tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · det er ikkje utvikla testar og...

32
Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike miljø Per Hagelia Tunnel og betongseksjonen TMT – Vegdirektoratet Varige konstruksjonar – Fagdag Felix konferansesenter, Oslo. 31 Mai 2016

Upload: others

Post on 27-Sep-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike miljø

Per HageliaTunnel og betongseksjonen

TMT – Vegdirektoratet

Varige konstruksjonar – Fagdag Felix konferansesenter, Oslo. 31 Mai 2016

Page 2: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Fallout of strong concrete slabs.Deteriorations along cracks andadhesion zone (or within rock)

Focused or widespread weakening. Deterioration by through solution process leading to thinning by spalling and debris formation

Water

Debris

Also early age ”Long” term process

Fallout of strong concrete slabs.Deteriorations along cracks andadhesion zone (or within rock)

Focused or widespread weakening. Deterioration by through solution process leading to thinning by spalling and debris formation

Water

Debris

Also early age ”Long” term process

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 (2012-2015)- Samanstilling av data: vekt på alder, tykkelse, korrosjon, nedbryting, eksponeringsmiljø i hht NS-EN 206,

• Konklusjonar

Varige konstruksjonar – Fagdag Felix konferansesenter, Oslo. 31 Mai 2016

Page 3: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Varige konstruksjonar - hovudmål«Programmets hovedmål er å legge til rette for at riktige materialer ogprodukter benyttes på riktig måte i Statens vegvesen sinekonstruksjoner. Formålet er å oppnå ønsket kvalitet, forutsigbartvedlikehold og definert levetid for ulike konstruksjonsløsninger, iførste 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 – Fagdag Felix konferansesenter, Oslo. 31 Mai 2016

Page 4: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Varige konstruksjonar – Tilstandsutvikling sprøytebetong

Miljøbelast-ingar

(TT3)

Tekniske installasjonar

(TT6)

Membranar

(TT4)

Sprøytebetong

(TT5)

Boltar

(TT1/TT2)

Varige konstruksjonar: Vekt på samanhengen mellom tilstandsutvikling ogmiljølaster: 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)

Sprøytebetongbergsikringa i tunnelar er påverka av fleire miljølaster enn brubetong!!

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)

Varige konstruksjonar – Fagdag Felix konferansesenter, Oslo. 31 Mai 2016

Page 5: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Sprøytebetong som bergsikring i tunnelar:Svært mange variablar påverkar levetida!

Fordamping i tunnelrommet; vatn kan bli meir aggressivt

Vegsalt; nedre delar

• 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!!)

Varige konstruksjonar – Fagdag Felix konferansesenter, Oslo. 31 Mai 2016

Page 6: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Effekt av aktiv leire: Ja = joint alteration number

aukar

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

Bergmassekvaliteten varierer alltid: Q-verdi er utgangspunkt for design av sprøytebetongtykkelse

Effekt av lekkasjevatn: Jw = joint water number

minkar

Page 7: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Depth beneath sea level (m)

Sur

face

Mn-

Fe +

Ca

Innverknad av vatn/hydrogeologi på sprøytebetong som bergsikring

Utluting og bakterievekst i undersjøiske tunnelaraukar med sjødjupet (vasstrykk er viktig)

Trykkstyrken (MPa) svekkast i takt meddrypplekkasje i % av tunnelarealet(Flekkerøytunnelen pr.1996: betongalder 8 år)

«Riktig bruk av sprøytebetong» (1995-1997) viste at utluting og bakterievekst («alger») starter tidleg i undersjøiske tunnel-strekningar.

100 %

76 %73 %40 %

Page 8: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

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/m2 med fall 60-90o: 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

Page 9: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

pH, bufferevne, klorid, sulfat og magnesium er viktig

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Cl- (mg/L)

Mg

(mg/

L)

XA1

XA2

XA3

Seawater mixing

XS2 to XS3 Fordamping

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Cl- (mg/L)

SO42-

(mg/

L)

XA1

XA2

XA3

Seawater - freshwater mixing line

XS2 to XS3

Sulfate reduction

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Cl- (mg/L)

SO42-

(mg/

L)

XA1

XA2

XA3

Seawater - freshwater mixing line

XS2 to XS3

Sulfate reduction

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 avkjemien til det lokale grunnvatnet

Syrepåverknad: frå alunskifer eller biofilm i undersjøiske tunnelar.Bufferevne= alkalitet i vatnet (bl.a. kalkspat i bergmassen)

Page 10: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Materialeigenskapar som motverkar nedbryting av fiberarmertsprøytebetong (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

Page 11: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Grunnlagsmateriale vårt; ein del tunnelar undersøkt fleire gongar• Diverse prosjekt og tilstandsrapportar (tidsrommet 1980-1995)• Riktig bruk av sprøytebetong (1995-1997) (63 tunnelar)• Concrete deterioration – sulfate attack/samarbeid med Building

Research Establishment (2000-2003)• Nedbrytingsmekanismar i sprøytebetong (2003-2007)• PhD (2011) – (9 tunnelar)• Moderne vegtunneler (2007-2011) (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 (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)

Page 12: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

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.

Nedbryting (visuelt) er knytta til vasslekkasjar: synleg problem knytta til tynne sprøytebetong-sjikt (< 5 cm). Undersøkte svært mange tunnelar, i ulike miljø

ALUNSKIFERMILJØ IKKJE UNDERSØKT

Page 13: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

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

Page 14: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Kjerner bora gjennom sprøytebetongsjikt, via heftsona og inn i berg

Kjerner for bl.a. strukturanalyse og tradisjonelle betonganalysar.Prøver av laust materiale undersøkt ved XRD, SEM etc.

A

B

C

Page 15: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Nedbrytingsmekanismari norsk sprøytebetong:- M40 til M45 (M50)- Varierande miljø

Merk at omdanning av sementlimet (CSH) og fiberkorrosjon kan forekomme i fleire miljø

S = StålfiberP = Polypropylenfiber

Type nedbryting

Effekt på sementlim

Effekt på fiber Miljø -eksponering

Karbonatisering i luft

Nedbryting av CSH ofte bare i overflata SvekkingPermeabilitet minkar

S: Kraftig korrosjon, rustsprengingP: Ingen effekt

Atmosfærisk CO2

Intern karbonatisering:Popcornkalsitt (PCD)

Nedbryting av CSH Mister styrkeAukar permeabilitetKnytta til utluting

S: Kraftig korrosjon, rustsprenging P: Ingen effekt

Oppløyst HCO3-

i gjennomstrøym-andelekkasjevatn

Utluting Ca lutast ut frå portlanditt og CSH. Mister styrke Aukar permeabilitet

S: Korrosjon som følgjeskadeP: Ingen effekt

Oppløyst karbonsyre, i gjennomstrøym-andelekkasjevatn

Klorid-inntrenging

Som oftast liten S: Kraftig korrosjonP: Ingen effekt

1) Undersjøisk miljø (brakkvatn-saltvatn)2) Tinesalt

Thaumasitt sulfat- angrep (TSA)

Nedbryting av CSHMister styrkeAukar permeabilitetKnytta til utluting

S: Korrosjon som følgjeskade P: Ingen effekt

1) Alunskifermiljø2) Undersjøisk miljø

Syreangrep (H2SO4)

Rask nedbryting Rask styrkereduksjonRaskt aukande perm.

S: Kraftig korrosjonP: Neppe effekt

1) Alunskifermiljø 2) Sulfid og sulfatførande gneis

Magnesium Mg erstattar CSH og fellast som brucitt Mister styrkeAukar permeabilitet

S: Kan gje korrosjonP: Ingen effekt

Undersjøisk miljø, særleg ved høge vasstrykk

Biofilm m/ Fe & Mn bakteriar

Nedbryting av CSH og utfelling av Mn-Fe biomineral

S: Kraftig korrosjonP: Ikkje klarlagt

1) Undersjøisk miljø2) Andre miljø ikkje klarlagt

Mekaniske laster(dynamiske etc.)

Dannar mikrorissPermeabilitet aukar

S: Korrosjon som følgjeskadeP: ikkje klarlagt

1) Ustabil bergmasse i unge tunnelar2) Undersikring

Frost Makro- & mikroriss

S: Korrosjon som følgjeskadeP: Ingen effekt

Fryse-tine syklarFrostmengde

Page 16: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Konklusjonar om nedbryting av sprøytebetong som bergsikring (2000-2015):

● 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 eitkombinert angrep: Mn og Fe bakteriar danner syre, samverkar med klorid, magnesium, thaumasitt)

● U-sjø: g ipsutfelling 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 mikro-opprissing ved underdimensjonering). Må kjenne Q-verdiar + deformasjonsmålingar for å komme nærmare.

Page 17: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

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

Smestad – tinesalt hovudansvarlegHellOverdekning

Karbonatisering: 6-13 mm Karbonatisering: 6-11 mm

Page 18: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

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) /

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

XC2, X0 - Ferskvassmiljø: M40-M45

Eksponert for tunnelluft

Bak hvelv

Page 19: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Undersøkingar i svakt svovelsurt svartskifermiljø (XC2, XA1). pH = 5,1-6,1; sulfat = 100-110 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.

Dårleg heft Permeabel heftsone

God heft

131616

16

1313

13

13

13

Thaumasitt

Page 20: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Alunskifer og svartskifer Oksidasjon av sulfid gir mest aggressivt vatn

● Endringar i grunnvassnivået verkar inn på kjemien til vatn:

● Under grunnvassnivået er det anoksiskeforhold, 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 ≈ 5-6 (ofte 7-8 m/kalkspat som buffer i skiferen)

pH < 2-4 (litt høgare m/kalkspat i skiferen)

Page 21: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

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)

27

13

13

16

22

2

2

22

13

138

8 888 16

Dårleg heft, Permeabel heftsoneOmvandling mot bergmed thaumasitt m.m.God heft - svært liteomvandling mot berg

w/b = 0,40

22

16

Page 22: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Undersøkingar i alunskifermiljø (XC2, XSA)

Bergsikring for varige konstruksjonar!

Dårleg heft, permeabel

God heft

Svartdalstunnelen Pel 385,16 årQ-verdi 0,38-0,95; 15 cm i SVV

Ekebergtunnelen Pel 1820, 22 årEffekt av svelling (Pøyry 2015)

Sikring etter NGI

Sikring etter SVVBegge ved Q = 0.1-1

Eksempelet illustrerer noko av bakgrunnen for Statens vegvesen sin meir konservative sikringsfilosofi = minst 10 cm i aggressivt miljø. Godt nok?

Page 23: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

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 41-46 MPa

Dårleg heft, permeabelGod heft

Sprøytebetong M40 med tykkelse > 10-15 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…….

Page 24: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Åkebergveien 2014: prega av sterk avskaling og oppsprekking (27 år) v/b = 0,5)

Forvitra alunskifer med jarositt: pH = 2-3Svovelsyre angriper heftsona avskaling og aukande omvandling

Intern avskaling og omvandlingAuka sterkt sidan 2000 År 2000

Page 25: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Svartdalstunnelen – Svovelsyre danna ved oksidasjon i alunskifer angriper heftsona bak tynn betong etter 15-16 år (v/b = 0,4).Kva vil skje etter > 50 år med tykkare betong (> 10-20 cm?? )

2014

Monitorområde frå år 2000.Fram til 2006 var dette ok betong (8 år)I 2014: syrepåverknad på heftsona fører til avskaling (senking av grunnvatnetog luft i tunnelrommet gir sulfidoksidasjon)

Jarositt vitnar om at svovelsyre virkar!

2014

Page 26: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

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 560-580 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. 480-500 kg/m3, stålfiber, Al-sulfat (alder: 14 år)● Sløverfjordtunnelen, w/b = ca. <0,45-0,60 PC-rapid (?), SF og muleg slagg, Bindemiddel

antatt 480-500 kg/m3, stålfiber, vannglass (alder: 18 år)

Forsuring i biofilm, Mg, sulfat, Ca-utluting, Clvasstrykk

Page 27: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Undersøkingar i undersjøisk miljø (XC2, XS2, XA3)

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25 30 35

Om

vand

la ty

kkel

se (c

m)

Total tykkelse (cm)

XC2, S2, XA3 - Undersjøisk miljø: M40-M55

Små symbol =god heftStore symbol =høg permeabilitet på heftsona Biofilm (gul): Utan biofilm (grå)

Stålfiberkorrosjon er ikkje svært utbreidd, spesielt der det er god heft

Page 28: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Undersøkingar i undersjøisk miljø (XC2, XS2, XA3)

Komplekse variablar styrerHøg permeabilitet på heftsona samt biofilm gir størstomvandling

Page 29: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Oslofjordtunnelen 16 år – høge kloridverdiar utan vesentlegstålfiberkorrosjon (sugporøsitet ca 20-23 (29) %): Quo vadis?

Totalt 130 cm – dårleg heft

Totalt 40 cm – ok heft

Page 30: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

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 skiferenkan kanskje føre til angrep på heftsona, også der betongen er > 10-15 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

Page 31: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

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 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.

Page 32: Tilstandsutvikling i sprøytebetong som bergsikring i ulike ... · Det er ikkje utvikla testar og modellar for tilstandsutvikling som vi kan støtte oss på ... Seier oftast lite

Takk!