Materiálové a mechanické vlastnosti historickeho priehradového nosníka
Most, ktorého súčasťou bol skúmaný železobetónový priehradový nosník, bol postavený medzi rokmi 1910 a 1919 v maďarskom okrese Nýiregyháza. Most bol využívaný až do roku 2012. Priehradový nosník sa odobral počas demolačných prác z mosta nad riekou Érpatak pri obci Nyírszőlős. Jeden nosník sa podrobil nedeštruktívnym a deštruktívnym skúškam. Na základe diagnostiky sa špecifikoval aktuálny fyzický a chemický stav betónu, včítane rozsahu karbonatizácie. Výsledky experimentálnych overení poskytujú hodnotný súhrn poznatkov o trvanlivosti približne sto rokov starého, železobetónového priehradového nosníka.
1. Úvod
Prvý železobetónový most typu Monier sa vo svete postavil v roku 1875. Niekoľko mostov tohto typu sa postavilo aj v bývalom Rakúsko-Uhorsku, avšak do dnešných dní sa z nich zachovalo len zopár. Jedným z nich bol aj most pri maďarskej obci Nyírszőlős nad riekou Érpatak [1]. Tento most bol pre nevyhovujúce šírkové usporiadanie a nízku zaťažiteľnosť v roku 2014 nahradený novým mostom, pričom jeden z originálnych nosníkov sa v rámci odbornej spolupráce Slovenska a Maďarska previezol do Bratislavy, kde bol experimentálne odskúšaný. Pôvodný most pozostával z desiatich paralelných priehradových nosníkov s rozpätím 5 metrov, pričom nosníky boli vždy zdvojené a uložené v piatich pároch. Železobetónová mostovka hrúbky 200 mm bola čiastočne spojená s hlavnými nosníkmi oceľovými prvkami. Výška nosníkov bola 690 mm, hrúbka hornej pásnice bola 140 mm, hrúbka spodnej pásnice a diagonál bola 90 mm.
2. Metodika skúšok
Na diagnostikáciu nosníka sa použili nedeštruktívne a deštruktívne mechanické skúšky, včítane zaťažovacej skúšky v laboratóriu Technického a skúšobného ústavu stavebného, n. o. Odobratý betón sa následne študoval metódami základného výskumu (RTG, termická a chemická analýza a pórová štruktúra, elektrónová mikroskopia).
- Súbor nedeštruktívnych skúšok zahrňoval:
- Stanovenie pevnosti betónu Schmidtovým tvrdomerom podľa STN EN 12504-2 [2]. Výsledky sú ovplyvnené skarbonatizovanou povrchovou vrstvou betónu, ktorú nebolo možné úplne odstrániť, táto skutočnosť je však zohľadnená príslušnou korekciou podľa normy.
- Overenie homogenity mechanických vlastností betónu pomocou ultrazvuku prístrojom PUNDIT podľa STN EN 12504-4 [3].
- Odtrhové skúšky podľa STN EN 1015-12 [4].
- Skúšky permeability povrchu betónu Torrentovou metódou [5].
- Zaťažovacia skúška sa vykonala podľa STN 73 2030 [6] pomocou piatich hydraulických lisov simulujúcich zaťaženie nosníka v každom uzle hornej pásnice. Nosník sa zaťažoval postupne po krokoch reprezentujúcich 10 % z predpokladanej vypočítanej únosnosti. Po dosiahnutí zaťaženia na úrovni 90 % únosnosti sa nosník odľahčil a proces zaťažovania sa zopakoval rovnako ako prvýkrát, až do porušenia.
- Po porušení nosníka sa z jeho neporušených krajných častí odobrali štyri jadrové vývrty priemeru 100 mm a zistili sa nasledovné vlastnosti betónu: hĺbka karbonatizácie fenolftaleínom [7], dynamický modul pružnosti ultrazvukom [3], statický modul pružnosti [8] a pevnosť betónu v tlaku [9].
- Vzorky po pevnostnej skúške sa vysušili pri 60 °C, podrvili a pomleli na frakciu < 0,063 mm a podrobili sa štúdiu mikroštruktúry a pórovej štruktúry. Pórová štruktúra sa pozorovala na vysoko tlakovom porozimetri Quantachrome Poremaster 60 GT, USA.
Terajší fyzický a chemický stav betónu sa vyhodnotil z celého komplexu realizovaných skúšok.
3. Výsledky a diskusia
3.1 Nedeštruktívne skúšky
Pevnosť betónu v tlaku nameraná Schmidtovým tvrdomerom sumarizuje tabuľka 1.
| Pevnosť | Stanovená informatívna pevnosť [MPa] |
|---|---|
| Priemerná hodnota informatívnej pevnosti | 56,9 ± 7,4 |
| Zaručená pevnosť v tlaku | 40,6 |
Namerané hodnoty sa korigovali ďalšími súčiniteľmi: vplyv veku betónu: αt = 0,90; vplyv vlhkosti betónu: αw = 0,85; vplyv tvaru vzorky: κe = 1,00. Priemerná hodnota informatívnej pevnosti z výsledkov skúšok bola 56,9 ± 7,4 MPa. Rozdiely medzi jednotlivými meraniami boli 13 %. Zaručená pevnosť v tlaku tohto betónu stanovená touto metódou je 40,6 MPa.
Tabuľka 2 predstavuje výsledky merania permeability povrchu betónu pomocou Torrentovej metódy, ktoré sa uskutočnili oproti miestam merania pevnosti.
| Miesto merania | Koeficient permeability kT [×10−16.m2] | Stupeň kvality | Trieda kvality betónového povrchu |
|---|---|---|---|
| 1 | 85,11 | 5 | Veľmi zlá |
| 2 | 1,074 | 4 | Zlá |
| 3 | 50,56 | 5 | Veľmi zlá |
| 4 | 0,128 | 3 | Normálna |
| 5 | 4,099 | 4 | Zlá |
| 6 | 57,19 | 5 | Veľmi zlá |
| 7 | 0,189 | 3 | Normálna |
| 8 | 0,387 | 3 | Normálna |
| 9* | 0,561 | 3 | Normálna |
| 10* | 14,94 | 5 | Veľmi zlá |
| 11* | 22,26 | 5 | Veľmi zlá |
| * merané na neobrúsenom povrchu | |||
Priľnavosť povrchových vrstiev betónu k hlbším vrstvám sa definuje ako pevnosť v ťahu povrchovej vrstvy. Pevnosť v ťahu podľa tabuľky 3 dosahovala relatívne vysoké hodnoty v rozmedzí 3 až 5 MPa.
| Miesto merania | Maximálna sila [kN] | Priľnavosť vyjadrená ako pevnosť v ťahu [MPa] | Spôsob porušenia |
|---|---|---|---|
| 1 | 9,2 | 4,67 | V betóne |
| 2 | 8,4 | 4,26 | V betóne + lepidlo z betónu |
| 3 | 4,2 | 2,14 | V betóne + lepidlo z betónu |
| 4 | 8,7 | 4,41 | V betóne |
| 5 | 10,1 | 5,15 | V betóne |
| 6 | 7,4 | 3,77 | V betóne |
| 7 | 9,8 | 4,99 | V betóne |
| 8 | 7,7 | 3,92 | V betóne |
| 9 | 7,6 | 3,87 | V betóne |
| 10 | 6,2 | 3,16 | V betóne |
| 11 | 6,4 | 3,26 | V betóne |
| 12 | 11,1 | 5,65 | V betóne |
Obrázok 1 znázorňuje zvolené miesta meraní dynamického modulu pružnosti betónu. S výnimkou troch meraní sa hodnoty dynamického modulu pružnosti pohybovali medzi 24,9 a 34,9 GPa.
Obr. 1 Schéma usporiadania ultrazvukových meraní modulu pružnosti
3.2 Zaťažovacia skúška nosníka
Zaťažovacia skúška nosníka sa vykonala v laboratóriu TSÚS v Bratislave. Pred samotnou zaťažovacou skúškou sa vykonala statická analýza nosníka, pri ktorej sa ukázalo, že najvhodnejší spôsob zaťaženia nosníka je rovnomerné zaťaženie cez styčné uzly v hornom páse. Počas zaťažovacej skúšky sa registroval aj rozvoj a šírka trhlín.
Obr. 2 Miesta merania pomerných pretvorení (1, 2, 3, 4) počas zaťažovacej skúšky
Obr. 3 Pomerné pretvorenia počas zaťažovacej skúšky nosníka
Prvé trhliny sa objavili na spodnej pásnici takmer okamžite na začiatku zaťažovacej skúšky a dosiahli ku koncu až 1,5 mm. Drobné trhliny sa v súlade s predpokladmi objavili aj v rámci ťahaných diagonál. Obrázok 2 ukazuje meracie body pomerných pretvorení. Namerané hodnoty v jednotlivých zaťažovacích krokoch prezentuje obrázok 3. Po odľahčení nosníka z 90 % vypočítanej únosnosti sa všetky pomerné pretvorenia vrátili na pôvodné hodnoty, okrem spodnej pásnice. Všetky uzly mali dostatočnú kapacitu a ich statické pôsobenie je možné označiť za kĺbové. K porušeniu nosníka došlo roztrhnutím výstuže spodného pásu v mieste oslabenom otvorom, cez ktorý sa napájali výstuže diagonál (obrázok 4).
Obr. 4 Roztrhnutie výstuže spodného pásu (foto tesne pred celkovým kolapsom nosníka)
3.3 Hĺbka karbonatácie
Tabuľka 4 dokumentuje hĺbku karbonatizácie zistenú na štyroch jadrových odvrtoch fenolftaleinovou skúškou. Hĺbku karbonatizácie v rozmedzí 13 a 33 mm pri betóne starom približne 100 rokov možno považovať za relatívne nízku.
| Číslo vzorky | Hĺbka karbonatizácie [mm] |
|---|---|
| 1 | 28 |
| 2 | 25 |
| 3 | 33 |
| 4 | 13 |
3.4 Mechanické vlastnosti
Základné mechanické vlastnosti nosníkového betónu sumarizuje tabuľka 5. Valcová pevnosť v tlaku sa prepočítala na kocky s hranou 150 mm kvôli približnému zatriedeniu do súčasných pevnostných tried betónu podľa STN EN 13791 [10]. Z výsledkov vykonaných deštruktívnych skúšok vyplýva, že betón z nosníka možno podľa tabuľky 1 STN EN 13791 zatriediť do pevnostnej triedy C 12/15 podľa STN EN 206 [11].
| Číslo vzorky vývrtu | Priemer valca [mm] | Objemová hmotnosť [kg/m3] | Dynamický modul pružnosti [GPa] | Statický modul pružnosti [GPa] | Valcová pevnosť v tlaku [MPa] | Kocková pevnosť v tlaku [MPa] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 102,54 | 2 200 | 25,6 | 19,8 | 16,03 | 19,9 |
| 2 | 102,83 | 2 210 | 24,6 | 15,6 | 14,99 | 18,6 |
| 3 | 102,63 | 2 230 | 27,9 | 13,4 | 20,25 | 25,2 |
| 4 | 102,62 | 2 210 | 30,1 | 15,3 | 16,43 | 19,4 |
3.5 Pórová štruktúra
Obr. 5 Rozdelenie veľkosti pórov betónu
Obrázok 5 dokumentuje rozdelenie veľkosti pórov vo vzorke jadrového odvrtu č. 2.
Nízke zastúpenie pórov možno s veľkou pravdepodobnosťou prisúdiť v tom čase používanému spôsobu/intenzite mletia cementu, dosiahnuteľnému na pred 100 rokmi na dostupných priemyselných mlynoch. Veľmi nízka, až zanedbateľná prítomnosť kapilárnych pórov nad 1000 nm (1 µm) môže byť príčinou zníženej priepustnosti betónu proti vonkajším agresívnym médiám. Pozorovaná hĺbka karbonatizácie (tab. 4) sa preto môže vysvetľovať aj tak, že napriek identifikovanej triede (4 – zlá) kvality betónového povrchu (tab. 2) je stále pomerne nízka.
4. Záver
Z dosiahnutých výsledkov vyplývajú nasledovné závery:
- Priemerná pevnosť betónu stanovená Schmidtovým tvrdomerom bola až 57 MPa, čo je v rozpore s meraniami pevnosti na odvrtoch 21 MPa po prepočte na kockovú pevnosť. Nedeštruktívne skúšky vykonané v rámci výskumu 100ročných betónov často výrazne precenili reálnu pevnosť betónu v konštrukcii [12].
- Pevnosť v ťahu povrchovej vrstvy 3 až 5 MPa je pomerne vysoká a koreluje s vysokou pevnosťou v tlaku stanovenou nedeštruktívne. Obe namerané pevnosti sú však v rozpore s pevnosťami stanovenými na odvrtoch. Tieto odchýlky je zrejme možné pripísať hrubšej vrstve zkarbonatovaného betónu (13 až 33 mm).
- Hĺbka karbonatizácie 13 až 33 mm (priemerne 25 mm), je pri veku betónu – 100 rokov a jeho nízkej pevnosti (C 12/15) stále pomerne nízka. Príčinou tohto javu môže byť nízke zastúpenie pórov, najmä kapilárnych nad 1000 nm, ktoré rozhodujúcim spôsobom determinuje mobilitu agresívneho média (CO2) v pórovom systéme betónu.
- Nedeštruktívne stanovený dynamický modul pružnosti (25 až 30 GPa) je podobne ako hodnoty pevnosti získané nedeštruktívne v nesúlade s normovým modulom pružnosti zisteným na odvrtoch (13 až 20 GPa).
- Pri zaťažovacej skúške bol rozdiel medzi predpokladanou a skutočnou únosnosťou nosníka približne 2 %. Veľký priehyb a nadmerný rozvoj trhlín svedčia o požadovanom ťažnom charaktere správania sa nosníka.
- Pri posudzovaní mostov sa odporúča vždy odobrať jadrové vývrty z konštrukcie a nespoliehať sa len na nedeštruktívne stanovenie mechanických parametrov betónu, ktoré často ukazujú lepšie výsledky ako relevantné parametre zistené na odvrtoch.
5. Poďakovanie
Táto práca bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja v Bratislave na základe Zmluvy č. APVV-17-0204.
6. Literatúra
- GYŐZŐ, Z.: A Monier rendszer és a hazánkban e rendszer szerint létesített első műtárgy – Hungarian (translated: Monier system in our country and our first structure of this type). Magyar Mérnök és Építész Egylet, 24/4, 221–232, 1890. Budapešť, Maďarsko, 1890.
- STN EN 12504-2: Skúšanie betónu v konštrukciách. Časť 2: Nedeštruktívne skúšanie. Stanovenie tvrdosti odrazovým tvrdomerom. Bratislava, 2013.
- STN EN 12504-4: Skúšanie betónu. Časť 4: Určenie rýchlosti ultrazvukového impulzu. Bratislava, 2005.
- STN EN 1015-12: Metódy skúšania mált na murovanie. Časť 12: Stanovenie prídržnosti zatvrdnutých spodných a krycích omietkových mált k podkladom. Bratislava, 2001.
- TORRENT, R. – FRENZER, G.: Study on methods to determine and judge characteristic values of the cover concrete on site. Bundesamt für Strassenbau, Bern, 1995.
- STN 73 2030, A-1/88 Zaťažovacie skúšky stavebných konštrukcií. Spoločné ustanovenia. Bratislava, 1977.
- STN EN 14 630: Výrobky a systémy na ochranu a opravu betónových konštrukcií. Skúšobné metódy. Skúšanie hĺbky karbonatizácie v zatvrdnutom betóne fenolftaleínovou metódou. Bratislava, 2007.
- STN ISO 6784: Betón. Stanovenie statického modelu pružnosti v tlaku. Bratislava, 1993.
- STN EN 12504-1: Skúšanie betónu v konštrukciách. Časť 1: Vzorky z jadrového vŕtania. Odber, preskúmanie a skúška pevnosti v tlaku. Bratislava, 2010.
- STN EN 13791: Stanovenie pevnosti betónu v tlaku v konštrukciách a v betónových prefabrikátoch. Bratislava, 2012.
- STN EN 206 +A1 Betón. Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda. Bratislava, 2017.
- PAULÍK, P.: Historické aspekty hodnotenia spoľahlivosti betónových mostov. Habilitačná práca, 2017. Bratislava.
The bridge, part of which was the investigated reinforced concrete truss girder, was built between 1910 and 1919 in the Hungarian district of Nýiregyháza. The bridge was in service until 2012. The truss girder was removed during demolition works from a bridge over the Érpatak River near the village Nyírszőlős. One truss girder underwent mechanical non-destructive and destructive testing. On the basis of the diagnostics performed, the actual physical and chemical state of concrete, including the extent of carbonation was specified. The results of the experimental verification provide a valuable summary of the knowledge about a durability of an approximately one hundred years old reinforced concrete truss girder.