Levetid av sprøytebetong, førebels resultater Per Hagelia Tunnel og betongseksjonen TMT Vegdirektoratet
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».
Dette foredraget: Delprosjektet «TT5 Sprøytebetong» (målsetting, problemstillingar) Oppsummering av tidlegare prosjekt/erfaringar Gjennomgang av arbeid i 2013-2014 Arbeid i 2015 Also early age Long term process Water Debris Fallout of strong concrete slabs. Focused or widespread weakening. Deteriorations along cracks and Deterioration by through solution adhesion zone (or within rock) process leading to thinning by spalling and debris formation
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)
TT5 Sprøytebetong vekt på bergsikring Forutsetningar: Hjelp frå regionane. Samarbeid med TT3 Miljøbelastninger Aktivitetar i 2014: - Oppsummering tidlegere arbeid om bestandighet av sprøytebetong (rapport under arbeid) - Overflatisk status på dei ca. 50 tunnelane som ble undersøkt i prosjektet «Riktig bruk av sprøytebetong 1995-1997» (Brev til regionane i november) - Undersøkingar av 7 tunnelar :Kontrakt med Mannvit, Island Vekt på sprøytebetong som bergsikring, men også screening av brannsikring Rapport vinteren 2015. - Tilknytta to masterstudentar (Jon Gulland, Region Øst; Arnhild Fjose, Region Vest) nyleg starta opp (veil. Mette Geiker NTNU, medveil. Per Hagelia,. Rettleing i tunnelar, hjelp lab. og program: Ferdig 2015 Aktivitetar 2015: - Supplerande undersøkingar (jan-mars ca.) - Testfelt Oslofjorden: 5 års resultat sprøytebetongtilstand/lab (våren 2015).Full testing av betong, - Rapportering, inklusive samanstilling av hovudresultat i sluttrapport
TT3 Miljøbelastningar i vegtunnelar Forutsetningar: Samarbeid med impliserte personer i TT1, TT5 og TT6, samt koordinering med aktivitetar i etatsprogrammet NORWAT (vaskevatn tunnelar m.m.) Hovudmål: - Karakterisering av alle viktige miljølaster i vegtunnelar (grunnvatn, partiklar, luftkvalitet, tunnelvask) - Effektar på betong og materialar brukt i tekniske installasjonar 2013-2014: - Tre tunnelar undersøkt i 2011 (i forprosjektet til VK) mht miljøbelastningar, saman med andre utvalde tunnelar. Går inn i grunnlag for sluttrapport. - Innsamling av støvprøver (o.l.) frå kabelbruer, vifter etc. - Testfeltet for sprøytebetong i Oslofjordtunnelen (etablert 2010) og boltar (etablert 2012) blir følgd opp med litt supplerande vasskjemi, anna prøvetaking (utfellingar, biofilm m.m.). Eit besøk hittil i år, ønsker å samle inn vatn for analyse seinare i haust - Effektar av biofilm på betong. Samarbeid medchalmers, Gøteborg, om PhD om biofilmar og effekt på sprøytebetong (mikrobiologi, DNA, etc Oslofjordtunnelen, samt Frøyatunnelen. Vedtatt i august 2014. Kjem i gang i 2015 (Veil. Brit-Marie Wilen, Frank Persson og Per Hagelia) 2015: - Supplerande undersøkingar (jan-mars) - Testfelt Oslofjorden: 5 års resultat (TT5/TT3). Vatn, utfellingar - Rapportar
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; 50-100 år - Midlertidige konstruksjonar 5 år
Sprøytebetong som bergsikring i tunnelar: Svært mange variablar påverkar levetida Vegsalt; nedre delar Fordamping i tunnelrommet; vatn kan bli meir aggressivt
Trekk i tunnel fører til at vatnet blir meir aggressivt 3500 3000 XA3 2500 Mg (mg/l) 2000 1500 XA2 Fordamping XS2 to XS3 Seawater mixing 1000 XA1 500 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Cl - (mg/l)
Trekk i tunnel fører til at vatnet blir meir aggressivt SO4 2- (mg/l) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Opphavleg salinititet Seawater - freshwater mixing line XA3 Sjøvatn Sulfate reduction Fordamping XA2 XS2 to XS3 500 0 Miksinglinje XA1 av sjøvatn og ferskvatn 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Cl - (mg/l) Saliniten kan auke 10x p.g.a. fordamping i tunnelrommet!
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) 100 % Depth beneath sea level (m) Trykkstyrken (MPa) blir svekka i takt med drypplekkasje (i % av tunnelarealet): 40 % 73 % 76 % Merk: Djup under sjø aukar (pil)
Effekt av nedbryting kan gi for tynn sprøytebetong med tida. Bergmassen varierer: Q-systemet er utgangspunkt for design av sprøytebetong tykkelse Endeleg tykkelse (F) vs. design kriterium(d) Sikring: (SVV = Hb 21) D F Effekt av uoppdaga aktiv leire Tap av bærande tverrsnitt ved nedbryting
Erfaringar: - tidlegare rapportar og prosjekt Diverse prosjekt og rapportar (ca 1980-1995) Riktig bruk av sprøytebetong (1995-1997) (Miljø og samfunnstjenlige tunneler, 1998-2002) (Vegkapital, 2002-2006) Nedbrytingsmekanismar i sprøytebetong (2003-2007) PhD (2011) Moderne vegtunneler (2007-2011) Varige konstruksjoner forprosjekt (2011)
Riktig bruk av sprøytebetong (1995-1997) A- Innkjøring og midtsoner B- Undersjøiske tunnelar C- Frostsoner D- Sprakefjell E- Brannsikring av PE-skum Sluttrapport
Riktig bruk av sprøytebetong Hovudresultat (mange tunnelar var nokså nye i 1995-1997): 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
Riktig bruk av sprøytebetong (1995-1997): 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
Undersøkingar frå 2000-2011 2000: Pilotundersøkingar av sprøytebetong på Alunskifer: 2000-2003: Samarbeid med Building Research Establishment (BRE), Garston, Storbritannia innan sulfatangrep. 2003-2008: Prosjektet «Nedbrytingsmekanismar i sprøytebetong» vekt på kjemisk nedbryting, forvitring, aggressivt vatn, geologiske forhold 2009-2011: 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)
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
Konklusjonar om sprøytebetong som bergsikring (2000-2011): 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 10-15 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)
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
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-206-1 Lier (1) 8.18 2.8 < 5 < 1 22.3 173 15.0 0.79 12.1 44.5 X0(XA1?)/XC1 Harpefos s (4) 5.7-6.1 12.2-16.9 n.a. < 1. 102-111 n.a. 3.2-11 0-7.8 1.5-3.9 38.5-59.9 X0/XC1 Freifjord, f (2) 7.0-9.16 24-26 n.a. n.a. 124-146 n.a. 168 5.8 0.89-1.0 2.54-13.3 X0/XC2 Byfjord, f (1) Oslofjord, f (3) Åkeberg (1) Ekeberg (2) Svartdal (1) 8.33 260 < 5 465 51.2 141 193 14.3 15.4 14.6 X0/XC2 7.43-8.16 9.4-123 <5-41 55-570 13.3-21.1 64-165 12.8-76.3 1.6-3 2.98-5.57 20.7-39.6 X0/XC2 7.6 29 n.a 25000 1841 274 26 22 110 615 XSA (XA2)/XC2 7.0 10 n.a 14000-18000 592-2031 56-100 25-43 16-22 20-74 106-574 XSA (XA2)/XC2 6.84 18.7 100 300 541 67 44.4 9.09 21.4 172 XSA (XA1)/XC2
Åkebergveien 2014: prega av sterk avskaling og oppsprekking
Åkebergveien syreangrep på betong Forvitra alunskifer med jarositt: ph = 2-3 Alunskifer
Svartdalstunnelen utvikling over tid 2000 2006 2014
2014 Svartdalstunnelen utvikling over tid SR med silika og vassglas (v/b = 0,4). Etter 15-16 år 2000 2014
Svartdalstunnelen utvikling over tid SR med 2014 silika og Al-sulfat (v/b = 0,4) 2000 2000 2014 Alt i 2000 var det teikn på sulfatangrep her Men er fortsatt bra i hovedtunnelen
Varige konstruksjonar Teknologidagane 7. oktober 2014 Bakterielt angrep: Oslofjord tunnelen (ca <0.1 to 10 mm/år): lokalt sterk nedbryting Forsuring til ph = 5.5-6.5 (bakg runns ph = 7.5-8 i g runnvatnet) Fe-biomats on Mn-crusts growing from saline waters. Overall process had destroyed concrete and steel fibres σcomp = 50-60 MPa Situation at age = 5 years
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- 206-1 Freifjord 5.5-7.33 5110-19900 <5-96 81-1335 410-2710 23-101 1680-8550 11-36.9 158-1310 1340-4040 XA1- XA3/XC2 & XS2 Flekkerøy 7.12-8.07 11100-27900 <5-8100 56-47000 1380-2600 43-146 5080-12800 136-369 745-1420 429-3100 XA2- XA3/XC2 & XS2 Byfjorden 7.50-8.15 1000-50200 119-7400 290-52000 50-3830 41-151 5720-27800 50.7-507 998-3280 562-1660 XA2- XA3/XC2 & XS2 Oslofjord 6.64-7.83 16900-19300 5-5-1535 2550-2740 132 161 8640-9300 160-348 1180-1340 394-1360 XA3/XC2 & XS2 Seawater Oslofjord 7.74 18600 < 5 146 2630 144 10800 390 1370 413 (XA3)
Nedstrøms Ca- anriking i vatn p.g.a. nedbryting av sementpasta 6.6 3 6.6 7.2 6.8 6.4 6.4-6.6 Liknar sjøvatn -Sulfat -Klorid -Magnesium -Bicarbonat Strøm A ph varierte mellom 5.5 7 med tida Stagnant 1 Strøm B 3 Ca = 1110 mg/l ph = 6.89 Running 2 6.2-6.4 6.4 1 2 6.2 6.4 Ca = 1320 mg/l ph = 6.6 Ca = 1360 mg/l ph =6.64 Mobilt vatn er meir aggressivt enn statisk vatn
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
Varige konstruksjonar Teknologidagane 7. oktober 2014 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
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)
Gipsutfellingar dukka opp på overflater etter ei tid: Må fjernast før ny påsprøyting for å unngå sulfatangrep/ avskaling (utført i Freifjordtunnelen)
Oslofjord testfelt: laser scanning av tre testfelt for sprøytebetong som bergsikring (2010). Skal bore ut i 2015 og 2020
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 0.43 0.43 0.39 Silica fume (kg) 41 41 96 Sand (0-8 mm) 2961 2961 3018 Air entrain. (kg) 3.4 3.4 2.8 SP (kg) 9.1 9.0 12 PP-fibre (kg) 6 6 Steel fibre (kg) 40-40
Oslofjord testfelt Mn-Fe bakteriane invaderte dei nye betongoverflatene etter kort tid!
Prøver eksponert for korrosiv-vassmetta luft
Grøft A Eksponerte for rennande rustfarga vatn med bakteriar
Grøft B Eksponerte for Mn og Fe rikt stagnerande vatn
Grøft A Eksponerte for rennande rustfarga vatn med bakteriar Mars 2010 Prøvene er dekt av bakteriar Same stad august 2011
Oslofjord testfelt utvikling fram til mars 2014 Biofilmane aukar i mengde, og det dannast Mn og Fe biomineral av same type som før, og stålfibrane korroderer raskt ved overflata Testbetongen er ikkje like svekka som den opprinnelege, men er også tykkare Røntgengundersøkingar (XRD) av lyse utfellingar på overflatene viser klart innslag av Mg(OH)2, Mg-kalsitt, dolomitt m.m.: tydeleg at salt grunnvatn trenger gjennom betongen enkelte plassar SEM-undersøkingar viser bl.a. at overflate-eksponert polypropylen fibrar er flisa opp på langs av utfellingar frå salt grunnvatn. Usikkert om dette også gjør seg gjeldane inni betongen og kan representere eit muleg bestandigheitsproblem (sjekker i 2015) I samband med undersøkingar for ny Oslofjordtunnel forsvant nokre av betongterningane som er sett ut for eksponering i tunnelluft!!!! NB! TT1/TT2 har nå etablert eige testfelt for bergboltar i same område (cf. Karen Klemetsrud- TUNBET)
SEM: Polypropylen makrofiber er flisa opp Utfelling med klorid, jern, mangan, svovel m.m. cps/ev 10 8 PP-fiber K Cl Mn 6 Ca C Fe Al S O Na Si Cl S K Ca Mn Fe 4 Utfelling inni fiberen 2 0 2 4 6 8 10 12 14 kev
Vasskjemien endrar seg også med tida! Sample date 2010-March 2011-April Ditch A Ditch B Ditch A Ditch A Ditch B From pipe Downstream Sample nr. Oslof-1-2011 Oslof-2-2011 OT-1-2011 OT-1b-2011 OT-2-2011 ph 6.53 7.44 7.65 7.41 7.58 Conductivity 4660 4710 4529 4529 4433 Alkalinity 2.592 1.402 2.451 2.239 2.520 - HCO 3 158 86 150 137 154 + NH 4 1.810 1.470 1.260 0.096 0.179 - NO 3 < 0.020 < 0.020 <0.100 1.310 1.200 TOC 0.69 0.87 0.92 1.3 28 P < 0.05 < 0.05 0.059 0.12 0.33 K 310 336 350 350 300 Na 9720 9740 10300 10300 9940 Cl - 17800 17800 18600 18700 18200 2- SO 4 2480 2480 2560 2550 2500 Ca 448 412 421 422 791 Mg 1140 1180 1160 1170 1200 Mn 1.62 1.31 1.27 1.72 28 Fe 0.420 0.023 1.53 27.5 238 Al < 0.005 < 0.005 < 0.005 0.350 11.100 As < 0.03 < 0.03 < 0.03 0.037 0.063
Kontrakt med Mannvit (2014-2015): Viktig bidrag under arbeid Undersøker 7 tunnelar i ulike miljø (minste felle multiplum) Samanliknar standard betongparametrar i tørre vs. vasspåkjente område (primært 2 område i kvar tunnel) Utfører strukturanalyse av utvalgte prøver: skademekanisme (petrografi/sem etc),, Resultata begynner å komme inn, men rapport kjem først i januar 2015 Utover dette undersøker TUNBET nokre tunnelar i eit mykje mindre ambisiøst program. I tillegg kjem dei to masteroppgåvene
Kontrakt med Mannvit (2014-2015)
Kontrakt med Mannvit (2014-2015) Betongtesting standard-parametrar samt plan og tynnslip
Absorpsjon frå PF-metoden skal samanliknast med nedbryting
TT5 -sluttrapport skal oppsummere feltforhold og analysedata av eldre sprøytebetong som bergsikring med vekt på: Sprøytebetongteknologi brukt, samt utgangsresept (i den grad muleg å finne) Utvikling over tid, i lys av tidlegare prosjekt og nye funn Samanhengar mellom tilstand/nedbryting, betongtykkelse og miljøbelastningar (vasskjemi, biofilm, hydrogeologiske forhold, design, m.m.) Resultat frå Oslofjord testfelt etter 5 år (sprøytebetong og betongprøver i grøfter) Bruke ITA sine tilrådingar, og tabulere data etter ITA s system Grunnlag for betre planlegging av investeringar og vedelikehaldskostnader «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».
Konklusjonar så langt Fleire utfordrande angrep (alunskifer, undersjøisk, m,m,) Moderne sprøytebetong har ikkje dårleg bestandigheit, men det er lite truleg at dei varer 50-100 år i dei mest aggressive miljøa Auka tykkelse er ein riktig veg å gå for å oppnå auka levetid i dei mest aggressive tunnelmiljøa Det er stort behov for å karakterisere miljølastene på relevant nivå før ein bestemmer seg for resept og design. Har hittil hatt alt for lite fokus Også bergmasse og hydrogeologiske/geokjemiske forhold krev auka fokus med tanke på å auke levetida på bergsikringa. Vi reknar med å kunne trekke meir spesifikke konklusjonar om dette etter endt prosjekt.
Takk!