Bestandighet av sprøytebetong 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». Vi har relevante erfaringar med sprøytebetong over 10-30 år Er det muleg å ekstrapolere framover mot 100 år? Vi må undersøke tilstandsutviklinga i sprøytebetong Det er nødvendig å forstå årsakene til tilstandsutviklinga
Varige konstruksjonar Tilstandsutvikling tunnelar: «TT5 Sprøytebetong» og «TT3 Miljøbelastningar i vegtunnelar» henger nøye saman: Sprøytebetongbergsikringa i tunnelar er utsett for meir varierande miljølaster enn brubetong!! Tekniske installasjonar (TT6) I tilstandsutviklingsprosjekt flest: - Ofte bare vekt på om betongen fungerer som han skal så langt - Gir svar på om vi må utføre vedlikehald & reparasjonar - Seier lite om kva vi evt. kunne ha gjort ved meir optimale materialar & design Boltar (TT1/TT2) Miljøbelastingar (TT3) Sprøytebetong (TT5) Membranar (TT4) Varige konstruksjonar: OGSÅ vekt på samanhengen mellom tilstandsutvikling og miljølaster: samanlikner lokal variasjon i enkelttunnelar og mellom tunnelar. Fordi: - Vi må vite kva for miljø, reseptar og design som gir forringa kvalitet/auka vedlikehald - m.a.o. avhengige av å hente inn og systematisere empiriske data på ein ny måte - Det er ikkje utvikla sikre laboratorietestar og modellar vi kan støtte oss på
Dette foredraget: Gjennomgang av forhold som påverkar sprøytebetong og fører til nedbrytande reaksjonar Grunnlagsmaterialet vi bygger på (tidlegare og nytt) Resultat frå Varige konstruksjonar - Forprosjekt 2011 - Førebels samanstilling av nokre data - Mannvit sine resultat (2014-2015) Korleis vi nå bygger opp oppsummeringsrapporten Avsluttande merknader 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
Sprøytebetong som bergsikring i tunnelar: Svært mange variablar påverkar levetida! Vegsalt; nedre delar Fordamping i tunnelrommet; vatn kan bli meir aggressivt Hydrogeologi: grunnvassnivå, oppsprekking (permeabilitet), bergoverdekning Bergmasse (stabilitet, mekaniske laster): Q-verdiar. Vasskjemi (ferskvatn, alunskifer vatn, saltvatn) Betong resept Utført arbeid: designkriterier, utførsle (sprøytebetongtykkelse m.m.) Tunnelrommet: vegsalt, fordamping (meir aggressivt vatn!!)
Bergmassekvaliteten varierer alltid: Q-verdi er utgangspunkt for design av sprøytebetong tykkelse Eksempel ved Q = 1 utan leire og vatn: 15 cm (Statens vegvesen) (NGI: 8-9 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
Surface Mn-Fe + Ca Varige konstruksjonar Teknologidagane 23. september 2015 Innverknad av vatn/hydrogeologi på Sprøytebetong som bergsikring Ytre påverknad av undersjøisk angrep aukar med sjødjupet (hydraulisk gradient) Flekkerøytunnelen pr.1996 (betongalder 8 år) 100 % Depth beneath sea level (m) Trykkstyrken (MPa) er svekka i takt med drypplekkasje (i % av tunnelarealet) 40 % 73 % 76 %
Skadeleg innverknad av lekkasjevatn: Små lekkasjar av aggressivt vatn på overflata og heftsona er meir skadelege enn store lekkasjar Vi injiserer ofte mot større lekkasjar, dvs den arealmessige fordelinga i % av tunnelen er mest interessant Lekkasjearealet (X %: Hagelia 1992, 1994) er grovt sett styrt av : - antal sprekker/m 2 med fall 60-90 o : opning < 0,5 mm ( J ): eit omtrentleg uttrykk for hydraulisk konduktivitet - Avstand frå grunnvassnivå ned til tunnelnivå (h) - Bergoverdekninga (hr) og evt lausmasser (hs) Potensialet for nedbryting av undersjøisk tunnelbetong aukar når sjødjupet (hw = h hr (+ hs)) aukar på bekostning av bergoverdekninga i elles lik bergmasse (J = konstant). J = 5
ph, klorid, sulfat og magnesium er viktig 3500 3000 XA3 4500 4000 XA3 Mg (mg/l) 2500 2000 1500 1000 500 0 XA1 XA2 Seawater mixing Fordamping XS2 to XS3 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Cl - (mg/l) SO4 2- (mg/l) 3500 3000 Seawater - freshwater mixing line 2500 2000 1500 1000 500 0 XA2 XA1 Sulfate reduction XS2 to XS3 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 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)
Materialeigenskapar som motverkar nedbryting av fiberarmert sprøytebetong 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 blir høgare enn låge v/b skulle tilseie! (Hoseini et al. 2009) (her: frå bergmassen sp. ved undersikring) Relativt tjukk sprøytebetong (Davik 1997, Hagelia 2011): - Minste nominelle auka frå 5 til 6 cm - SVV (2007- nå): minste nominelle = 8 cm - NB! Darcy s lov: tynnare sjikt gir større grad av gjennomstrøyming God heft mot berg (bl.a. Norsk betongforening publ. 7): God kontakt mot berg gir lite rom for lekkasjar. Avhengig av utførelse og bergart på staden. Intakt sementlim (ph > 12.5). Ingen stålfiberkorrosjon Makro-PP fiber reknast for å vere inert, men eksempel på at nokre mikroorganismar (alger, bakteriar) verkar nedbrytande (Hughes 2012, 2013)
Grunnlagsmateriale vårt: Diverse prosjekt og rapportar (ca 1980-1995) Riktig bruk av sprøytebetong (1995-1997) (63 tunnelar) (Miljø og samfunnstjenlige tunneler, 1998-2002) (Vegkapital, 2002-2006) Nedbrytingsmekanismar i sprøytebetong (2003-2007) PhD (2011) (9 tunnelar) Moderne vegtunneler (2007-2011) - delprosjekt Norconsult (3 tunnelar) Varige konstruksjoner (2011-15) - forprosjekt Norconsult (3 tunnelar) - hovudprosjekt - Mannvit (6 «representative» tunnelar) - 2 masteroppgåver (2+1 tunnelar) - Oslofjord testfelt utvikling frå 2010-2015 - tilstandsrapportar frå regionar Undersøking av effektar over tid i moderne sprøytebetong (ca 1987 nå) Størst vekt på aggressive miljø (undersjøisk og alunskifer) Også erfaringar frå ferskvassmiljø m.m.
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
Moderne vegtunneler/norconsult 2011 Ringnestunnelen 1986 (ferskt grunnvatn & tinesalt): Ikkje nedbryting, men mindre effektar av tinesalt og karbonatisering i yttersjikt Oslofjordtunnelen 1999 (salt grunnvatn): Begynnande mikrooppsprekking; stålfiber intakt, men sulfat, Mg & Cl litt inn i betongen (må følge opp) Freifjordtunnelen 1992 (salt grunnvatn): ca. tilsvarande Oslo Basert på stikkprøver, utanom synleg påvirka betong. Er nokså representativ for dette (og sikkert det store volum). Oslofjordtunnelen og Freifjordtunnelen har lokalt områder med sterkare nedbryting under biofilm.
Konklusjonar om nedbryting av sprøytebetong som bergsikring (2000-2011: oppsummert i PhD): 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, Ca-utluting, magnesium, thaumasitt) Undersjøisk: 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 ved diffusjon 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
Bakterielt angrep: Oslofjord tunnelen (ca <0.1 to 10 mm/år): lokalt sterk nedbryting Forsuring til ph = 5.5-6.5 (bakgrunns ph = 7.5-8 i grunnvatnet) Fe-biomats on Mn-crusts growing from saline waters. Overall process had destroyed concrete and steel fibres σ comp = 50-60 MPa Situation at age = 5 years
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
Resultat Varige konstruksjonar forprosjekt Vekt på korrosjonsfare (3 landtunnelar) Sør-Trøndelag Helltunnelen. Minst korrosjonsfare langt unna portalane Oslo Ekebergtunnelen & Smestadtunnelen. Høgast fare nede på veggen Eksempel frå veggelement (ikkje bergsikring) Hell Smestad Overdekning
Resultat: Varige konstruksjonar - Mannvit Landtunnelar med ferskt grunnvatn: Grua og Baneheia Tunnelar i alunskifermiljø: Ekeberg/Svartdal Undersjøiske tunnelar: Frøya, Sløverfjord, Flekkerøya * Vekt på sprøytebetongbergsikring: tunnelregistrering, utboring frå to stader i kvar tunnel (våte og tørre parti), betongtestar (trykk, PF, D/S, kloridprofil, fiber/korrosjon & strukturanalyse, mikroskopi og SEM) * Enkel tilstandsregistrering av brannsikring Hovudkonklusjonar: Grua og Baneheia: Sprøytebetongen fungere som tiltenkt Ekeberg/Svartdal: ---»--- som tiltenkt, men lokalt negative effektar av utluting & sulfatangrep (særleg nær heftsona: thaumasitt &karbonatisering) Frøya, Sløverfjord, Flekkerøya: ---»--- som tiltenkt, med lokal nedbryting i saltvannssona (Flekkerøya: 27 år) inkl. biofilm Tilstanden til stålifiber er i all hovudsak tilfredsstillande: er intakt over det meste av tverrsnittet! Godt nytt for undersjøiske tunnelar
Førebels bearbeiding av resultat Arbeider nå med å finne fram til måtar å representere data på best muleg måte Samanhengen mellom geologi, eksponeringsmiljø, brukte reseptar & tykkelse etc er gjenstand for analyse (empirisk grunnlag) Bruker bl.a. lengdeprofilar og oppsprekkingsdata for å få fram meir om hydrogeologiske forhold der sprøytebetong er undersøkt (nokre tunnelar) Viser nå nokre førebels resultat og tolkingar
Omvandling = f (tykkelse, resept, utførelse, hydrogeologi, vasskjemi) h w = sjødjup, h r =bergoverdekning (h w /h r ) i meter Betongalder: 5, 13, 14 & 16 år. Oppsrekking i berg varierer (vi ser nå på dette) S tålfiberarmert s prøy tebetong i unders jøis k miljø (M40-M45) T otal tykkels e (mm) 350 300 250 200 150 100 50 Destruktiv stålfiberkorrosjon h w =120, h r =7 (17) Injisert leirførande h w =250, h r =50 (5) Fyllitt h w 25-75, h r 25-75 (0,3-3) Gneis 0 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 % omv andling av tv errs nittet
Heftsona er viktig for bestandigheitsutviklinga S tålfiberarmert s prøytebetong i unders jøis k miljø (M40-M45) T otal tykkels e (mm) 350 300 250 200 150 100 50 Destruktiv stålfiberkorrosjon h w =120, h r =7 (17) h w =250, h r =50 (5) h w =250, h r =50 (1) Rød= permeabel med nedbryting frå heftsona Blå = midlere situasjon Kvit = god heft tett 0 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 % omv andling av tv errs nittet
Permeabel heftsone gir generelt auka nedbryting % Omvandling av tverrsnitt vs alder og heftforhold 100.00 90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 Rød= permeabel med nedbryting frå heftsona Blå = midlere situasjon Kvit = god heft tett Ta i % av totalkjerne alder (år) 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 Antal kjerner ordna etter stigande omvandling (Ta i %)
Åkebergveien 2014: prega av sterk avskaling og oppsprekking Forvitra alunskifer med jarositt: ph = 2-3 Syra angriper heftsona avskaling
2014 Svartdalstunnelen utvikling over tid SR med silika og vannglass 2000 (v/b = 0,4). Etter 15-16 år Jarositt viser at svovelsyre virkar! 2014 Monitorområde frå år 2000. Fram til 2006 var dette ok betong I 2014: syrepåverknad på heftsona fører til avskaling (senking av grunnvatn gir sulfidoksidasjon)
Svartdalstunnelen utvikling over tid 2000 2006 2014
Svartdalstunnelen over tid: SR silika & Al-sulfat (v/b = 0.4) 2014 2000 2000 2014 Alt i 2000 var det teikn på sulfatangrep her Men er fortsatt bra i hovedtunnelen
To MSc oppgåver utført i TT5 Sprøytebetong Arnhild Fjose (2015): «Nedbryting av sprøytebetong i E39 Hopstunnelen og Nesttuntunnelen» - Felt, standard betonganalyse, vatn, mikroskopi og XRD - Ferskt grunnvatn med funn av ikkje-skadeleg biofilm - Karbonatisering, men lite omfang - Sprøytebetongen vil truleg oppnå 100 års levetid Jon Gulland (2015): «Sprøytebetong testet med destruktiv og ikkedestruktiv metode»: Svartdalstunnelen, felt og lab. - Testing av Scmidthammer (NS-EN 13791) for feltinspeksjon i tunnel og laboratorium - Mikroskopi viste at sulfatangrepet var ubetydeleg ved god heft - Slag sensitive på strukturforskjellar i overflata, fuktinnhold og betongtykkelse - Ultralyd og Scmidthammer i lab samanlikna med trykkfasthet, fiberinnhold mm. Får litt andre relasjonar enn publiserte verdiar
Oslofjord testfelt utvikling fram til august 2015 Biofilmane aukar i mengde, og det dannast Mn og Fe biomineral, og stålfibrane korroderer raskt ved overflata Testbetongen er ikkje like svekka som den opprinnelege: tjukkare + annan resept 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 overflateeksponert 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. Prøver er bora ut /samla inn for 5 års test. Uttesting av betong i lab er i full gang. PhD kandidate Sabina Suceska Karacic frå Chalmers Gøteborg har samla inn biofilm og nedbrutt betong (TT3 & E39 prosjektet)
Oslofjord testfelt: laser scanning av tre testfelt for sprøytebetong som bergsikring (2010).
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
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
Fem års test 2015 Eksponert i korrosiv vassmetta luft. Vi undersøker nå bl.a. trykkfasthet, elektrisk motstand og fiber
Fem års test Grøft A Eksponerte for rennande rustfarga vatn med jern-bakteriar. Vi undersøker nedbryting i neddykka del av småprøver (div testar). Borer ut nytt sett (ref.sylindrar tatt i 2010) Test for energiabsorpsjon (hjul) kjem i 2020 (10 år). Mars 2010 Neddykka august 2011 til 2015
Fem års test Grøft B Eksponerte for Mn og Fe rikt vatn Vi undersøker mht til nedbryting i neddykka del
Oslofjord testfelt: Vasskjemien endrar seg over tid K lorid (mg/l ) S ulfat (mg/l ) 20000 3000 15000 2500 2000 10000 1500 5000 1000 500 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 R ør A G røft A G røft B R ør A G røft A G røft B Mg (mg/l ) Alkalitet (mmol/l ) 1350 3 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 1 2 3 4 5 R ør A G røft A G røft B 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1 2 3 4 5 R ør A G røft A G røft B 7.8 7.6 7.4 7.2 7 6.8 6.6 6.4 6.2 6 5.8 ph R ør A G røft A G røft B 1 2 3 4 5 Eksponeringsmiljøet endrar seg over tid Understreker behov for prøvetaking på fleire tidspunkt Felt-pH på vegg & grøfter er alltid lågare enn målt i flasker til laboratorium Mars -10 April -10 Nov -12 Nov -14 Aug -15
TT5 -sluttrapport vil oppsummere feltforhold & analysedata av sprøytebetong (ulik alder, eksponeringsforhold, geologi m.m) Tar utgangspunkt i det aller meste av undersøkingar/rapportar. 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.). Blir systematisert Resultat frå Oslofjord testfelt etter 5 år (sprøytebetong på vegg og betongprøver i grøfter) Velger så ut dei best dokumenterte tunnelane med mest omfattande betongundersøkingar: Sporbart og transparant system og muleg å diskutere på fagleg basis Utvalget blir grunnlag for å trekke dei viktige konklusjonane. «Dimensjonerande» mht til optimale reseptar, design m.m.
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 50-100 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 systematisks forinjeksjon Det er stort behov for å karakterisere miljølastene på tunnelnivå før ein bestemmer seg for resept og design. Har hittil hatt alt 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 oppnår betre heft mot berget! Dersom det vi ser er best mulege praksis er det behov for eit eige forskningsprosjekt.
Takk!