A 3.1/2004 ÉME szerinti földm tömörségi elírások értékelése és módosítási javaslat METROBER Kft Subert István Minségellenrzési vezet Az NA Rt felkérésére felülvizsgáltuk azokat az észrevételeket és tapasztalatokat, amelyek a 3.1/2004 ÉME NA Rt által kibocsátott Mszaki Feltételek elírásainak betarthatóságával kapcsolatosan munkánk során felmerült. A folyamatban lév autópálya építések már számos következtetés levonását teszik lehetvé, elssorban a földmvek szigorú elírásaival kapcsolatosan. Elemeztük elször azokat a lehetségeket, melyek a tömörségmérés pontosabbá tételéhez szükségesek, illetve rendelkezésünkre állnak, vizsgáltuk másrészt a tömörségi határértékek teljesíthetségét az anyagjellemzk és fizikai törvényszerségek figyelembevételével. Nem tartottuk szükségesnek annak elemzését, hogy a fokozott tömörítés a beépítési víztartalom határokat miként szkíti, valamint hogy a tömöríteszközök teljesítménye hogyan növelhet, mert ezek megítélése a szakmában jelenleg is egységes és korrekt. Elemzésünk kiterjed az NA Rt tenderkiírásaiban már szerepl, dinamikus tömörségmérésre vonatkozó ÚT 2-2.124 ÚME alkalmazására és elnyeire is, mely egy jóval pontosabb és alternatív mérési módszert jelent az Európában ma már mellzött izotópos tömörségméréssel szemben. A dinamikus tömörségi fok A tömörségi fokot egy új módszerrel, a süllyedési amplitúdókból képzett alakváltozási görbébl határozza meg az ÚT 2-2.124 ÚME szerinti mérés, dinamikus méreszközzel. A B&C (Bearing Capacity & Compaction Rate Tester) egy speciális könny-ejtsúlyos mérberendezés, melynek kölönbözsége elssorban a tárcsa méretében rejlik. A 163mm átmér miatt a tárcsa alatt 0,35 MPa tárcsa alatti terhelés jön létre, pont annyi, mint a földmveknél alkalmazott statikus teherbírás mérésnél! 1
A száraz srségek arányából meghatározott hagyományos (pl izotópos) Trρ% tömörségi fok levezetheten azonos ezzel a Trd% dinamikus tömörségi fokkal, mely a TrE% helyszíni relatív tömörség és a Trw nedvességkorrekciós tényez szorzata. A relatív tömörségi fok (TrE%) nem más, mint az adott víztartalom mellett elért helyszíni tömörségi fok, az adott víztartalom mellett elérhet legnagyobb tömörítéshez viszonyítva. A legegyszerbb megérteni a helyszíni relatív tömörség fogalmát a Proctor-vizsgálatból, ahol a választott víztartalommal adott munkával betömörített minden Proctor-pont relatív tömörsége 100%. A helyszínen tömörített réteget tehát ehhez viszonyítjuk. A nedvességkorrekciós tényez (Trw) értéke ekkor az ρdi/ρdmax/100, azaz a Proctorvizsgálatban a számított Proctor-tömörségi fok százada. Mivel wopt-nál a relatív tömörség szintén 100% de a Trw=1, emiatt a wopt-ban a Trρ%=TrE%*Trw=100% minden esetben). A Trw nedvességkorrekciós tényez tehát a Proctor-görbe normalizált (azaz ρdmax-szal osztott) alakja. Alapelv, hogy minden anyag nedvességkorrekciós görbéje (lásd 1.sz. ábra) a wopt%-nál=1,0 és csak görbülete változó! A Trw görbe pontos egyenletének meghatározásakor a mérési eredmények természetes szórása miatt ugyanazon anyagból ajánlott több vizsgálatsorozatot (2-3*5 pont) végezni és ezeket egyben feldolgozni, regressziós analízissel, a kell megbízhatóság biztosításához. Fentiekbl következen a dinamikus tömörségmérés olyan gyakorlati elnyökre képes, mely a kivitelezést jelentsen megkönnyíti és rutinszer döntéseket tesz lehetvé. A kijelzett paraméterek alapján egyértelmen eldönthet, hogy kell-e (lehetséges-e) még további tömörítés, vagy éppen a tömörítést meg sem szabad kezdeni, mert az anyag magas, vagy túl alacsony víztartalma miatt 100% relatív tömörségnél sem érhet el az elírt tömörségi fok. A dinamikus tömörségmérési módszer lényeges eleme, hogy a Proctor-vizsgálattal azonos munkával a tömörítést mindig a helyszínen, az adott anyagon, újra és újra elvégzi minden mérésnél. Ez a mérési módszer pontosságát jelentsen emeli, a napi gyakorlati munkavégzést pedig, rendkívül 2
biztonságossá és megbízhatóvá teszi. A berendezés kis mérete, könny kezelhetsége, nagyban segíti széleskör alkalmazhatóságát az építipar teljes területén. Fontos, hogy a dinamikus tömörségmérés nem használ az egészségre és környezetre káros izotópforrást. Egészségügyi és környezetvédelmi elnyei miatt a 2003-as Genfi Találmányi Világkiállításon aranyérmet kapott. 2.sz ábra Tömöségi fok és térfogatváltozás egyesített összefüggése öt különböz anyagnál Tömörségi fok és alakváltozás mm összefüggése n=150 db y = -0,3642x + 100 Tömörségi fok Trd% 100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 80 79 78 77 76 75 R 2 = 0,9967 y = 0,0013x 2-0,3934x + 100 R 2 = 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 alakváltozás mm A Proctor-féle vizsgálatból korrekt módon levezethet az az összefüggés, mely a tömörségi fok és a térfogatváltozás regressziós analízisének, a közelít görbe együtthatójának figyelembevételén alapul. A süllyedési amplitúdók különbségébl, az egy helyre mért ejtések 3
számával súlyozott átlagából és az anyag Proctor-vizsgálatából számított Trd%-dl összefüggés felhasználásával képezhet a relatív tömörségi fok. Ezt az ÚT 2-2.124 módosításában alternatív módszernek nevezett változat több szempontból is kedvezbb. Mivel az els ejtés süllyedési értéke nem bír akkora jelentséggel, a tárcsa-elhelyezési, illeszkedési és felfekvési problémákból származó hiba lehetsége jóval kisebb. A paraméter, mint meredekség, pontosan is meghatározható a Gsz=constans Proctormodellben az egyes víztartalmakhoz tartozó térfogatkülönbségek és a Proctor tömörségi fok (100*di/dmax) lineáris összefüggésébl. A 2. ábrán példaképpen bemutatunk öt különböz típusú anyagból, egyenként 10-10 Proctor-vizsgálatból, azaz összesen 150 db Proctor-mérési pontból számított összefüggést, ahol a lényeges anyagi és srségi különbségek ellenére a térfogatváltozástömörségi fok összefüggés lineáris együtthatója 0,3642-nek adódott R 2 =0,9967 regressziós együttható mellett. Ez a dinamikus tömörségmérés, mint vizsgálati módszer függetlenségét mutatja a srségtl, mely más tömörség-mérési módszerekre egyáltalán nem jellemz. A dinamikus tömörségmérés 2005 évi ÉME módosításának nagy újdonsága, hogy bevezette az egyszersített tömörségmérés fogalmát. Mivel korábban 18 ejtés volt szükséges a méréshez, nem aratott osztatlan sikert a laboránsoknál. Az új módszer az egyszersített üzemmódban a valós tömörítettségtl teszi függvé a még szükséges ejtések számát, a tömörödési görbe alakjának figyelésével. Az els kilenc ejtés után kezdi figyelni a program a feltétel fennállását, teljesülésekor pedig az utolsó két pontból képzett meredekséggel képzi a hiányzó adatsort. A helyettesítés miatt az így számított tömörségi fok kissé rosszabb, mint a teljes sorozattal számított, így az elhanyagolás mindig a biztonság javára történik. Nedvességkorrekciós tényez fogalma és alkalmazása az izotópos méréseknél Az ÚT 2-3.103 és MSZ 15320 szerinti radiometriás tömörségmérések a száraz srség és a Proctorvizsgálattal meghatározott ρdmax arányából határozzák meg a Trρ% tömörségi fokot (mely azonos a Trd% dinamikus tömörségi fokkal). Mivel a Trd% tömörségi fok a TrE% helyszíni relatív tömörség 4
és a Trw nedvességkorrekciós tényez szorzata, ezért az izotópos mérési eredménybl is számítható az izotópos relatív tömörségi fok: TrEiz%= Trρ% / Trw kifejezéssel. A TrE% helyszíni relatív tömörség nem más, mint az adott víztartalom mellett elért helyszíni relatív tömörségi fok, mely a végzett hengerlési munka hatékonyságának mutatója. Ha ez alacsony, rá kell küldeni a hengert még további néhány járatra. 1.sz ábra Trw nedvességkorrekciós görbék Trw javított földm (mar+h) M7 y = -0,0018x 2 + 0,0222x + 0,9311 R 2 = 1 Trw <=1,000 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 w% Trw földm homokliszt M7 y = -0,0016x 2 + 0,0292x + 0,8666 R 2 = 0,9586 Trw <=1,000 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0,88 0,86 0,84 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 w% 5
Trw HK védréteg M7 y = -0,0036x 2 + 0,0366x + 0,9074 1,00 R 2 = 1 Trw <=1,000 0,95 0,90 0,85 0,80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 w% A számított nedvességkorrekciós tényez (Trw=ρdi/ρdmax) is igen fontos, és kizárólag csak az anyag nedvességtartalmától függ. Ebbl azt látni, hogy az adott wt nedvességtartalom mellett hány %-kos tömörséget lehet elérni, azaz tökéletes hengerlés esetén is maximum mekkora tömörségi fokot tudunk elérni. Ha a Trw értéke mondjuk a helyszínen mért wt% víztartalomnál csak 0,922 akkor a Trρ% = TrEiz%*Trw miatt (a legnagyobb 100% relatív tömörségi fok esetén is) csak 100*0,922=92,2% tömörségi fokot lehet legföljebb elérni a helyszínen, azaz 95%-ot semmiképpen. A nedvességkorrekciós tényezbl meg lehet mondani elre, hogy a leszállított (vagy kibontott) anyag egyáltalán alkalmas-e az adott tömörségi fok elérésére, vagy majd nedvesíteni, esetleg szárítani kell azt. Emiatt a nedvességkorrekciós tényez megadása az alkalmassági vizsgálat része kell legyen. Nyilvánvaló az is, hogy ha az izotópos mérések eredményeibl 100%-nál nagyobb relatív tömörséget kapnánk, az csak hibás mérés lehet, ezért a módszer az amúgy gyenge megbízhatóságú izotópos mérési mód ellenrzésére is alkalmas. Víztartalom mérés hatása az izotópos mérés pontosságára Érdekes következtetésre vezet egy másik szempont vizsgálata is az izotópos mérési módszer körül. Mint ismeretes, az izotópos berendezések egyik izotópja a nedves srséget méri (ez hitelesített), 6
míg a másik a víztartalmat határozza meg (ez csak kalibrált). Hogy a mért víztartalomnak mekkora a jelentsége, azt az alábbi példán mutatjuk be: Legyen a ρdmax=2,21g/cm 3 és a mért nedves srség ρn=2,18 g/cm 3 mint egy hitelesített izotópos mérberendezéssel mért helyszíni eredmény. A száraz srség ebbl ρdi=ρn*(1/(1+w)), melyet különböz víztartalmaknál az 1.sz. táblázatban számítottuk. 1.sz táblázat A víztartalom hibájának hatása a tömörségi fokra wt% 1/(1+w) ρdi Trρ% számított Trρ% hiba 2 0,980 2,137 96,7% + 4,1% 4 0,962 2,096 94,8% + 2,2% 6 0,943 2,055 93,0% + 0,4% 7 0,935 2,037 92,2% - 0,4% Megállapítható, hogy az alacsonynak mért víztartalom elnyös a jobb eredményhez, mert akkor magasabb a tömörségi fok. Mivel a víztartalom mérése nem hitelesített, igazán nem is tudjuk mekkora eltérése lehet. Néhány mintát leellenrizve szárítószekrényben, gyakorinak találtuk a 2-3%-os eltérést, de magasabb víztartalmaknál 6-10%-os eltérést is tapasztaltunk! Ha jelen példában a valós víztartalmat wt%=6,5%-nak és a mért tömörséget Trρ%=92,6%- nak feltételezzük, akkor a szemünknek oly megszokott alacsony víztartalmak miatti eltérés a tömörségi fokban elérheti a 4-5%-ot(!). A nedvesség pontos mérése tehát igen fontos, ezért egyre több laboratórium tér át a víztartalom helyi mérésére, más módszerrel. A dielektromos álladó elvén történ víztartalom meghatározás például az amerikai T-90 Trident nedvességmérvel 1% pontosságú. A példa igen jó annak bemutatására is, mekkora a jelentsége egy jó nedvességtartalom mérnek a mszaki ellenrök kezében, melyet a METROBER már két éve folyamatosan alkalmaz. Megjegyezzük, hogy példánkban csak egy paraméter, a víztartalom mérés hatását mutattuk be a tömörségi fok számított értékére, mely a Proctor-srség (viszonyítási srség), és a nedves srség mérési hibájával halmozódva akár Trρ% = +/- 6%-ot is elérheti. 7
Emiatt a 97%-os tömörségi elírás izotópos mérberendezéssel gyakorlatilag mérhetetlen, mert azt a mérés pontatlansága jelentsen meghaladja. A viszonyítási srség meghatározásának alternatívái Az új MSZ EN európai szabványok hazai megjelenésével az eddig használt dmax fogalma is viszonyítási térfogatsrségre változott. Az eddig használt Proctor-vizsgálat új szabványa mellett (MSZ EN13286-2) már lehetséges a valóságos hengerlési munkához közelebb álló modellhatású módszerek, például a vibrosajtolásos (MSZ EN13286-3), a vibrokalapácsos (MSZ EN13286-4), vagy a vibroasztalos (MSZ EN13286-5) viszonyítási térfogatsrség meghatározása is, melyek összehasonlítása újdonságuk miatt eddig még senkinek sem volt lehetséges, de valójában hamarosan elkerülhetetlen lesz. Az izotópos mérések amúgy is vitatott pontosságát a több módon meghatározható és egymástól várhatóan igen eltér viszonyítási srségek káosza végleg fel fogja borítani. Megjegyzend, hogy a dinamikus tömörségmérés módszere a vibrokalapácsos módszerhez igen hasonló. A helyszínen elvégezhet tömöríthetségi gyorsvizsgálat is kifejlesztés alatt áll a viszonyítási térfogatsrség meghatározására. A térfogatváltozáson alapuló mérés igazoltan független az anyag típusától, amellett jóval pontosabb módszer is. A tömörségi fok meghatározása egyéb hagyományos módszerekkel Az nyilvánvaló, hogy a rendelkezésünkre álló laboratóriumi mérési módszerekbl a valós tömörítéshez legközelebb állókat kell majd alkalmazzuk, legalábbis a mérés modellhatása közel azonos kellene legyen a valós hengerléssel. A dinamikus tömörségmérés e vizsgálati módszerekkel 8
meghatározott Trw nedvességkorrekciós görbe meghatározására korlátozódik és érdektelen (!) a térfogatsrség abszolút értéke. A dinamikus tömörségmérés megjelenésével már nem tekinthet közvetlen módszernek a korábbi kiszúróhengeres, homokkitöltéses, gumiballonos módszerek egyike sem, mert mindegyikük a térfogatsrség mint a tömörség számításához szükséges közvetett érték meghatározására törekszik. A tömörségi fok számítása ezeknél sajnos ugyanúgy tartalmazza a viszonyítási térfogatsrség (dmax) hibáját, mint az izotópos mérésnél. E régi módszerek nem népszerek sem itthon, sem külföldön lassúságuk és macerás manualitásuk miatt. Az ÚT 2-3.103 és újabban az MSZ 15320 szerinti izotópos mérésünk elterjedt hazánkban, összes hibájával és közismert pontatlanságával együtt. Az izotópforrás alkalmazása és egészségügyi kockázata miatt azonban Európában nincs jövje ennek a mérésnek. Dr. Szepesházi Róbert úr MAÚT Útügyi Konferencián 2004. április 27-én elhangzott hozzászólásában már jelezte, hogy az FGSV 516 ajánlásában (Merkblatt für die Verdichtung des Untergrundes und Unterbaues im Straßenbau) már nincs benne az izotópos tömörség-mérési módszer. Meggyzdésünk, hogy szabványaink és vizsgálati módszereink a jövben nagyobb kritikát kell elviseljenek, kiálljanak, mint eddig. Nem tarthatók meg olyan elírások és vizsgálati módszerek, melyek gazdasági, vagy egészségügyi, környezetterhelési kockázattal bírnak, st esetenként már akár kimutatható károkozással járnak a kivitelezésben. Az ISO szerint minsített - és valóban minségi munkára törekv - kivitelezk, az igen szkre szabott határid miatti feszes organizáció, valamint a késésre-hibákra hegyezett fül politikai hangulat nem tri meg a bizonytalanságot. Szakmailag korrekt, megalapozott, megfelel mérési pontosságú módszerek alkalmazása szükséges, melyek nem vethetk el csak azért, mert újak. 9
Megépíthet-e az autópályák földm-fels rétegén a 97%-os tömörségi fok? A 3.1/2004 ÉME az új típusú autópálya szerkezetek alatti egyméteres vastagságban a földm tükörre elírja a Trρ%>=97%-0% tömörségi határérték alkalmazását. Látni kell, hogy az izotópos tömörségmérés a bemutatottak miatt a tömörség +/-2% pontosságú meghatározására alkalmatlan. A dinamikus tömörségvizsgálat ilyen pontosságú mérésre ugyan alkalmas lehet, mégis fel kell tegyük magunknak a kérdést, hogy az adott víztartalmakkal és tömörít eszközökkel egyáltalán megépíthet-e az autópályák fels rétegeire elírt 97% tömörségi fok? Az elzekben tárgyalt relatív tömörségi fok és a nedvességkorrekciós tényez érzékenységét és jelentségét ilyen vonatkozásában elemezzük. A földm fels 1,0m fels 0,5m részét vizsgálva, induljunk ki abból, hogy a különlegesen jól tömöríthet homokos-kavics anyag alkalmazása itt szigorúan el van írva. A Trρ%>=97-0% tömörségi követelményt intenzív tömörítéssel a következ módokon érhetjük el: a.) A Trd% tömörségi fok akkor lehet az elvárt 97% felett, ha az elért TrE% helyszíni relatív tömörség 97-100% közötti és a nedvességkorrekciós tényez Trw = (Trd% / TrE%) = 1,00-0,97 közötti. Ezt is csak úgy, ha a relatív tömörség a 100% felé tart, illetve a Trw 0,97 felé. Ennél gyakoribb eset lehet, ha a relatív tömörség eléri a 98% értéket, és a Trw= 0,99 érték legalább. Ez a homokos kavicsok Proctor görbéit tekintve általában a wopt%+/-1,5% tartomány, mely olyan szk, hogy gyakorlatilag - tartósan - NEM állítható el. b.) Másik eset lehet a tökéletesebb tömörítés (pl nagyobb, korszerbb henger), amikor a relatív tömörség 99-100% közötti, ekkor a Trw legalább 0,98 kell legyen. Ez a homokos kavicsok esetében általában a wopt% +/-2,5% beépítési víztartalom tartomány, mely gyakorlatilag is elállítható. Ehhez tehát elegend a hagyományos tömörít eszközök leváltása korszerbbekre. Látni kell, hogy igen messze vagyunk a tenderekben megengedett wopt+/-5%-tól!!! 10
Mindezeket megvizsgálva a földm fels 1,0m alsó 0,5m részére - mivel itt különlegesen jól tömöríthet homokos-kavics anyag alkalmazása nincs is elírva - teljesen reménytelen teljesíteni a Trρ%>=97%-0% tömörségi követelményt bármilyen intenzív tömörítéssel, bármilyen pontos méréssel. Összefoglalva: az autópályákra elírt tömörségi követelmény a szabad ég alatti kivitelezési körülményeket, a talajok természetes víztartalmát, a közelít beépítési technológiákat is figyelembe véve, maximális tömörítési technikával, megfelel anyagokkal, a földm fels 1,0 méterének fels 50cm-es rétegben, homokos-kavics jelleg, igen jól tömöríthet, alig görbül Proctor-görbéj anyagokkal Trd%>=97% (-2% az esetek maximum 20%-ában megengedve) tartható be szerintünk reálisan, a méréstechnikai megfontolásokat alapelvnek tekintve. A földm fels 1,0m alsó 0,5m részében - mivel itt a homokos-kavics jelleg anyagok alkalmazása már nem elírás - teljesen reménytelen tartósan teljesíteni a Trd%>97-0% tömörségi fok követelményt, maximális tömörítési technikával és megfelel, jól tömöríthet szemcsés talajokból is legföljebb csak Trd%>95%-0% elírás tartható be biztonsággal, a fenti, egyszer méréstechnikai megfontolások alapján is. Budapest 2005-06-22 11
Szakirodalmi jegyzék 1.) Dr. Kézdi Á.: Talajmechanika I. TK. Budapest 1972. 2.) Tömörség- és teherbírásmérés könnyejtsúlyos berendezéssel K+F Jelentés Budapest ÁKMI Kht. 3810.5.1/2002 Témafelels: Subert István 3.) ÚT 2-2. 124:2003 Útügyi Mszaki Elírás Dinamikus tömörség- és teherbírásmérés könny ejtsúlyos berendezéssel 4.) Subert I.: Dinamikus tömörség- és teherbírásmérés könny ejtsúlyos berendezéssel Közúti és Mélyépítési Szemle 53.évf. 2003 5.szám. p.:184-191 5.) Subert I.: A dinamikus tömörségmérés tapasztalatai 31. Útügyi Napok Gyr 2003, 3. szekció. p.: 10. 6.) Subert I. Dinamikus tömörség- és teherírásmérés könnyejtsúlyos berendezéssel Közúti és mélyépítési szemle 2003/2 7.) Subert I.: Dinamikus tömörségmérés alkalmazásának újabb tapasztalatai Geotechnika 2003 Konferencia Ráckeve 8.) Subert I.: Dinamikus tömörségmérés környezetbarát, új mérés a mélyépítésben Mélyépítés 2003 p.:36.- 37. 9.) Subert István: Dinamikus tömörségmérés alkalmazásának tapasztalatai és elnyei 31. Útügyi Napok Gyr, Építés-Technológia szekció 10.) Subert I.: B&C dinamikus tömörségmérés megbízható minség a mélyépítésben Mélyépít-tükörkép 2004 p.: 11.) dr Fay P: Az új B&C teherbírás- és tömörségmér készülék Magyar Elektronika 2004/6.szám p.:46-47 12.) Subert I.: Új, környezetkímél, gazdaságos méreszközök a közlekedésépítésben Geotechnika 2004 Konferencia Ráckeve 13.) Subert I.: B&C dinamikus tömörségmérés Mélyépítés 2004 október-december p.:38-39. 14.) Subert I.: B&C egy hasznos társ Magyar Épít Fórum 2004/25 szám p.:36. 12