Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Erfaringar med bruk av sprøytebetong

Transkript

1 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Erfaringar med bruk av sprøytebetong Per Hagelia Tunnel og betongseksjonen TMT Vegdirektoratet

2 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 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».

3 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Dette foredraget: TT3 Miljølaster/TT5 Sprøytebetong & Problemstillingar Oppsummering av tidlegare prosjekt/erfaringar med sprøytebetong Planar og behov

4 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Varige konstruksjonar Tilstandsutvikling tunnelar: «TT5 Sprøytebetong» og «TT3 Miljøbelastningar i vegtunnelar» henger nøye saman: Tekniske installasjonar (TT6) Boltar (TT1/TT2) Miljøbelastningar (TT3) Membranar (TT4) Sprøytebetong (TT5)

5 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 TT5 Sprøytebetong Forutsetningar: At regionene er villige til å bidra. Samarbeid med TT3 Aktivitetar i 2013: - Skrive en rapport som oppsummerer tidligere arbeid på bestandighet for sprøytebetong (under arbeid) - Be regionene om hjelp til å en overflatisk status på de ca. 50 tunnelene som ble undersøkt i prosjektet «Riktig bruk av sprøytebetong » - Utføre prøving av e-modul og kapillær absorpsjon på tidligere produserte prøver (ifm e- abs over tid) og sammenligne støpte og sprøytede prøver (under arbeid). Vurdere å prøve frostmotstand og analyse av planslip - Utføre prøving av kapillær absorpsjon samt lage tynnslip på prøver fra Oslofjordtunnelen (bestilt) Planar for : Velge ut 5-10 av dei 50 tunnelane i pkt 2, og gjøre grundigare undersøkingar av sprøytebetongen. Utlysing går ut snart. Vekt på sprøytebetong som bergsikring, men også brannsikring Planar for 2015: - Supplerande undersøkingar (jan-mars ca.) - Testfelt Oslofjorden: 5 års resultat sprøytebetongtilstand/lab (våren 2015) - Rapportar

6 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 TT3 Miljøbelastningar i vegtunnelar Forutsetningar: Samarbeid med tunnelforvaltarar for tilgang til tunneler og tekniske installasjonar, samt tett samarbeid med impliserte personer i TT1, TT5 og TT6 og nokre aktivitetar i etatsprogrammet NORWAT Hovudmål: - Karakterisering av alle viktige miljølaster i vegtunnelar (grunnvatn, partiklar, luftkvalitet, tunnelvask) - Effektar på betong og materialar brukt i tekniske installasjonar. Aktiviteten høyrer nøye samen med TT2, TT5 og TT : - Tre tunnelar undersøkt i 2011 (i forprosjektet til VK) undersøkast mht miljøbelastningar, saman med andre utvalde tunnelar - Innsamling av støvprøver (o.l.) frå kabelbruer, vifter etc. - Testfeltet for sprøytebetong i Oslofjordtunnelen (etablert 2010) og boltar (etablert 2012) blir følgd opp med supplerande vasskjemi, anna prøvetaking (utfellingar, biofilm m.m.) - Effektar av biofilm på betong. Det er utført ei førebels DNA undersøking av biofilm i Oslofjordtunnelen (av Dr T Haverkamp, CEES ved UiO).(muleg PhD oppgåve) 2015: - Supplerande undersøkingar (jan-mars) - Testfelt Oslofjorden: 5 års resultat (overlapp m TT5) - Rapportar

7 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 International Tunnelling and Underground Space Association (ITA): Bestandighetsundersøkingar av sprøytebetong krev følgjande dokumentasjon: Fullstendig informasjon om miljøpåkjenningar (vasskjemi, bergmasseforhold, trafikk, etc.) Alle nødvendig materialdata for å bestemme exposure resistance capacity (avh. av betongresept, sprøytebetongtykkelse, styrke, etc.) Eksponeringstid: Om nødvendig, skilje mellom ulike lokale nedbrytingsprosessar (tida som spr. bet. er påverka av ei definert miljølast: f.eks. sulfatangrep, kloridinntrenging, fryse/tine syklar) Balanse mellom kvalitetskrav og design (samanlikning av forventa levetid og spesifikasjon/utførelse) Venta levetider (eksempelvis): - Bergsikring; år - Midlertidige konstruksjonar 5 år

8 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Varige konstruksjonar Sprøytebetong og «miljø»: Vegsalt; nedre delar Fordamping i tunnelrommet; vatn kan bli meir aggressivt

9 Statens vegvesen Samtidig effekt av nedbryting og leire kan føre til for tynn sprøytebetong med tida Endeleg tykkelse (F) vs. design kriterium(d) Sikring: (SVV = Hb 21) D F Effekt av uoppdaga aktiv leire Tap av bærande tverrsnitt ved nedbryting

10 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Erfaringar: - tidlegare rapportar og prosjekt Diverse prosjekt og rapportar (ca ) Riktig bruk av sprøytebetong ( ) (Miljø og samfunnstjenlige tunneler, ) (Vegkapital, ) Nedbrytingsmekanismar i sprøytebetong ( ) PhD (2011) Moderne vegtunneler ( ) Varige konstruksjoner forprosjekt (2011)

11 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Sprøytebetong erfaringar - Diverse prosjekt og rapportar (til tidleg på 90-talet) Korte trekk: undersjøiske tunnelar - Vardøtunnelen (1982). Påvist utfelling av salter, inkl Mg, Cl, S og tydeleg nedbryting (C25) - Ellingsøy, Valderøy, Kvalsund, Godøy ( ), omdanning i heftsona (C35-C45). - Svært varierande luftinnhald (4 13 %) - Udispergert mikrosilika i fleire prøver - Fiber (stål) nokså jamt fordelt (gjelder desse tunnelane) Landtunnelar: - Det finst fleire rapportar, mykje blei oppsummert i «Riktig bruk av sprøytebetong»

12 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Riktig bruk av sprøytebetong ( ) A- Innkjøring og midtsoner B- Undersjøiske tunnelar C- Frostsoner D- Sprakefjell E- Brannsikring av PE-skum Sluttrapport

13 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 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. Tilrådingar (oppfølging, forslag til NB 7, seinare prosjekt) Nedbryting (visuelt) er knytta til vasslekkasjar: synleg problem knytta til tynne sprøytebetongsjikt (< 5 cm). Undersøkte svær mange tunnelar, i dei fleste miljø VEKT PÅ FYSISKE BETONGPARAMETRAR. ALUNSKIFERMILJØ IKKJE UNDERSØKT *) IKKJE SPESIELL VEKT PÅ Å DIAGNISTISERE ÅRSAKER

14 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Riktig bruk av sprøytebetong Eksempel. Innkjøring & midtsoner Konklusjonar basert på 8 tunnelar (Fidjestøl 1994): - Tunnelar på Vestlandet viste få teikn til karbonatisering. Nemner spesielt tunnelar i Bergen, og meiner at dette er knytta til høgare luftfuktigheit - Tunnelar utan ventilasjon synte tendensar til at karbonatiseringsdjup var størst nede nær vegbana, og midt i tunnelen - Tunnelar med ventilasjon viste derimot djupare karbonatisering i hengen enn nede nær vegbana, tolka som at viftene drar avgassar opp i tverrsnittet, samt at ventilasjon sørgjer for ein større grad av uttørking av betongen i hengen enn nede ved vegbana. - Overflatebehandling viste seg å bremse karbonatiseringa. - Karbonatiseringsdjup maksimum 10 mm, kan ikkje reknast som problematisk. - Vegsalt: Dei høgste kloridverdiane blei observert i eit belte frå omkring 0,2-1 m over vegbana. - Kloridnivået varierte med høgde over havet, med høgste verdiar nærmast havet - Overflatebehandling (maling) verka ikkje bremsande på kloridinntrenging

15 Statens vegvesen Teknologidagene 2013 Riktig bruk av sprøytebetong ( ): Minimumstykkelsen blei auka frå 5 til 6 cm Betre kontroll med lekkasjar (dreneringstiltak) NB 7 blei oppdatert Ein del resultat gikk inn i ITA sin erfaringsbase NB! Tunnelar bygd med moderne sprøyteteknologi/reseptar var unge (< 10- (15) år) Erfaringar basert på eldre tunnelar er ikkje like viktig Restlevetid vanskeleg å bestemme, svært avhengig av lokale forhold

16 Statens vegvesen Teknologidagene 2013 Undersøkingar frå : Pilotundersøkingar av sprøytebetong på Alunskifer: : Samarbeid med Building Research Establishment (BRE), Garston, Storbritannia innan sulfatangrep : Prosjektet «Nedbrytingsmekanismar i sprøytebetong» vekt på kjemisk nedbryting, forvitring, aggressivt vatn, geologiske forhold : Prosjektet «Moderne vegtunneler». - Tilstand i 3 tunnelar - Etablering av «Oslofjord testfelt» (2010) 2011: PhD ved TU-Delft: «Deterioration Mechanisms and Durability of Sprayed Concrete for Rock Support in Tunnels» (PH)

17 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Konklusjonar om 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 ) 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 mikroopprissing). Må kjenne Q-verdiar + deformasjonsmålingar for å komme nærmare)

18 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Doktoravhandling 2011 Utført i samsvar med ITAs tilrådingar på basis av bl.a. Riktig bruk. Over 200 tynnslip, frå 9 tunnelar SEM, XRD, kjemi/vatn, stabilisotopar, etc. Fokuserte på tunnelar i : - Alunskifermiljø - Lite vekt på landtunnelar generelt - Undersjøiske tunnelar Fagleg vektlegging: - Reaksjonsmekanismar - Miljø (vatn, aggressiver, mikro-organismar) - Konsekvensar for regelverk/standard etc - Vegar vidare

19 Norwegian Statens vegvesen Public Roads Administration Alunskifermiljø (XSA) Avskaling langs lag sterkt nedbrutt av thaumasitt sulfat angrep (TSA ) og intern karbonatisering i form av Shoul d Popkorn-calsitt (PCD): Stålfibrane var fullstendig øydelagt 1-2 cm sone: full nedbryting Åkebergveien, Oslo 2000: Thaumasite hadde erstatta C-S-H in stålfiberarmert sprøytebetong basert på sulfatresistent sement med silikastøv 13 år gammal Thaumasitt «eter» sementpasta

20 Norwegian Statens vegvesen Public Roads Administration Ferskvatn +Alunskifermiljø Locality (n) ph Cl mg/l NH 4 + μg/l NO 3 μg/l SO 4 2- mg/l HCO 3 - mg/l Na + mg/l K + mg/l Mg 2+ mg/l Ca 2+ mg/l Exposure classes: NS-EN Lier (1) < 5 < X0(XA1?)/XC1 Harpefos s (4) n.a. < n.a X0/XC1 Freifjord, f (2) n.a. n.a n.a X0/XC2 Byfjord, f (1) Oslofjord, f (3) Åkeberg (1) Ekeberg (2) Svartdal (1) < X0/XC < X0/XC n.a XSA (XA2)/XC n.a XSA (XA2)/XC XSA (XA1)/XC2

21 Norwegian Statens vegvesen Public Roads Administration Saline grunnvatn i undersjøiske tunnelar Locality ph Cl mg/l NH 4 + μg/l NO 3 μg/l SO 4 2- mg/l HCO 3 - mg/l Na + mg/l K + mg/l Mg 2+ mg/l Ca 2+ mg/l Exposure classes: NS-EN Freifjord < XA1- XA3/XC2 & XS2 Flekkerøy < XA2- XA3/XC2 & XS2 Byfjorden XA2- XA3/XC2 & XS2 Oslofjord XA3/XC2 & XS2 Seawater Oslofjord < (XA3)

22 Statens vegvesen Bakterielt angrep: Oslofjord tunnelen (ca <0.1 to 10 mm/år): lokalt sterk nedbryting Forsuring til ph = (bakg runns ph = i g runnvatnet) Fe-biomats on Mn-crusts growing from saline waters. Overall process had destroyed concrete and steel fibres σcomp = MPa Situation at age = 5 years

23 Statens vegvesen Nedstrøms Ca- anriking i vatn p.g.a. nedbryting av sementpasta Liknar sjøvatn -Sulfat -Klorid -Magnesium -Bicarbonat Strøm A ph varierte mellom med tida Stagnant 1 Strøm B 3 Ca = 1110 mg/l ph = 6.89 Running Ca = 1320 mg/l ph = 6.6 Ca = 1360 mg/l ph =6.64 Mobilt vatn er meir aggressivt enn statisk vatn

24 Norwegian Statens vegvesen Public Roads Administration Mn og Fe bakteriar (biofilm) bryter ned frå utsida (hhv mørk & rustfarga) Intakt betong (ph > 12-13) Bare overflatekorroderte stålfibrar Mn-oksyd blir danna av Mn-bakteriane (dominerande ph ca 6-6.2) Stålfiberkorrosjon pga Gallionella ferruginea (ph ca 5.5-6) + klorid m.m. Nedbryting under biofilm

25 Statens vegvesen Norwegian Public Roads Administration Ferskt slim av mangan- og jernbakteriar O/Fe = 3.00 O/Fe = 2.88 O/Fe = 2.48 Leptothrix discophora (?) Mn-bakt dannar biomineral O/Mn = 2.48 Mn-skorpe O/Mn = 2.57 O/Mn = 2.14 O/Fe = 2.89 Gallionella ferruginea og Fe(OH)2

26 Statens vegvesen Syredannande reaksjonar 1) Oksidasjon av Fe 2+ and Mn 2+ til Fe 3+ and Mn 4+ (gir syre: H+) (også reduksjon av Fe 3+ og Mn 4+ av organisk materiale djupare inni biofilm) 2) Mellombels reduksjon av sulfat: 2CH 2 O + SO 4 2- H 2 S* + 2HCO 3 - (* lokalt også Fe-sulfid) Sulfid blir vidare oksidert til svovelsyre 3) 2Fe 2+ + MnO 2 + H 2 O 2FeOOH + Mn H + (stålfibrar bidrar med Fe 2+ og mørke skorper bidrar med Mn 4+ ) 4) Organiske syrer Carboxylsyre frå nedbryting av bakteriar 5) Karbonsyre (ph= 5-6: 90 % til 50% av tot. oppløyst karbonat er H 2 CO 3 *) Basert på petrografi, SEM, vasskjemiks analyse, S and C stabil isotopar etc.)

27 Statens vegvesen Nedbryting under biofilmar, delvis frå bergsida (abiotisk) Mg trenger inn frå sjøvatnet: svekker sementlimet (M-C-S-H) Intakt sementlim Thaumasitt sulfatangrep (TSA) Fullstendig nedbryting av sementpasta pga av thaumasitt (E) Brucitt (Mg(OH) 2 ) & stålfiberkorrosjon (F) + Mykje indre karbonatisering! Senker ph i porevatnet (= ikkje særleg bra over tid)

28 Norwegian Statens vegvesen Public Roads Administration Gipsutfellingar dukka opp på overflater etter ei tid: Må fjernast før ny påsprøyting for å unngå sulfatangrep/ avskaling (utført i Freifjordtunnelen)

29 Norwegian Statens vegvesen Public Roads Administration Alkalireaksjonar (ASR) er uvanlege i sprøytebetong Silikastøv (SF) er vanlegvis ekstremt godt dispergert og vil då motverke ASR Tilfeldig observasjon av ASR gel på sjeldne SF-globular (udispergert) Elles, nokre få eksempel på ASR, men ikkje i skadeleg omfang SF SF ASR gel 50 μm NB! Mesteparten av tilslaga var i tillegg ikkje-reaktive!

30 Norwegian Statens vegvesen Public Roads Administration Trekk i tunnel fører til at vatnet blir meir aggressivt XA Mg (mg/l) XA2 Fordamping XS2 to XS3 Seawater mixing 1000 XA Cl - (mg/l)

31 Norwegian Statens vegvesen Public Roads Administration Hydrogen og oksygenisotopar viser kor mykje Opphavleg salinititet Sjøvatn Fordamping δ 2 H Frå fjell På platetak rett ved Miksinglinje av sjøvatn og ferskvatn Cl mg/l Saliniten kan auke 10x p.g.a. fordamping i tunnelrommet!

32 Statens vegvesen Innverknad av vatn/hydrogeologi på sprøytebetong som bergsikring Surface Mn-Fe + Ca Ytre påverknad av undersjøisk angrep aukar med sjødjupet (hydraulisk gradient) Flekkerøytunnelen pr.1996 (betongalder 8 år) Depth beneath sea level (m) Trykkstyrken blir noko svekka i takt med drypplekkasje (i % av tunnelarealet) 40 % 73 % 76 % 100 %

33 Varige konstruksjonar Teknologidagane 23. oktober 2013 Sprøytebetong Kva kan vi seie om levetid i 2013? - Alunskifer: sulfatangrep reduserer levetida, særleg det er kombinert med svovelsyre (< truleg 25år) - Undersjøisk miljø: Mest problematisk der bakterialt angrep og angrep frå salt grunnvatn foregår samtidig (< truleg 25 år) - Ferskvatn: ikkje særlege problem, men bør auke kunnskapen. Kvar tunnel har si eiga problemstilling Varige konstruksjonar bør etablere monitor-lokalitetar for lang tids overvakingi typiske tunnelar. Vi har alt eit testfelt i Oslofjordtunnelen

34 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Oslofjord testfelt: laser scanning av tre testfelt for sprøytebetong som bergsikring (2010). Skal bore ut i 2015 og 2020

35 Statens vegvesen Reseptar i Oslofjord testfelt: Sprøytebetong og utplasserte prøver Mixes M45S/Field 1 M45P/Field 2 M40S/Field 3 Cement (kg) Norcem Std FA 1014 Norcem Std FA 1014 Norcem Std FA 964 w/b Silica fume (kg) Sand (0-8 mm) Air entrain. (kg) SP (kg) PP-fibre (kg) 6 6 Steel fibre (kg) 40-40

36 Statens vegvesen Oslofjord testfelt Mn-Fe bakteriane invaderte dei nye betongoverflatene etter få dagar!

37 Statens vegvesen Prøver eksponert for korrosiv-vassmetta luft

38 Statens vegvesen Grøft A Eksponerte for rennande rustfarga vatn med bakteriar

39 Statens vegvesen Grøft A Eksponerte for rennande rustfarga vatn med bakteriar

40 Statens vegvesen Grøft B Eksponerte for Mn og Fe rikt stagnerande vatn

41 Statens vegvesen Vasskjemien endrar seg med tida! Sample date 2010-March 2011-April Ditch A Ditch B Ditch A Ditch A Ditch B From pipe Downstream Sample nr. Oslof Oslof OT OT-1b-2011 OT ph Conductivity Alkalinity HCO NH NO 3 < < < TOC P < 0.05 < K Na Cl SO Ca Mg Mn Fe Al < < < As < 0.03 < 0.03 <

42 Statens vegvesen Vidare undersøkingar i framtidige prosjekt Kriminalteknisk tilnærming, ein fordel i mange tilfelle Analyser forvitringsprodukt (nøkkel til å forstå kva som foregår) Analysere lokalt vatn (kor godt står betongen seg mot aggressivt vatn?) Stort behov for ordnære data (sugporøsitet, styrke, etc, etc.) Bakteriell nedbryting (korleis påverkar dei kjemien?) Ta utgangspunkt i veldokumentert betong (resept etc. etc.) - Undersøke intakt betong og påverka betong: begge deler viktig!! - Ulik alder på betongane vi undersøker (tidslinje) - Ikkje vektlegge resultat frå for gammal spr. bet. teknologi ( Utfordringar: - Kvar tunnel har si problemstilling (levetid?) - Effekt av bergmasse (Q-verdi?, er nedbroten betong påverka av dynamiske laster?) - Heftsona!!!! (kor stort areal har heft?, Årsaker til dårleg heft? ) - Finne gode monitorlokalitetar for lang tids overvaking i «typiske miljø»

43 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Nyttige opplysningar frå regionane framover: Tilstandsrapportar (systematisk vedlikehald) Tekniske rapportar Tidspunkt for reparasjonar/rehabilitering m.m. (før og nå) Stengetid! Når kan vi komme inn? (ikkje alltid like lett å finne ut) Den som er oftast i ein og same tunnel veit mest! - Kva har du sett? (foto) - Miljølaster på staden (lekkasjar, bergforhold, trafikk/støv, m.m.) - Kor er det nedbryting av betong?/kor er betongen intakt?

44 Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. oktober 2013 Takk!