevne= alkalitet i vatnet (bl.a. kalkspat i bergmassen)

10 Materialeigenskapar som motverkar nedbryting av fiberarmert sprøytebetong (motsatt; mindre motstand mot nedbryting!) Låg permeabilitet: - Vatn/bindemiddel: 0,40-0,45 (M40 til M45) - Relativt høg silikadosering ( 5 % av bindemiddelvekt) pozzolan effekt tett - NB! Dynamiske laster kan føre til at reell permeabilitet i betong blir høgare enn låge v/b skulle tilseie! (Hoseini et al. 2009) (eks. ved tundersikring og deformasjon i ung betong) Relativt tjukk sprøytebetong (Davik 1997, Hagelia 2011): - Etter 1997: auka frå 5 til 6 cm - SVV (2007 til 2015): minst = 8 cm - Erfaring viser nå at tykkelse bør vere minst 10 cm i aggressivt miljø - NB! Darcy s lov: tynnare sjikt gir større grad av gjennomstrøyming God heft mot berg: God kontakt mot berg gir lite rom for lekkasjar. Avhengig av utførelse, samt vatn og bergart på staden Intakt sementlim (ph > 12.5): Ingen stålfiberkorrosjon

11 Grunnlagsmateriale vårt; ein del tunnelar undersøkt fleire gongar Diverse prosjekt og tilstandsrapportar (tidsrommet ) Riktig bruk av sprøytebetong ( ) (63 tunnelar) Concrete deterioration sulfate attack/samarbeid med Building Research Establishment ( ) Nedbrytingsmekanismar i sprøytebetong ( ) PhD (2011) (9 tunnelar) Moderne vegtunneler ( ) (3 tunnelar) Varige konstruksjoner ( ) - forprosjekt Norconsult (3 tunnelar) - hovudprosjekt - Mannvit (6 «representative» tunnelar) - 2 masteroppgåver (2+1 tunnelar) - Oslofjord testfelt utvikling frå (eigen rapport) - nokre tilstandsrapportar i samband med rehabiliteringsprosjekta Undersøking av effektar over tid Vekt på «moderne sprøytebetong» - våtsprøyta v/b = 0,40-0,50 (ca 1987 til 2015) Fire ulike miljøklassar (ferskvatn, svakt svovelsurt, alunskifer, undersjøiske)

12 Riktig bruk av sprøytebetong Hovudresultat (mange tunnelar var nokså nye i ): Generelt ingenting alarmerande Karbonatisering, og Ca utluting lokalt Stålfiberkorrosjon ikkje noko problem, lokalisert til karbonatisert ytterhud Undersjøiske, udefinert laus betong i enkelte tunnelar, blei tolka som prelletap *) Behov for oppfølging av enkeltpunkt Langtidseffektar i u sjø tunnel: særleg behov for seinare oppfølging Alkalireaksjonar: usikkert, behov for seinare oppfølging Ingen typiske frostskader, delaminering beton/berg forekommer Sprakefjell, behov for å kunne ta store laster (høg E modul) PE-Brannsikring, dokumenterte skadetyper behov for utvikling (nå utført) Heftsona (betong/berg): ganske ofte svak. Nedbryting (visuelt) er knytta til vasslekkasjar: synleg problem knytta til tynne sprøytebetongsjikt (< 5 cm). Undersøkte svært mange tunnelar, i ulike miljø ALUNSKIFERMILJØ IKKJE UNDERSØKT

13 Sentrale resultat frå Varige konstruksjoner bestandighet av sprøytebetong som bergsikring Bygger på eit utval av best dokumenterte betonglokalitetar (betonganalysar, strukturanalyse inkl. tynnslipmikroskopering, eksponeringsmiljø/vasskjemi m.m.) Kjerner bora gjennom sprøytebetongsjikt, via heftsona og inn i berg Oppsummering av viktige nedbrytingsreaksjonar Undersøking mht grad av nedbryting basert på kjemisk analyse av vatn - ferskvassmiljø (XC2, X0) - svartskifermiljø svakt svovelsurt (XC2, XA1) - alunskifermiljø (XC2, XSA) - undersjøisk miljø (XC2, XS2, XA3) Innverknad av dårleg heft/permeabilitet på heftsona mht til nedbryting av sementlim og stålfiber Innverknad av vasstrykk spesielt i undersjøiske strekningar

14 Kjerner bora gjennom sprøytebetongsjikt, via heftsona og inn i berg A B C Kjerner for bl.a. strukturanalyse og tradisjonelle betonganalysar. Prøver av laust materiale undersøkt ved XRD, SEM etc.

15 Nedbrytingsmekanismar i norsk sprøytebetong: - M40 til M45 (M50) - Varierande miljø Merk at omdanning av sementlimet (CSH) og fiberkorrosjon kan forekomme i fleire miljø S = Stålfiber P = Polypropylenfiber Type nedbryting Karbonatisering i luft Intern karbonatisering: Popcornkalsitt (PCD) Utluting Kloridinntrenging Thaumasitt sulfat- angrep (TSA) Syreangrep (H 2 SO 4 ) Magnesium Biofilm m/ Fe & Mn bakteriar Mekaniske laster (dynamiske etc.) Frost Effekt på sementlim Nedbryting av CSH ofte bare i overflata Svekking Permeabilitet minkar Nedbryting av CSH Mister styrke Aukar permeabilitet Knytta til utluting Ca lutast ut frå portlanditt og CSH. Mister styrke Aukar permeabilitet Som oftast liten Nedbryting av CSH Mister styrke Aukar permeabilitet Knytta til utluting Rask nedbryting Rask styrkereduksjon Raskt aukande perm. Mg erstattar CSH og fellast som brucitt Mister styrke Aukar permeabilitet Nedbryting av CSH og utfelling av Mn-Fe biomineral Dannar mikroriss Permeabilitet aukar Makro- & mikroriss Effekt på fiber Miljø - eksponering S: Kraftig Atmosfærisk CO 2 korrosjon, rustsprenging P: Ingen effekt S: Kraftig korrosjon, rustsprenging P: Ingen effekt S: Korrosjon som følgjeskade P: Ingen effekt S: Kraftig korrosjon P: Ingen effekt S: Korrosjon som følgjeskade P: Ingen effekt S: Kraftig korrosjon P: Neppe effekt S: Kan gje korrosjon P: Ingen effekt S: Kraftig korrosjon P: Ikkje klarlagt S: Korrosjon som følgjeskade P: ikkje klarlagt S: Korrosjon som følgjeskade P: Ingen effekt Oppløyst HCO 3 - i gjennomstrøymande lekkasjevatn Oppløyst karbonsyre, i gjennomstrøymande lekkasjevatn 1) Undersjøisk miljø (brakkvatnsaltvatn) 2) Tinesalt 1) Alunskifermiljø 2) Undersjøisk miljø 1) Alunskifermiljø 2) Sulfid og sulfatførande gneis Undersjøisk miljø, særleg ved høge vasstrykk 1) Undersjøisk miljø 2) Andre miljø ikkje klarlagt 1) Ustabil bergmasse i unge tunnelar 2) Undersikring Fryse-tine syklar Frostmengde

16 Konklusjonar om nedbryting av sprøytebetong som bergsikring ( ): Ionefattig vatn /landstrekningar er relativt lite problematiske Alunskifermiljø Begrensa sulfatangrep i sulfatresistent betong og full fiberkorrosjon problemet er ikkje fullstendig løyst (thaumasitt sulfatangrep nært knytta til Ca-utluting og indre karbonatisering, samt effektar av svovelsyre) Undersjøiske tunnelstrekningar: Ein del tunnelar har ytre nedbryting av sprøytebetong med tverrsnittsredukasjon (0,5-10 mm/år). Dette er eit kombinert angrep: Mn og Fe bakteriar danner syre, samverkar med klorid, magnesium, thaumasitt) U-sjø: gipsutfelling på overflater etter år (må fjerne før rehabilitering/oppgradering) Alkalireaksjonar er ikkje viktig har ikkje sett skadeleg utvikling hittil Grunnvannstrykk: gir større inntrenging av aggressivt vatn enn Trekk i tunnelar kan føre til sterk oppkonsentrasjon av ionar/auka aggressivitet Effektane av ustabil bergmasse er vanskeleg tilgjengeleg (dynamiske laster gir mikro-opprissing ved underdimensjonering). Må kjenne Q-verdiar + deformasjonsmålingar for å komme nærmare.

17 Resultat Varige konstruksjonar forprosjekt (3 landtunnelar) Vekt på tinesalt og karbonatisering i veggelement Sør-Trøndelag Helltunnelen: Minst korrosjonsfare langt unna portalane Oslo Ekebergtunnelen & Smestadtunnelen: Høgast fare nede på veggen Smestadtunnelen hadde kraftig armeringskorrosjon nyleg rehabilitert Hell Smestad tinesalt hovudansvarleg Overdekning Karbonatisering: 6-13 mm Karbonatisering: 6-11 mm

18 Undersøkingar i ferskvassmiljø (C2, X0) Overflatekarbonatisering & intakt stålfiber Nesttun- og Hopstunnelen, w/b = 0,42, Stålfiber (alder: 13 år) (A Fjose 2015) Baneheiatunnelen, w/b = 0,45, Stålfiber (alder: 14år)/Gruatunnelen, w/b = 0,45, PP-fiber (alder 23 år) Undersjøiske landstrekningar, w/b 0,40-0,47, stålfiber (alder 5 til 18 år) / XC2, X0 - Ferskvassmiljø: M40-M45 1,6 1,4 1,2 Eksponert for tunnelluft 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Bak hvelv

19 Undersøkingar i svakt svovelsurt svartskifermiljø (XC2, XA1). ph = 5,1-6,1; sulfat = mg/l Harpefoss kraftverk servicetunnel, PC, FA, utan fiber (alder 13 og 16 år). Stort sett bare overflatekarbonatisering. Eitt tilfelle med thaumasitt i svært tynn betong. Lokal overflateutfelling av natrium sulfat observert utan synleg skade. 16 Thaumasitt Dårleg heft Permeabel heftsone God heft

20 Alunskifer og svartskifer Oksidasjon av sulfid gir mest aggressivt vatn Endringar i grunnvassnivået verkar inn på kjemien til vatn: Under grunnvassnivået er det anoksiske forhold, ikkje særleg sulfidoksidasjon Tilgang på oksygen over grunnvatnet fører til oksidasjon av svovelkis og magnetkis: Dannar svovelsyre, samt aukar sulfatkonsentrasjonen. Oksygen er også tilgjengeleg frå tunnelrommet og kan føre til lokal syredannelse bak betongen. Unngå senking av grunnvatnet! Tykkare betongsjikt ser ut til å motverke syredannelse nær tunnelrommet ph < 2-4 (litt høgare m/kalkspat i skiferen) ph 5-6 (ofte 7-8 m/kalkspat som buffer i skiferen)

21 Undersøkingar i alunskifermiljø (XC2, XSA) variabel omvandling m/lokalt destruktiv fiberkorrosjon (sulfatangrep og karbonatisering) Åkebergveien vegskjering, w/b = 0,45-0,50, SRPC, SF dels udipergert, stålfiber, vannglass (alder: 13 & 27 år) Ekebergtunnelen, w/b = 0,45, SRPC, SF, = 8 %, stålfiber, vannglass (alder: 8 & 22 år) Svartdalstunnelen, w/b = 0,40, SRPC, SF = 5 %, stålfiber, Al-sulfat* (alder: 2, 8 & 16 år) Dårleg heft, Permeabel heftsone Omvandling mot berg med thaumasitt m.m. God heft - svært lite omvandling mot berg w/b = 0,40

22 Undersøkingar i alunskifermiljø (XC2, XSA) Bergsikring for varige konstruksjonar! Dårleg heft, permeabel Ekebergtunnelen Pel 1820, 22 år Effekt av svelling (Pøyry 2015) Svartdalstunnelen Pel 385,16 år Q-verdi 0,38-0,95; 15 cm i SVV God heft Sikring etter NGI Sikring etter SVV Begge ved Q = Eksempelet illustrerer noko av bakgrunnen for Statens vegvesen sin meir konservative sikringsfilosofi = minst 10 cm i aggressivt miljø. Godt nok?

23 Undersøkingar i alunskifermiljø (XC2, XSA) Åkebergveien vegskjering, w/b = 0,45-0,50 (alder: 13 & 27 år) Ekebergtunnelen, w/b = 0,45 (alder: 8 & 22 år): Trykkstyrke ca. 36 MPa Svartdalstunnelen, w/b = 0,40 (alder: 2, 8 & 16 år): Trykkstyrke MPa Dårleg heft, permeabel God heft Sprøytebetong M40 med tykkelse > cm og god heft viser god bestandighet hittil Q-verdiar i alunskifer er sjeldal > 5, oftast < 1: Dette gir alltid minst 10 cm tykk betong etter N500 Men.

24 Åkebergveien 2014: prega av sterk avskaling og oppsprekking (27 år) v/b = 0,5) Forvitra alunskifer med jarositt: ph = 2-3 Svovelsyre angriper heftsona avskaling og aukande omvandling Intern avskaling og omvandling Auka sterkt sidan 2000 År 2000

25 Svartdalstunnelen Svovelsyre danna ved oksidasjon i alunskifer angriper heftsona bak tynn betong etter år (v/b = 0,4). Kva vil skje etter > 50 år med tykkare betong (> cm?? ) Jarositt vitnar om at svovelsyre virkar! Monitorområde frå år Fram til 2006 var dette ok betong (8 år) I 2014: syrepåverknad på heftsona fører til avskaling (senking av grunnvatnet og luft i tunnelrommet gir sulfidoksidasjon)

26 Undersøkingar i undersjøisk miljø (XC2, XS2, XA3) ± biofilm Flekkerøytunnelen, w/b = 0,45-0,47, PC-rapid, SF = 14%, Bindemiddel 550 kg/m3, stålfiber, vannglass (alder: 8, 13,15 & 26 år) Freifjordtunnelen w/b = 0,38-0,47, PC-rapid, SF, = 6-8%, Bindemiddel kg/m3 stålfiber, vannglass (alder: 5, 13, 15 & 18 år) Oslofjordtunnelen, w/b = 0,40-0,41, PC-rapid, SF = 5 %, Bindemiddel 540 kg/m3 stålfiber, Al-sulfat (alder: 5, 6, 7 & 10 år) Byfjordtunnelen, w/b = 0,41-0,46 PC-rapid, SF = 1 %, Bindemiddel 485 kg/m3, stålfiber, vannglass (alder: 14 år) Frøyatunnelen, w/b = ca 0,45-0,55, PC-rapid (?), SF = x % ofte udispergert, Bindemiddel antatt ca kg/m3, stålfiber, Al-sulfat (alder: 14 år) Sløverfjordtunnelen, w/b = ca. <0,45-0,60 PC-rapid (?), SF og muleg slagg, Bindemiddel antatt kg/m3, stålfiber, vannglass (alder: 18 år) Forsuring i biofilm, Mg, sulfat, Ca-utluting, Cl vasstrykk

27 Undersøkingar i undersjøisk miljø (XC2, XS2, XA3) 14 XC2, S2, XA3 - Undersjøisk miljø: M40-M55 12 Omvandla tykkelse (cm) Små symbol =god heft Store symbol =høg permeabilitet på heftsona Biofilm (gul): Utan biofilm (grå) Total tykkelse (cm) Stålfiberkorrosjon er ikkje svært utbreidd, spesielt der det er god heft

28 Undersøkingar i undersjøisk miljø (XC2, XS2, XA3) Komplekse variablar styrer Høg permeabilitet på heftsona samt biofilm gir størst omvandling

29 Oslofjordtunnelen 16 år høge kloridverdiar utan vesentleg stålfiberkorrosjon (sugporøsitet ca (29) %): Quo vadis? Totalt 40 cm ok heft Totalt 130 cm dårleg heft

30 Framtidsutsikter? Undersjøisk betong er utsett for vasstrykk (variabelt!) Dette følger av Darcy s lov 1) Lekkasjen i undersjøisk miljø minkar i ulik grad etterkvart: - avhengig av hydrogeolologi, mineralutfelling m.m. (ikkje undersøkt systematisk) 2) Utfellingar på permeable heftsoner (brucitt, kalsitt) er vanleg i undersjøiske tunnelar Betong i alunskifermiljøet: Syrepotensialet i skiferen kan kanskje føre til angrep på heftsona, også der betongen er > cm tykk? Vanskeleg å ekstrapolere vidare utvikling i aggressive miljø (50 år truleg realistisk, sett i lys av at svært mykje betong fortsatt er OK). Betong i ferkvassmiljø: Sannsynleg at vi (ofte) oppnår100 års levetid

31 Konklusjonar så langt Fleire utfordrande angrep (alunskifer, undersjøisk, m,m,) Moderne sprøytebetong har ikkje dårleg bestandigheit, men det er lite truleg at han varer i år i dei mest aggressive miljøa utan nye tiltak Auka tykkelse er ein riktig veg å gå for å oppnå auka levetid i dei mest aggressive tunnelmiljøa, kombinert med systematisk forinjeksjon Det er stort behov for å karakterisere miljølastene på tunnelnivå før ein bestemmer seg for resept og design. Har hittil hatt for lite fokus Også bergmasse og hydrogeologiske/geokjemiske forhold er viktige: Større vekt på systematisk forinjeksjon for auka levetid på bergsikringa. Stålfiberkorrosjon er hittil atskillig mindre omfattande enn venta. Det er stort behov for å oppnå betre heft mot berget! Dersom det vi ser er best muleg praksis er det behov for eit eige forkningsprosjekt.

32 Takk!