Subert István Okl.építőmérnök, Okl.Közlekedésgazdasági Mérnök Andreas Kft Trang Quoc Phong Doktorandusz, BME, Geotechnikai Tanszék Minőségi változás a közműárok helyreállításban Bevezető A városi vonalas és kommunális létesítmények javítása utáni helyreállítás, visszatöltés minőségében jelentős szerepet játszik a tömörség, mint a süllyedések megelőzésének garanciája. A tömörséget a helyszínen mért sűrűség és a legnagyobb, laboratóriumban meghatározott Proctor sűrűség hányadosaként értelmezzük. Jelentős előrelépés, ha a viszonyítás alapját képező dmax értékét pontosabban be tudnánk határolni, különösen pedig azért, mert ehhez a sűrűséghez tartozó wopt víztartalom környékén hatékony a tömörítés. A földművek, a szemcsés anyagok, a vasúti-, közúti- és vízépítési műtárgyak építőanyagainak egyik legfontosabb paramétere a tömörség (és ehhez tartozó tömöríthetőség), melyet valamennyi európai szabályozás fontos alkalmassági vizsgálatként kezel. A viszonyítási sűrűséget a hazai laboratóriumokban a Proctor-vizsgálatokkal (ez lehet egyszerűsített vagy módosított) végezhetjük el, Proctor-, vagy CBR edényben. Az EN szabványok azonban az utóbbi időben újabb vizsgálati módszereket is megengednek a dmax - legnagyobb száraz sűrűség - viszonyítási sűrűség meghatározására, mint a vibro-hengeres, vibroasztalos és vibrokalapácsos vizsgálatok. A tömörségi fok előírások mellé újabb követelmények, és ajánlások is megjelentek. Az FGSV 516 és az ÚT 2-1.222 ÚME például kötött talajoknál 12% levegőtartalom biztosítását is kéri az előírt tömörségi fok elérése mellett. Ez olyannyira új, hogy a magyar tenderek többsége még teljesen mellőzi ezt az előírást. A tömörség mellett fontos megengedett telítettségre sincs előírás (sem elképzelés), sem a szabványokban, sem a tenderben. Bár az említett levegőtartalom ilyen előírásnak is értelmezhető (a telítettség a víztartalom és a hézagtényező ismeretében számítható), mégsem tekinthető gyakorlatnak. Kivitelezéseknél ma még szokatlannak tekintik a tömörítendő anyag nedvességtartal-mának helyszíni mérését a hengerlés előtt éppúgy, mint az alkalmassági vizsgálatban a beépítési víztartalmi határok megadását. A tömörség eléréséhez továbbá szükség van teherbíró ellenfelületre, megfelelő víztartalomra és elegendő tömörítő munkára. Proctor vizsgálat viszonyítási sűrűség meghatározása Viszonyítási sűrűségként Magyarországon a módosított Proctor-vizsgálat terjedt el, hasonlóan a legtöbb európai országhoz. Az erre vonatkozó vizsgálati előírás az MSZ 14043/7 volt, mely az uniós csatlakozás óta az MSZ EN 13286-2 szabványra változott. Ennek 7.4 pontja szerinti kiviteli mód ajánlott, mint a módosított Proctor-vizsgálat. Az új magyar földmű tervezési előírás, az ÚT 2-1.222:2007 szerint az európai előírásokat tükröző EN 13286-2 szabvány lépett életbe. Ebben már nem csak a döngölős Proctor-vizsgálat, hanem más tömörítést alkalmazó vizsgálati módszer alkalmazása is megengedett. Ilyenek: EN 13286-3 viszonyítási sűrűség meghatározása vibro-sajtolásos módszerrel EN 13286-4 viszonyítási sűrűség meghatározása vibro-kalapácsos módszerrel EN 13286-5 viszonyítási sűrűség meghatározása vibro-asztalos módszerrel Ezek egymással való egyenértékűsége egyelőre nem ismeretes, átszámításuk sem. Várható, hogy ezek nem fognak egyezni a különböző modellhatásuk miatt. Az alapvető feltétel azonban ezek összehasonlításánál, az lenne, hogy a tömörítési munka egyező legyen. Nem kerülhető el, hogy a különböző tömörítési módokkal kapott viszonyítási sűrűségeket ne hasonlítsuk össze, az azonos, vagy annak feltételezett tömörítési munka mellett. Lényeges 1
hangsúlyozni e szempontból, hogy az EN 13286-2-ben számított munkavégzési mennyisége egységesen hibás, és a számítási mód hibájára, tévedéseire időben rá kell világítani. A számítás a döngölő területét úgy veszi figyelembe, mintha az nem a kokilla negyede lenne, hanem azzal megegyező felületet feltételez a döngöléskor, illetve a kokilla feltét magasságát sem veszi tekintetbe, pedig az a tömörítéskor a hengeren helyezkedik el. Számításaink szerint, a módosított Proctorvizsgálat munkavégzése 64,7 mkp/minta, illetve 64,7*9,81 = 634,7 Joule (nem pedig ennak négyszerese). A 116+50mm-es hengermagassághoz 0,7925 mkp/cm 2 felületarányos, illetve 64,7/1356cm 3 = 0,048 mkp/cm 3 térfogatra vetített fajlagos munkavégzés számítható. A módosított értékek hatása a viszonyítás miatt lényeges a dinamikus tömörségmérés munkájának meghatározásakor. B&C dinamikus tömörségmérés Az ÚT 2-2.124 szerinti dinamikus tömörség és teherbírás mérés könnyűejtősúlyos berendezéssel létrehozott tömörödési görbéből határozza meg az adott víztartalomnál jellemző relatív tömörségi fokot, mely a sűrűségtől és annak hibáitól mentes. A berendezés döngölési területe 208,6cm 2, ejtési magasság 75cm, az ejtett tömeg 11kg. A végzett munka egy ejtéssel W=8,25 mkp, a teherbírásra jellemző dinamikus modulus meghatározásához 6 ejtés, míg a tömörség meghatározásához 18 ejtés szükséges. Az ÚT2-2.124 ÚME-ban előírt számú ejtéssel tehát a B&C dinamikus tömörségmérő berendezés 78,1% 100% közötti relatív tömörségi fok tartományban alkalmazható. Mivel a módszer az alakváltozás mérésén alapul, kiválóan alakalmas a közmű helyreállítások minősítésére. Ha ugyanis a 11 kilós ejtősúllyal 18 ejtés alatt is csak kis mértékű benyomódás adódik, nyilvánvaló a megfelelő tömörség, míg ha nagy tömörödési alakváltozási görbe adódik, akkor az a valóságban is be fog következni (bármit is mérünk a sűrűségviszonyítási módszerrel). Proctor-görbe hagyományos jellemzői A szemcsés anyagok, visszatöltésre alkalmazott talajok alkalmassági vizsgálata igen jelentős információkat hordoz a kivitelezés gyakorlati vonatkozásában. Sajnálatos, de a jelenlegi előírások a Proctor-vizsgálatból meghatározott ρdmax viszonyítási sűrűségre sem pontossági igényt nem támasztanak, sem megbízhatósági (tűrési) intervallumot nem adnak meg, (a tömörségi foknál sem). E miatt a viszonyítási sűrűség hibája elérheti a 4-5%-ot is, mely a tömörségmérés más műszerpontossági paramétereivel halmozódva még tovább nőhet. Elemzést végeztünk több anyagra nagyszámú körvizsgálatból (Közlekedéstudományi Intézet 2005 évi Proctor körvizsgálat), mely valóban igen nagy eltéréseket mutatott (1. ábra, 2. ábra) MSZ EN 13286-2:2005 1. Finomszemű homok 2.60 2.40 száraz 1.40 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 w % 1. ábra Proctor körvizsgálat finomszemű homoknál 2
MSZ EN 13286-2:2005 7. Homokos kavics 2.60 2.50 2.40 2.30 száraz 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 w % 2. ábra Proctor körvizsgálat homokos kavicsra Az ábrákból is látható, hogy milyen fontos a Proctor alkalmassági vizsgálatnál, hogy ismerjük a telítési vonalakat, melyek közül kitüntetett a wopt-hoz tartozó telítési vonal (az ábrán például S = 0,88). Eddig legföljebb az S = 1,0; vagy S = 0,9 telítési vonalat számítottuk (A telítési vonalakat a Proctor-vizsgálatból és a hézagmentes anyagsűrűségből lehet számítani). Azt tapasztaltuk, hogy ezek ábrázolása segít a Proctor pontok regressziós görbéjének újszerű értelmezésében is. Proctor-görbe új értelmezése A rendelkezésünkre álló több ezer Proctor-pontot, valamint a körvizsgálatok adatait statisztikai értékeléshez feldolgoztuk (2006 Phong - Subert). Megállapítottuk, hogy az eddig alkalmazott és jellegzetesnek tartott görbék igen gyakran nem helytállóak. A telítési vonalak figyelembe vétele fontosnak bizonyult. Az S = 0,9 telítési vonaltól balra a száraz anyagviselkedés, míg az S = 0,9 telítési vonaltól jobbra jól szétválaszthatóan - a nedves viselkedés jellemző. Bár az elválasztási zóna bizonytalan sávban jelenik meg, határozottan felismerhetően más-más tendenciát jellemez a két ág. Száraz viselkedés A száraz viselkedést az S=0,9-es telítési vonaltól balra eső Proctor-pontok regressziós vizsgálatával végezzük, az enné nagyobb telítettségű Proctor-pontot elhagyjuk a számításból. Ez általában domború, vagy néha homorú görbe, és esetenként egyezik csak az eddigi, általánosan kialakult görbékkel. Ez az új értelmezés a wopt új meghatározására is törekszik, ezért jelentős elméleti megfontolásnak minősül. (Hiba! A hivatkozási forrás nem található.. ábrán pirossal) A dinamikus tömörségmérés megengedett tartománya ebben a száraz tartományban helyezkedik el, a nedvesség korrekciós tényezője is ebből számítódik. 3
MSZ EN 13286-2:2005 y = 0.0003x 2-0.0034x + 1.7389 2.30 R 2 = 0.9643 MSZ EN 13286-2:2005 clay y = -0.0036x 2 + 0.1349x + 0.5661 R 2 = 1 r száraz r száraz 1.50 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 10 12 14 16 18 20 22 24 w% w% 3 (a) homok 3. ábra Proctor görbe új feldolgozási módszerrel 3 (b) agyag Nedves viselkedés A nedves viselkedés görbéjét az S=0,9-es telítettség feletti víztartalmakra vizsgálva azt tapasztaltuk, hogy az mindig jellegzetesen belesimul a telítési vonalak közé és végül közelít S=1 telítettséghez (Hiba! A hivatkozási forrás nem található.. ábra). Kérdés, hogy ez egyáltalán lényeges-e számunkra, miért érdekelhet minket. Az S = 0,95 telítettség fölött ugyanis a tömörítés sem hengerrel, sem a dinamikus tömörségméréssel nem lehetséges, ezért ennek a szakasznak a feldolgozása csak feltételesen és esetenként lehet fontos. Ilyenkor ugyanis már nincs elég levegő a rendszerben a tömörítés végrehajtásához, a víz pedig nem nyomható össze. A szabványok ezért tiltják a telített talajon történő mérést (és tömörítést is). Gyakorlatilag tehát ez a számunkra teljesen érdektelen tartomány határozta meg a Proctorgörbe jobb oldali görbületét, holott nem is jellemző a bal oldali ágra. Ebből következik az a felismerés is, hogy mivel a két ág viselkedése ilyen eltérő, ezek egy görbeként nem vonhatók össze. 4
MSZ EN 13286-2:2005 y = 0.0003x 2-0.0034x + 1.7389 2.30 R 2 = 0.9643 MSZ EN 13286-2:2005 clay y = -0.0036x 2 + 0.1349x + 0.5661 R 2 = 1 r száraz r száraz 1.50 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 10 12 14 16 18 20 22 24 w% w% 4 (a) homok 4 (b) agyag 4. ábra A száraz ág jellemző görbéje az új feldogozási módszerrel Új szemlélet és értékelés: összetett Proctor-görbe Fentiekből látható, hogy a nedvességtartalomtól függő tömöríthetőséget jellemző Proctorgörbe tulajdonképpen nem egy, hanem két jellemző szakaszból áll, mely egy pontban ugyan találkozik, de egymáshoz a két görbének matematikai értelemben semmi köze nincs. MSZ EN 13286-2:2005 y = 0.0003x 2-0.0034x + 1.7389 R 2 = 0.9643 sz áraz 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 w % 5. ábra Hagyományos feldolgozású színuszos Proctor-görbe wopt=13,5% 6. ábra Új módszerrel feldolgozott, szétvágott Proctor-görbe: wopt=17% A száraz-ág görbéje a mért Proctor-pontokból regressziós analízissel számítható. Ez adja a dinamikus tömörség számításához szükséges nedvesség korrekciós tényező víztartalomtól függő görbéjét is ( di / dmax ). Ebben az új feldolgozásban a pontok összekötésével más, a valósághoz közelebb álló görbék keletkeznek. A hagyományos 5
feldolgozással előállt wopt és az új módszerrel meghatározott optimális víztartalom között igen jelentős eltérés lehet ( w%=3,5% optimális víztartalom különbség adódott például az 5. ábra és 6. ábra között). A jobb oldali nedves ág a telítési vonalakba simuló és sokkal egyszerűbben és pontosabban számítható, mint ahogyan mérhető, és teljesen értéktelen számunkra. Ezen a szakaszon (távol a wopt-tól) akár virtuális Proctor-pontok is felvehetők, számítással meghatározva értékeiket. Optimális víztartalomhoz tartozó levegőtartalom és jellemző telítettség Megkerestük az optimális víztartalomhoz tartozó levegő-tartalom és telítettség közötti összefüggést nyolc különböző anyagnál, a körvizsgálatok adataiból. Ez lineárisnak vehető és közelítőleg jól egyezik egymással különböző anyagoknál is, kivéve egy dolomit murvát. A feldolgozott 566 db Proctor eredmény alapján megállapítottuk az optimális víztartalomhoz tartozó levegőtartalom és telítettség közelítő összefüggést, mely R= 0,96 regressziós együttható mellett S r 1 0, 03l -nek adódott, ahol: l a levegőtartalom, S r pedig a telítettségi fok. Jellemző, hogy 12tf%-nál jóval alacsonyabb hézagok adódtak az optimális víztartalomnál (mint jellemző legnagyobb száraz sűrűségnél). Az optimális víztartalomhoz tartozó levegőtartalom és telítettség összefüggése 1.00 telítettség 0.80 0.60 y = -0.03x + 1 R 2 = 0.92 0.40 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 levegőtartalom összes minta Dolomit murva Linear (összes minta) 7. ábra A wopt-hoz tartozó levegőtartalom és telítettség általános összefüggése A rendelkezésünkre álló Proctor-vizsgálati eredmények eloszlása lognormális jellegű volt és a 8. ábrán tüntettük fel. A w opt -nál meghatározott levegőtartalom nagy gyakorisággal, jellemzően az 1-6 tf% tartományba esett. A regresszió-analízisből megállapított összefüggést felhasználva a telítettség S=88 94% között volt, mely a tapasztalattal jól egyező és a B&C dinamikus tömörségmérés gyakorlati alkalmazhatóságában döntő fontosságú. Újra meg kell jegyezzük, hogy az S=95%-kot meghaladó telítettségek esetében sem tömörítés nem lehetséges, sem a dinamikus vizsgálatok nem végezhetők el (sem a nagytárcsás LFWD, sem a kistárcsás LFWD, sem a KUAB). Ezek alkalmazása magas telítettségek esetén kerülendő, mert a víz a dinamikus ütés hatásra nem nyomódik össze. Ezért a dinamikus mérések előtt a telítettséget mindig meg kéne határozni. 6
Az optimális víztartalomhoz tartozó levegőtartalom eloszlása 90 80 70 Telítettség 88 % Telítettség 94% 60 50 40 30 20 10 0 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-24 24-25 8. ábra Az optimális víztartalomhoz tartozó levegőtartalom gyakorisági eloszlása Összefoglalás, megállapítások Az összetett Proctor-görbe új értékelési elméletének elemzéséből vizsgálódásaink alapján az alábbi, alapvető következtetések tehetők: - a wopt jellemzően 2-6% közötti (azaz jóval 12% alatti) levegőtartalommal rendelkezik és általában S=0,88-95 telítettségű - a Proctor-görbe meghatározását nem szabad összevontan elemezni, mivel a száraz ág és nedves ág matematikailag teljesen más, teljesen eltérő viselkedést jellemez. Ha ezt nem vesszük figyelembe, akkor torz, egyes pontjaiban érthetően nem a valóságos tömöríthetőségi viselkedést jellemző görbét kapunk - a két jellemző Proctor-görbe közötti bizonytalan sáv viszonylag kicsi és az S=88-95 telítési vonalak között tekinthető jellemzőnek, mely az új szemlélet szerinti értékelésünket nem zavarja - az S = 0,88-0,95 telítési vonalaktól balra eső Proctor-pontok regressziós analízise a száraz ágra jellemző, azaz a valós építési körülményekkel egyező és a korábbi értékelési módszernél pontosabb, megbízhatóbb görbét ad. A száraz igen száraz tartományban például az új feldolgozási módszer megfejtette a korábbi, úgynevezett színus-hullámos Proctor-görbék titkát, melynek elfogadhatósága többször is vitákat kavart a szakmában - az új értékelési módszerrel az optimális víztartalomtól távoli pontok tömöríthetősége is jól becsülhető - a nedves (jobb oldali) ág külön regressziós-matematikai elemzése gyakorlatilag teljesen értelmetlen. Ilyen telítettségnél sem valós tömörítés, sem dinamikus tömörségvizsgálat nem végezhető, ezért az építési gyakorlatban kerülni kell - A normalizált Proctor-görbe (Trw=ρdi/ρdmax) az anyag tömöríthetőségi viselkedést jellemzi a nedvesség változásának hatására. Ez az úgynevezett nedvességkorrekciós görbe, mely a dinamikus tömörségmérésben a relatív tömörségi fok dinamikus tömörségi fokra történő átszámításához alkalmazunk. Az itt bemutatott módszer alkalmazásával tehát jobb megbízhatósággal számítható a nedvesség korrekciós tényező is - Az új módszer segít a többi (EN 13286-3-4-5) laboratóriumi tömöríthetőségi vizsgálatok majdani összehasonlításában is, mivel a wopt feletti nedves ág értelmezése valamennyi esetben ugyanaz lehet. 7
- a felismerés és az új értékelési módszer végül lehetővé teszi a helyszíni Proctorvizsgálat elvégzését B&C mérőeszközzel, helyszíni tömörítéssel. Számos esetben igen nagy segítség lenne, ha a változó anyagminőség miatti problémák tisztázása azonnal, a helyszínen lehetséges lenne. 1.05 1.05 1.00 1.00 0.95 y = -0.0008x 2 + 0.0183x + 0.8969 R 2 = 0.9991 0.95 y = 0.0002x 2-0.0019x + 0.9824 R 2 = 1 0.90 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0.90 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 9. ábra Egy nedvesség-korrekciós tényező számítása a régi módszerrel 3. ábra Ugyanennek a nedvesség-korrekciós tényezőnek a görbéje az új módszerrel Az új Proctor-görbe értékelési módszer alapvetően megváltoztatja a ρdmax behatárolását, a tömörségi fok jobb becslési pontosságát, növelve a viszonyítási sűrűség megbízhatóságát. Ezzel jobb pontosságot nyújt valamennyi tömörségméréshez, köztük a B&C dinamikus tömörségméréshez, a Trw nedvességkorrekciós tényező és görbe meghatározásához is. Szakirodalmi jegyzék - FGSV 516:2003 Merkblatt für die Verdichtung das Untergrundes mit Unterbaues im Straßenbau. - Measuring Method for Dynamic Compactness & Bearing Capacity with SP-LFWD CWA 2007-12-26. - MSZ EN 13286 2 Kötőanyag nélküli és hidraulikus kötőanyagú keverékek 2. Vizsgálati módszerek a laboratóriumi viszonyítási térfogatsűrűség és víztartalom meghatározására. Proctor-tömörítés. - MSZ EN 13286 3 Kötőanyag nélküli és hidraulikus kötőanyagú keverékek 3. A laboratóriumi viszonyítási térfogatsűrűség és víztartalom vizsgálati módszerei. Vibrosajtolás szabályozott paraméterekkel. - EN 13286 4 Kötőanyag nélküli és hidraulikus kötőanyagú keverékek 4. A laboratóriumi viszonyítási térfogatsűrűség és víztartalom vizsgálati módszerei. Vibrokalapács. - ÚT2-2.124 Dinamikus tömörség- és teherbírás mérés kistárcsás könnyű-ejtősúlyos berendezéssel - Dr Pusztai József Dr Imre Emőke Dr Lőrincz János Subert István Trang Quoc Phong: Nagyfelületű, dinamikus tömörségmérés kifejlesztése helyazonosítással és a tömörítő hengerek süllyedésének folyamatos helyszíni mérésével. COLAS jelentés 2007. - Subert I. - Phong T.Q.: Proctor-vizsgálatok új értelmezési lehetőségei Mélyépítéstudományi Szemle 2007 - Király Á. - Morvay Z.: Földmunkák minősítő vizsgálatainak hatékonysági kérdései Magyarországon - Subert: Method for measuring Compactness-rate with New Dynamic LFWD. XIII. Danube- European Conference on Geotechnical Engineering Ljubljana, Slovenia, 2006 - Subert I.: Dinamikus tömörségmérés a hazai autópályákon és városi helyreállításokon Geotechnika Konferencia 2006 Ráckeve. (2006. október 17-18.) - Fáy M. - Király Á.: - Subert I.: Közúti forgalom igénybevételének modellezése új, dinamikus tömörség- és teherbírásméréssel. Városi Közlekedés 2006 8
- Fáy M. - Király Á.: - Subert I.: Egy földmű-tömörségi anomália feltárása és megoldása. Mélyépítéstudományi Szemle 2006 - Subert I.: Dinamikus tömörségmérés aktuális kérdései. A dinamikus tömörség mérés újabb tapasztalatai Geotechnika Konferencia 2005 Ráckeve. (2005. október 18-20.) - Subert I.: Új, környezetkímélő, gazdaságos mérőeszközök a közlekedésépítésben Geotechnika Konferencia 2004 Ráckeve. (2004. október 26-27.) - Subert I.: A dinamikus tömörség- és teherbírásmérés újabb paraméterei és a modulusok átszámíthatósági kérdései Közúti és mélyépítési szemle 55. évf. 2005. 1. sz. (5 oldal) - Subert I.: B&C dinamikus tömörségmérés Mélyépítés 2004 október-december (p.:38-39). - Subert I.: B&C egy hasznos társ Magyar Építő Fórum 2004/25 szám (p.:36. oldal). 9