A hidak tartóssága - A vasbeton szerkezetek időállósága

A magyar vasbetonépítés több mint 100 éves. Ez alatt az idő alatt nagyon sok vasbeton szerkezet épült, és üzemel ma is. A sok kifogástalan építmény mellett azonban az utóbbi időkben – elsősorban az olvasztósózásnak kitett közúti hidaknál – egyre több az olyan szerkezet, amelynek időállósága nem megfelelő. A betonanyagú építést kritizálók számára a hídfelújítások gyakoriságával demonstrált csökkent időállóságra való hivatkozás kedvező lehetőség.

A vasbetonépítés kezdeti időszakában úgy vélték, hogy a vasbeton szerkezetek tartósságát a beton anyaga önmagában garantálja, ezért a műszaki szabályozás akkor viszonylag egyszerű volt. Később az erőtani tervezés eszközeinek fejlődésével, az anyagtani és méretezéselméleti ismeretek bővülésével, a feszítési technológia elterjedésével párhuzamosan megindult a szerkezeti méretek erőteljes csökkentése. A fogyasztói társadalommal járó környezeti hatások (pl. a hidak sózása, a savas esők) megjelenése, továbbá a tervezési, kivitelezési, használati hibák együttesen vagy külön-külön azt eredményezték, hogy a fenntartási költségek folyamatosan emelkedtek. A tartóssággal kapcsolatos kedvezőtlen tapasztalatok, illetve a korróziós károk okainak elemzése s azok elkerülésének lehetőségei a szakmai konferenciák állandó témája.

A tartósság csökkenésének legfontosabb okai

A szerkezetek tartósságának csökkenése kárhalmozódási folyamat eredményeként jön létre. A folyamat kialakulhat • belső, kémiai-fizikai-elektrokémiai folyamat (környezeti és mechanikai hatások, különleges terhek, fenntartási problémák) miatt, • szerkezeti hibák (helytelen szerelvények, vízelvezetési hibák) következtében, • atmoszferikus környezet (savak, sók, víz, gázok, betonkarbonátosodás, acélkorrózió, zsugorodás, kúszás) hatására, • erózió (kopás, üregesedés) eredményeként. A tartósság biztosításának legfontosabb feltétele a megfelelő betonstruktúra létrehozása.

A beton alkotóelemeinek és struktúrájának elemzése

A vízmennyiség és a diffúziós együttható

A beton permeabilitásától, azaz a víz- és általában elektrolition-áteresztő képességétől függ az, hogy a korróziós folyamat milyen sebességgel következik be. Megállapították, hogy az oxigénmolekulák és a kloridionok effektív diffúziós együtthatója a víz–cement tényező függvénye. A víz–cement tényező értékének csökkenésével rohamosan csökken a diffúziós együttható. Alacsony víz–cement tényező (v/c = 0,25-0,30) mellett az oxigénion egy nagyságrenddel lassabban, míg a kloridion két nagyságrendnél is lassabban diffundál, mint átlagos víz–cement tényező (v/c ( 0,5) esetén.

A víz–cement tényező csökkenésével a tömörebb betonstruktúra következtében fokozódik az acélbetétek passzivitása is. A vizsgálati eredmények alátámasztják, hogy a vasbetonban a korrózió mechanizmusának kialakulásához és tartóssá válásához a víz- és oxigénmolekuláknak elegendő mennyiségben kell jelen lenniük ahhoz, hogy a vas oxidációjakor felszabaduló elektronok mozgásba jöjjenek, és így a korrózió folyamatossá váljon.

A vízmennyiség és a pórusok

A beton szilárdságának kialakulásához, illetve a cement kémiai kötéséhez szükséges víz–cement tényező v/c = 0,20-0,23. Az ennél több víz pórusképző, és később eltávozik a betonból, létrehozva ezáltal a zsugorodás és kúszás jelenségét. A szabad víz helyfoglalása nyílt pórusrendszert képez. Ennek következtében nagy lesz a beton víz-, illetve ionáteresztő képessége (permeabilitása). A megszilárdult betonban általában 10-20% „fölös” kalcium-hidroxid marad vissza, és ez a pórusokban jelenik meg. Ez a fölös kalcium-hidroxid lesz a beton „rákfenéje”, amelyet a kívülről behatoló víz könnyen kimos, illetve a levegő szén-dioxidjával átalakul kalciumkarbonáttá, és ezáltal csökken a beton lúgossága.

A pórusok és a mikroszilikát

A fölös víz helyfoglalásának következtében nyílt pórusrendszer jön létre. A pórusok mennyiségétől és minőségétől függően nagy vagy kicsi a beton víz- vagy általában ionáteresztő képessége. Mikroszilikát adagolása esetén a szemcseátmérő mikrométer nagyságrendjéből adódik, hogy azok csapágygolyó módjára elősegítik az érdes felületű betonadalékok elmozdulását és ezzel a beton tömörödését. További előny, hogy a mikroszilikát-szemcsék gyakorlatilag teljes keresztmetszetükben átgélesednek, könnyen behatolnak a pórusokba, és ott a kalcium-hidroxiddal ugyanúgy kalcium-szilikát-hidrátot (CSH) képeznek, mint a cement cementáló tulajdonságú komponensei. A mikroszilika hatására így csökken a beton kalcium-hidroxid tartalma is. A mikroszilikát-szemcsék könnyen adnak le és vesznek fel vizet, és így a ,,vízpuffer” szerepét töltik be a beton kialakulásakor. További előnye a mikroszilikátnak, hogy általa erősebb kötések létesülhetnek, mint a hagyományos betonban. A mikroszilikát-gél tökéletesebben be tudja vonni a durva adalékszemcsék felületét, mint a ,,cementgél”, ezért kölcsönhatása is erősebb lesz az adalékokkal. E hatások együttesen tömör betont és magas szilárdságot eredményeznek.

Az adalékanyag

A beton egyik legfontosabb alkotóelemére, az adalékanyagra vonatkozó követelmények a következők: • A betonkeverékbe kerülő cement és adalékanyag tömegét úgy kell megválasztani, hogy azok fajlagos felületei közel azonosak legyenek. • Mosott adalékanyagot kell alkalmazni annak érdekében, hogy a betonkeverék mentes legyen a káros, lágy, víztároló iszaptól és agyagtól. • Az adalékanyag legyen homogén, a szemcsék alakja a bedolgozást elősegítő gömbölyded alakú, továbbá rejtett repedés és az alkáliadalék reakció veszélyének csökkenté- se érdekében a legnagyobb szemnagyság ne haladja meg a 16 mm-t. A beton keverése, bedolgozása és utókezelése • Csupán a kémiai kötéshez szükséges mennyiséghez közeli vízmennyiség adagolása miatt a bedolgozáshoz képlékenyítőszert kell alkalmazni. • A beton kiszáradását – locsolás vagy permetezés helyett – fólia- vagy filctakarással kell meggátolni.

Nagyszilárdságú, nagy teljesítőképességű (HSC/HPC) hídépítési betonok gyártása

A HSC/HPC-betonok készítésének feltételei

Az előzőek alapján megállapítható, hogy a HSC/HPC-betonok ipari méretekben történő hazai előállításának elvi akadályai nincsenek [5]. Annak, hogy hazánkban eddig mégsem terjedt el ennek alkalmazása, sajátos okai vannak. A korszerű betontechnológia eszközszükséglete több vállalatnál lényegében már jelenleg is rendelkezésre áll. Az elmúlt években a Budapesti Műszaki Egyetemen beindított betontechnológiai szakmérnöki képzésben oklevelet szerzettek révén folyamatosan bővülnek a személyi feltételek is. A HSC/HPC-betonok hazai alkalmazásának szabályozási háttere viszont jelentősen elmarad az európai színvonaltól. Ennek legfontosabb oka a HSC/HPC-beton megvalósíthatóságával és megbízhatóságával kapcsolatos bizalmatlanság – a bizalmatlanság elsősorban a gyakorlati tapasztalatok hiányával indokolható. A betonszerkezetek építését ellenzők ezt ki is használják. Ennek eredményeként Magyarországon nagy vasbeton hidak építése (pl. a Dunán) szóba sem kerül, pedig külföldön – éppen gazdaságosságuk miatt – nagy számban építenek hasonló méretű hidakat elsősorban feszített betonból.

HSC/HPC-betonból készülő hídszerkezetek tervezési előírásai

Annak érdekében, hogy a jövőben gazdaságosan építhessünk megfelelő tartósságú vasbeton, feszített vasbeton hídszerkezeteket, szükség van a HSC/HPC-betonból készülő hídszerkezetek méretezésének és megvalósításának szabályozására. A 2002 szeptemberében hatályba lépett Közúti Hídszabályzatban (ÚT 2-3.414 [6]) előforduló legmagasabb beton-nyomószilárdsági osztály a korábbi C35/45-ről C55/67-re emelkedett, továbbá a környezet agresszivitásának mértékétől függően az egyes szerkezeti elemekre minimális beton-nyomószilárdsági osztályok kerültek rögzítésre. Annak érdekében, hogy a mérhetően kisebb beruházási és fenntartási költségeket igénylő HSC/HPC-betonból készülő hídszerkezetek építése hazánkban is elterjedjen, a BME Hidak és Szerkezetek Tanszékén ÁKMI-támogatással folyamatban van egy méretezési előírás kidolgozása, mely a komplex költségek minimumának és a hídszerkezetekre vonatkozó európai szabványok (Eurocode-ok [7]) előírásainak figyelembevételével a HSC/HPC-anyagú szerkezeti elemek tervezéséhez kíván segítséget nyújtani.