Beonfelüleek permeabiliásvizsgálaa Varga Ákos * Témavezeõ: dr. Józsa Zsuzsanna ** 1. Bevezeés A beon egyik legfonosabb, sok más jellemzõjé meghaározó ulajdonsága a poroziás. Dönõ jelenõségû a beon arósságá illeõen. Ökölszabálykén elmondhaó, hogy egy érfogaszázalék pórusaralom kb. 5% nyomószilárdság-csökkenés eredményez. A különféle károsíó anyagok is a kapilláris pórusokon kereszül junak a beonba. Fonos ezér a poroziás ismeree, ami öbbféle módszerrel is vizsgálhaó. A pórusok százalékos arányá mérhejük közvelenül, de a poroziásra kövekezeheünk közvee módon, a beon víz- vagy gázáereszõ-képességének mérésével is. Bár sokféle mérési eljárás és eredmény ismerünk, nincs álalánosan elfogado módszer a beon pórusszerkezeének jellemzésére és ennek a aróssággal való összekapcsolására. Bizonyos vizsgálaok azonban az muaják, hogy a beon levegõ- és vízáereszõ képessége kiválóan jellemzi a beonnak a gáz-, ill. folyadékállapoú agresszív közegek behaolásával szembeni ellenálló képességé, és így egy ado beon poenciális arósságának méréke lehe [1]. A kövekezõkben a BME Épíõanyagok és Mérnökgeológia Tanszéken új mûszerekkel végze permeabiliásvizsgálaok eredményei muaom be. Az egyik eszköz a Torren ípusú vákuumos permeabiliásvizsgáló, a másik a GWT-4000 ípusú vízpermeabiliás-vizsgáló készülék vol. Ezeknek a használaa hazánkban még nem erjed el. A célunk az vol, hogy a jelenleg használaos vizsgálai módszereknél egyszerûbb és gyorsabb, helyszínen is használhaó in siu vizsgálai módo alkalmazzunk. Az elsõ lépés ehá a mûszerek megismerése, elõnyeik és hárányaik érékelése, majd a hagyományos módszerekkel való összehasonlíása vol. 2. A poroziás fogalma A cemenkõ a beon érfogaának harmadá-negyedé eszi ki, nagy poroziású anyag. A pórusoka levegõ, víz vagy valamilyen hidráermék öli ki. A pórusoka a kövekezõképpen oszhajuk fel [2]: Gélpórus: a cemengélben lévõ és a mikrokrisályos hidráermékek közi ér, amely a cemen és a keverõvíz reakciója során kelekezik. A gélporoziás akár 30 V%-o is képviselhe, a pórusok ámérõje 1 10 nm. Kapilláris pórus: eredeileg keverõvízzel ölö ér, ámérõjük 20 nm 10 µm; mennyisége elsõsorban a vízcemen ényezõ, illeve a nedves uókezelés függvénye. Uóbbinak a hidraáció mérékére van kihaása. Légpórus: a pépelíelenség vagy a hiányos ömöríés kövekezménye, mely ponos ervezéssel és megfelelõ kivielezõ munkával elkerülheõ. Méree mm nagyságrendû is lehe. 1. ábra. A víz-cemen ényezõ haása a cemenkõ összeéelére [3] Az 1. ábra a cemenkõ összeéelé muaja a víz-cemen ényezõ függvényében. Ezen láhajuk, hogy míg a gél- és légpórusok aránya közel állandó, a kapillárisok mennyisége a hozzáado víz mennyiségéõl függ. A kapilláris poroziásnak a jelenõsége abban áll, hogy ezeken kereszül lélegzik a beon, i vesz fel, illeve ad le vize. Ezeken a sokszor egymáshoz kapcsolódó pórusokon kereszül junak a korrózió okozó agresszív folyadékok, illeve légszennyezõ anyagok is a beonba. 3. Permeabiliási jellemzõk A vízáereszés az anyagnak azon ulajdonsága, hogy víznyomás haására a víz a pórusokon kereszülhaol és áfolyik. * okleveles épíõmérnök, dokorandusz, Budapesi Mûszaki és Gazdaságudományi Egyeem, Épíõmérnöki Kar, Épíõanyagok és Mérnökgeológia Tanszék **egyeemi docens, Budapesi Mûszaki és Gazdaságudományi Egyeem, Épíõmérnöki Kar, Épíõanyagok és Mérnökgeológia Tanszék 164 Épíôanyag 56. évf. 2004. 4. szám
Valamely állandó kereszmeszeû szûrõn áfolyó vízmennyiség arányos a kereszmeszei felüleel, a nyomással (vízoszlopmagasság), a szûrõanyago jellemzõ érékkel, és fordíva arányos a szûrõréegben mege ú hosszával, vagyis a szûrõréeg vasagságával. A Darcy-örvény alapján a szûrõanyago jellemzõ érék, azaz a k vízáereszési együhaó: Q: az áeresze vízmennyiség, m 3, A : a próbaes kereszmeszei erülee, m 2, : a szivárgás idõarama, s, i: hidraulikus gradiens, i = h/d, h: a nyomás elõidézõ vízoszlop magassága, m, d: a szivárgási hossz, m. A Darcy-örvény feléelezi, hogy a vizsgálandó porózus es merev és homogén, a folyadékáramlás lamináris, és az áramlási sebesség állandó. A beon is felfoghaó úgy, min egy meserségesen elõállío szûrõ, így bizonyos korláokkal ugyan, de a Darcyörvény alkalmazhaó rá. Ahhoz, hogy a különbözõ folyadékok álal vizsgál permeabiliásérékeke összehasonlísuk, szükséges a beonfelüleek K valós áereszõképességé ismernünk, amely csak a beon pórussrukúrájának a függvénye [4]. Ez a kövekezõ egyenleel írhajuk le: Qd η K [m A ( p 1 p 2 ) 2 ] η: a folyadék / a közeg dinamikai viszkoziása (függ a hõmérsékleõl is), p 1 -p 2 : folyadéknyomás-különbség (a beonréeg elõi és uáni nyomás). Gázhalmazállapoú anyagokkal is vizsgálhajuk a beon áereszõképességé. Elvileg a folyékony halmazállapoú közeggel mérhez hasonló K éréke kell kapnunk. Egyes vizsgálaok azonban különbözõ érékekhez vezeek, fõkén kisebb permeabiliású anyagoknál [4]. Ez részben a vizsgáló közeg molekulamére-különbségébõl adódik. A levegõáramlás alapegyenleé Poisseuile íra le [5]: dv d Ebbõl a permeabiliási együhaó: K k Q i A [m/s] ( ) 2 2 KA p 1 p 2 2 µ d p Qd 2 p µ 2 2 A p 1 p 2 ( ) [m 2 ] µ: a légnemû anyag viszkoziása, p: az a nyomás, amin a Q áfoly gázmennyisége mérjük, p 1, p 2 : nyomás a szerkeze egyik, illeve másik oldalán. 4. A beonfedés jelenõsége Egy beonszerkeze elemének eherbírása a eljes elem mechanikai és poroziási jellemzõiõl függ, arósságá agresszív környezei körülmények közö azonban elsõsorban a viszonylag vékony, 20 50 mm vasag felülei réeg minõsége befolyásolja. A beonszerkezee károsíó folyamaok nagyon válozaosak, és a különféle mechanizmusok (fizikai, kémiai, elekrokémiai) gyakran egymásra hanak, így nem várhaó el, hogy a fedõbeon egy vagy ké paraméerének meghaározása elegendõ legyen a arósság elõzees megíéléséhez. Jelenleg nincsenek álalánosan elfogado gyors vizsgálai módszerek a beon permeabiliásának és a különbözõ környezei haásoknak kie beon permeabiliáshaárérékeinek vonakozásában. Valószínû azonban, hogy a jövõben rendelkezésre állnak majd ilyen módszerek, amelyek leheõvé eszik a beon aróssági oszályozásá a permeabiliás alapján. Ez köveõen meghaározhaóak a beon permeabiliásával kapcsolaos elvárások, amelyek a szerkezee érõ környezei haások alapján lesznek oszályozhaók [1]. 5. In siu permeabiliásvizsgálai eljárások 5.1. Vákuumos permeabiliásvizsgála A Proceq gyármányú TORRENT permeabiliásvizsgáló mérõberendezés elsõsorban fedõbeon réeg légpermeabiliásának roncsolásmenes módszerrel való meghaározására fejleszeék ki. A készülék mûködésének elvi vázlaá muaja a 2. ábra [6]. A mérési rendszer alapveõ jellegzeessége a kékamrás vákuumcella és egy nyomásszabályzó, amely bizosíja a felülere merõleges, a belsõ kamrába irányuló légáramlás. Ez leheõvé eszi a K [m 2 ] permeabiliási együhaónak az elmélei modell alapján örénõ számíásá [5]. 2. ábra. Torren permeabiliásvizsgáló készülék vázlaa Épíôanyag 56. évf. 2004. 4. szám 165
A K együhaó a Poisseuile-egyenlebõl, az ideális gázokra vonakozó p V = n R T képle segíségével vezeheõ le [7]: A 2 dp 1 V c 2 d µ p K 4 a p i 1 2 2 A ( p a p i ) ε p d a V c = 681 10-6 m 3, a vákuumcella 0 [m 2 ] és a csalakozó csõvezeék érfogaa, A = 4,65 10-3 m 2, a cella kereszmeszee, µ = 2 10-5 Nsm -2, a levegõ viszkoziása, p a : amoszférikus nyomás, p i : a belsõ kamra nyomása, ε = 0,15 álagporoziás-jellemzõ. A TORRENT légpermeabiliás-vizsgáló készülék méri a vákuumpeneráció méréké is (3. ábra). A vákuumbehaolás L mélysége nem lehe nagyobb, min a mér beonelem vasagsága. ekerésével nyomjuk a vize a vizsgál felülebe. A nyomás érfogacsökkenéssel, a mikrocsavar folyamaos állíásával arjuk állandó éréken. A q vízhozamo ado nyomáson a kövekezõ képleel számíhajuk [8]: Négyféle beonminõsége vizsgálam (jelölés: S1, S2, S3, S4), így 4 9, összesen 36 db 30 30 8 cm-es próbaes készül a permeabiliásvizsgálahoz. Az adalékanyag fajája, szemmegoszlása és a friss beon konziszenciája azonos vol mindegyik beonminánál. Különbség a cemenadagolásban, a víz-cemen ényezõben, illeve az adalékszer hozzáadásában vol. A poroziás, essûrûsége és nyomószilárdságo 150 150 150 mm-es kockákon mérük 28 napos korban (1. ábláza). A próbaeseken elõször a vákuumos permeabi-liásmérõ készülékkel végezem vizsgálaoka, még mielõ a beonq 4. ábra. GWT-4000 ípusú, Germann gyármányú készülék B ( g 1 g 2 ) A 78.6 ( g 1 g 2 ) 3018 0.026 ( g 1 g 2 ) [mm/s] A: készülékállandó, az a kereszmesze, amelyen kereszül a víz ado nyomással a beonba szivárog (a készülék belsõ ámérõje 62 mm), B: készülékállandó, a 10 mm ámérõjû mikroméercsavar felülee, g 1 és g 2 : a mikroméercsavar kezdei és végsõ állása. 3. ábra. TORRENT légpermeabiliás-vizsgáló készülék A vákuumos permeabiliásvizsgáló bármilyen dõlésû síkon alkalmazhaó, ferde szerkezee vagy akár a födém alsó felüleé is mérhejük vele. Az adaoka egy elekronikus egység jelzi ki, memóriájában árolja és onnan számíógépre is menheõ. Mivel a vizsgála roncsolásmenes, a mérés azonos ponon is megisméelheõ, de kb. fél óra szükséges ahhoz, hogy a beon belsejében ismé mindenü a külsõ amoszférikus nyomás uralkodjon. 5.2. A beonfelüle vízáereszõ képességének mérése A GWT-4000 ípusú, Germann gyármányú készüléke a beonok vízbehaolással szembeni ellenállásának mérésére fejleszeék ki (4. ábra), vízszines és függõleges felüleen alkalmazhaó. A hengeres készüléke lecsavarozo szoríópofákkal rögzíjük a beoneshez, melynek megfelelõ apadásá alul ömíõgyûrû bizosíja. A mérés lényege, hogy ado nyomással vize juaunk a beonba. Ehhez a készülék belsejé vízzel megöljük, majd ado nyomással, a csavarmenees fedél be- 6. Kísérleek, mérési eredmények 1. ábláza Kísérlei beonminák fizikai, mechanikai jellemzõi Beonmina Poroziás, V% Tessûrûség, Nyomószilárdság, jele kg/m 3 N/mm 2 S1 11,76 2377 45,89 S2 12,12 2373 44,57 S3 12,22 2366 42,29 S4 14,16 2353 30,48 166 Épíôanyag 56. évf. 2004. 4. szám
felülee a vízáereszési vizsgála benedvesíee volna. Így nem vol szükség az elekromos ellenállás mérésére, amellyel a nedves felüleen mér adaok korrekciója végezheõ el. A 2. ábláza a vákuumos mérés eredményei muaja. Az adaoka álalában percenkén olvasam le, így megvizsgálam a lineariás is, mely kb. 2 perc uán kövekezik be (5. ábra). 2. ábláza Beonminák vákuumos permeabiliásvizsgálaának eredményei Beonmina K, 10-6 m 2 L, mm (vákuum- <50% elérésûek jele peneráció) K álaga S1 0,044 13,1 0,044 S2 0,079 18,0 0,071 S3 0,172 26,5 0,158 S4 1,415 44,2 0,600 A légáereszés mérésénél egyérelmû vol a különbség a különbözõ minõségû beonok közö. Az érékeknek helyenkén nagy vol a szórása, ezér kiszámolam azoknak a mérési eredményeknek az álagéréké is, amelyek K együhaója 50%-nál nem muaak nagyobb elérés az álagól. Érdekes, hogy az S1 jelû beonnál az így kapo álag éppen egyenlõ az elsõkén számol számani középpel, az S2-nél és lényegében az S3-nál is csak kis elérés apaszalhaó. A legnagyobb poroziású S4-es sorozanál volak igen kiugró, az álagól 100 300%-ban elérõ érékek is. I ezek figyelmen kívül hagyásával számolam elsõkén egy álago, majd azon érékekbõl, amelyek eõl 80%-nál nem nagyobb mérékben érek el. Nem meglepõ egyébkén, hogy a legporózusabb beonfelülenél ilyen nagy mérékû az érékek szórása, hiszen i vannak a legdurvább felülei pórusok, üregek a beonban, amelyeknek az eloszlása ugyanakkor nem felélenül egyenlees. Néhány mérésnél valószínûleg sokkal rosszabb, porózusabb vol a cella ala a beon felülee, így nagyon nagy érékeke kapam. A légpermeabiliás-mérés uán végezem a vízáereszõ képesség vizsgálaai a GWT-4000 készülékkel. A mérõmûszer az S4-es sorozanál nem udam megfelelõen alkalmazni, mer ezek a beonfelüleek már nagyon porózusak volak, a ömíõgyûrû melle nedvesedni kezde a beon. Hiába alkalmazam kisebb nyomás, a mérés nem bizonyul megbízhaónak. Bár a szakirodalomban erre az esere is alálunk képlee, az eddigi apaszalaaim nem ámaszják alá a megfelelõ megbízhaóságo. A Germann GWT-4000 vízáereszõ képessége mérõ készülékkel végze vizsgálaok eredményeinek álagéréké a 3. áblázaban foglalam össze. A beszivárgó vízmennyiség különbségei jól muaják az egyes beonok poroziásának az elérésé. 3. ábláza Kísérlei beonok vízáereszõképesség-vizsgálaának eredményei Beonmina jele q, 10-3 mm/s 1 bar nyomásra S1 0,495 S2 0,579 S3 0,922 5. ábra. S3-as kísérlei beonsoroza vízáereszése GWT-4000 készülékkel A kísérlei beonokon végezem mérés Karsen-csöves módszerrel is. Ennek lényege, hogy a Karsen-csöve (üveg mérõpipáka) a függõleges beonfelülere ragaszjuk, és meghaározo felüleen mérjük az idõbeni vízbeszívódás, vagyis hogy ado idõ ala mennyi csökken a vízszin a csõ függõleges szárában. A 4. áblázaban a 26 óra ala bekövekeze vízszincsökkenés adam meg a különbözõ beonokra. A ábláza aralmazza a anszék laboraóriumában számos mérés alapján felállío hozzáveõleges poroziási besorolás is [9]. 4. ábláza Kísérlei beonok Karsen-csöves vizsgálaának eredményei Beon- A beszívódás k, Vízbeszívódási Hozzá armina méréke 26 óra mm/min haárérékek ozó porojele uán, mm ziás, V% S1 12,5 0,008 < 0,04 < 12 S2 18,5 0,012 < 0,04 < 12 S3 78,3 0,050 0,04 0,14 12 15 S4 64,0 0,041 0,04 0,14 12 15 A különbözõ permeabiliási és a poroziásmérés eredményeinek összehasonlíásá az 5. ábláza aralmazza. 5. ábláza Mérési eredmények összehasonlíása Beon- K, 10-6 m 2 q, 10-3 mm/s k, mm/min Poroziás, mina jele (vákuumos (vízáereszõ (Karsen- V% perm. mérés) képesség mérése) csöves mérés) S1 0,044 0,495 0,008 11,76 S2 0,071 0,579 0,012 12,12 S3 0,158 0,922 0,050 12,22 S4 0,600-0,041 14,16 Az 6. ábrán a laboraóriumban mér poroziások függvényében muaom be a három mérés eredményeinek egymáshoz való viszonyá az S1, S2, S3 beonminákon. Mindhárom vizsgála eredményeire hasonló görbe illeszheõ. Épíôanyag 56. évf. 2004. 4. szám 167
6. ábra. Mérési eredmények összehasonlíása: áereszõképesség a poroziás függvényében 7. Összefoglalás A beon egyik legfonosabb, sok más jellemzõjé meghaározó ulajdonsága a poroziás. A poroziás dönõ jelenõségû a beon arósságá illeõen, ugyanis a különbözõ károsíó anyagok a kapilláris pórusokon kereszül junak a beonba. Egy beonszerkeze aróssága a szilárdsága melle elsõsorban külsõ fedõréegének a minõségéõl függ. A felülei poroziás ezér még fonosabb a beon aróssága szemponjából. A poroziás vizsgálaának öbbféle módszere ismer. A poroziás fokára ualnak a beon víz- vagy gázáereszésének jellemzõi. Jelen munkámban ké mûszerrel végze permeabiliásvizsgála eredményei muaam be. Négyféle beonminõsége vizsgálam, hogy a kapo eredményeke megfelelõen udjam érékelni. Mind a négy minõségi oszályban kilenc próbaesen végezem el a méréseke, így már jól jellemezheõek az elérések. A Torren ípusú vákuumos permeabiliásvizsgáló mûszer alkalmasnak alálom beonok légáereszési jellemzõinek meghaározására. Elõnyei közö szerepel egyszerû és gyors kezelheõsége, az elekronikus mérés és adaárolás leheõsége. A GWT-4000 ípusú vízpermeabiliás-vizsgáló készülékkel is sikeres méréseke végezem. Hasonló eredményeke kapam, min az elõzõ mérésnél, de a vizsgála kivielezheõségé nehezebbnek arom, ovábbá alkalmazása a felüle kismérékû roncsolásával is jár. A mérési eredményeke összehasonlíoam a felüle poroziásának meghaározására hagyományosan alkalmazo Karsen-csöves vizsgálaal, a különbözõ módszerekkel hasonló eredmény kapam. A vizsgálaoka a T034466 sz. Felülevédõ anyagok permeabiliása c. OTKA kuaás ámogaásával végezem. Lekorála: Balázs György professor emerius, ny. egyeemi anár. Irodalom [1] CEB-FIP Model 1990, Final Draf d. 5. 3.: Classificaion by Durabiliy [2] Dr. Balázs György: Barangolásaim a beonkuaás erüleén. Akadémiai Kiadó, Budapes, 2001. [3] Wesche, K.: Bausoffe für ragende Baueile 2. Bauverlag GmbH, Wiesbaden-Berlin, 1974. [4] Bamforh P. B.: The relaionship beween permeabiliy coefficiens for concree obained using liquid and gas. Magazine of Concree Research, 1987/3. No. 138. [5] Torren, R. J.: A wo-chamber vacuum cell for measuring Maerials ans Srucures, 1992/7. 25, pp. 358 365. [6] Torren permeabiliásvizsgáló, használai úmuaó, 2000. [7] Torren, R. J.: The Gas-Permeabiliy of High-Performance Concrees. ACI Publicaion, 1999. pp. 291 308. [8] GWT-4000 Insrucion and Mainanance Manual, 1999. [9] Paksi aomerõmû hulladékároló ép. echn. kidolgozása 1. sz. jelenés. BME Épíõanyagok Tanszék, Budapes, 1988. [10] Balázs Gy. Tóh E.: Beon- és vasbeon szerkezeek diagnoszikája I. Mûegyeemi Kiadó, Budapes, 1997. [11] Wimann, H. Folker: Paraphrases on Concree. Aedificaio Publishers, Freiburg, 2001. 168 Épíôanyag 56. évf. 2004. 4. szám