Miért is készült könnyűbetonból az ideiglenes pályaburkolat a Margit-hídon?

A budapesti Margit-híd felújításáról sokat olvashatunk, hallhatunk. A híradások legnagyobb része a határidőkről, a költségekről, a közlekedési kellemetlenségekről szól. Műszaki kérdésekről ritkán esik szó, pedig a feladat nem mindennapi és a megoldások sem szokványosak. A tervezés-kivitelezés a mérnöki tevékenység teljes területét felölelő, mintegy 20 szakág összehangolt munkáját foglalja magában. A beruházás számos forgalmi újítást és műemléki rekonstrukciót is jelent a híd szerkezeti felújításán túl. (Eredeti tervlap látható az 1. képen, a híd felújítás utáni keresztmetszete pedig a 2. képen.)

 

1. kép: Eredeti tervlap

 

2. kép: A Margit híd keresztmetszete a felújítás után

 

A felújítási munkák tavaly augusztusban kezdődtek meg. Alapvető feltétel volt, hogy a közösségi közlekedést a hídon fenn kell tartani a munkálatok teljes ideje alatt, ezért a híd hosszában kettéválasztva, két ütemben épül át.

A felújítás első ütemében a forgalmat a déli oldalra kellett terelni. Az aszfalt rétegek lemarása (3. kép) után a meglévő vasbeton pályalemezre épültek meg az ideiglenes villamosvágányok (4. kép).

 

3. kép: Aszfaltmarás

 

4. kép: Ideiglenes vágányok lefektetve

 

A sínszálak közötti részt fel kellett tölteni a sín magasságáig, hogy a buszok és a megkülönböztető jelzést használó járművek is tudjanak közlekedni. A hídra több megoszló terhet nem lehetett tenni, mint amennyi előtte is volt rajta. A lemart aszfaltburkolati rétegek vastagsága 12 cm volt, a visszaépítendő burkolat vastagsága pedig átlag 20 cm körüli (kiegyenlítő acéllemez + a sín magassága).

A tenderterveken a tervező ezt – a fa kis önsúlya miatt – faburkolattal oldotta meg, mely szerint 10*10 cm keresztmetszetű fa gerendákat kellett volna elhelyezni két rétegben. Az alsó rétegben a híd hossztengelyével párhuzamosan futottak volna a gerendák, úgy hogy a gerendák között 10 cm-es hézagok vannak. A felső rétegben pedig a gerendákat 1-2 cm-es hézaggal szorosan egymás mellé a hídtengelyre merőlegesen kellett volna elhelyezni. Ez kb. 450 m3 faanyagot jelentett volna; erre a mennyiségre már mindenkiben feltámad a környezetvédő... Sokan úgy érezték, hogy ezen változtatni kell. A változtatás mellett szólt még az a korábbi hídfelújítási tapasztalat is, hogy az ideiglenes faburkolatnál nagymértékű a fenntartási javítási tevékenység a közlekedés zavartalan biztosításának érdekében; a téli időszakban pedig kifejezetten balesetveszélyes.

A szerződés aláírása után a kivitelező MH 2009 Konzorcium felkereste a BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszékét: vizsgálják meg a lehetőségét annak, hogy a fa pályaburkolat kiváltható-e olyan teherviselő könnyűbetonnal, amelynek a testsűrűsége nem több mint 1500-1600 kg/m³.

Magyarországon a könnyűbetonoknak ilyen alkalmazására még nem volt példa, ugyanakkor a világon máshol sok helyen építenek hidat könnyűbetonból, és mivel ennek az ideiglenes pályaburkolatnak alig egy évet kellett kibírnia, meg merték kockáztatni ezt a felvetést.

A legfontosabb kérdések, melyek felmerültek a műszaki javaslat kidolgozása során az alábbiak voltak:

• könnyű adalékanyag fajtájának kiválasztása,
• testsűrűség,
• szilárdság,
• szilárdulási ütem,
• gyártás-bedolgozás,
• kopásállóság,
• fagy- és sózásállóság.

 

Áttekintés a könnyűbetonok hídépítésben való alkalmazásáról

Könnyűbetont már a Kr. u. 1-2. században is alkalmazták a Római Birodalomban a kupolák, pillérek és boltozatok építésénél (Pantheon, Colosseum). Az újkorban szerkezeti könnyűbetont először az Egyesült Államokban használtak elsősorban hidaknál és toronyházak építésénél; az egyik első ilyen az Oakland-Bay-híd (5. kép) pályalemeze (San Fransisco 1936) volt.

 

5. kép. Az Oakland-Bay-híd 1936-ban épült duzzasztott agyagkavics adalékanyagos könnyűbetonból

 

Az 1940-es évektől Európában is megindult a könnyűbeton ipari előállítása, több példa is mutatja a szerkezeti könnyűbeton alkalmasságát a hídépítésben is, néhány jellemző példát az 1. táblázatban foglaltunk össze (Józsa, Nemes, Fenyvesi, 2009).

 

6. kép. A Grenland híd 1996-ban épült 1890 kg/m³ testsűrűségű LC 55 könnyűbetonból (fib, 2000)

 

1. táblázat Külföldön megvalósult legjelentősebb könnyűbeton hidak és fő adataik

 

A könnyű adalékanyagok általános jellemzői

A könnyű adalékanyagok követelményei és vizsgálati módszerei részben eltérnek a hagyományos adalékanyagokétól. Az új betonszabványhoz már tartozik könnyű adalékanyag szabvány is, az (MSZ) EN 13055-1, amely tárgyalja a könnyű adalékanyagok vizsgálatát is. A hagyományos adalékanyagok követelményei mellett megjelenik a halmaz- (< 1200 kg/m³) és a szemcse-testsűrűség (< 2000 kg/m³) határ.

A könnyű adalékanyagok alkalmazása esetén a nagy porozitás és a nyitott pórusok miatti nagy vízfelvevő képesség okozza gyakorlati szempontból a legnagyobb problémát.

Könnyűbeton készíthető természetes (pl. tufa, lávasalak, habkő, horzsakő) és mesterséges (duzzasztott agyagkavics, habüveg, perlit, téglatörmelék, kohósalak stb.) adalékanyaggal, de manapság teherhordó könnyűbeton szerkezet szinte kizárólag duzzasztott agyagkavics adalékanyaggal készül (fib, 2000).

 

A könnyűbetonok jellemzői

Adalékanyagos könnyűbetonok esetén is a legfontosabb és egyben a minősítés alapjául szolgáló mechanikai jellemző a nyomószilárdság, de itt követelmény a testsűrűség is.

A szerkezeti könnyűbetonokra is a betonokkal foglalkozó szabványok érvényesek. A szabályozás mára nagyjából egységes Európában. A készítéssel és a minősítéssel az EN 206 1 (magyar nemzeti változata MSZ 4789 1), a méretezéssel az EN 1992 1 4 (közismert nevén az Eurocode 2), az adalékanyaggal pedig az (MSZ) EN 13055 1, illetve az annak alapján készített nemzeti szabványok foglalkoznak.

A könnyűbeton jelölések hasonlók a betonjelöléshez, és ez a nemzetközi előírásokban egységes. A jelölési mód a betonoknál megszokott módon a két minősítési értéket (előírt jellemző hengerszilárdság, vagy előírt jellemző kockaszilárdság) adja meg az LC betűjelzés után (2. táblázat).

 

2. táblázat. Könnyűbeton nyomószilárdsági osztályok az EN 206-1/MSZ 4798-1 szerinti könnyűbetonokra

 

A két érték közötti, a hagyományos betonokénál kisebb különbség – a könnyű adalékanyagos betonoknak a hagyományos betonokhoz képest – nagyobb húzószilárdság/nyomószilárdság hányadosnak és az ebből következő eltérő alakváltozási jellemzőknek (kisebb rugalmassági modulusnak) tulajdonítható. A könnyűbetonok esetén a próbatest alakja kevésbé befolyásolja a szilárdságot. Az LC 50/55 fölötti szilárdsági osztály estén nagyszilárdságú könnyűbetonról beszélünk. Az MSZ 4798-1:2004-ben a szilárdsági osztályon kívül könnyűbetonok esetén megjelenik a testsűrűségi osztály is (3. táblázat).

 

3. táblázat. A könnyűbetonok testsűrűségi osztályai az MSZ 4798 1 szerint

 

Tervezési kérdések

A nyomószilárdság és a testsűrűség ellenétes követelmények, de megfelelő tervezéssel elérhető az optimális összetétel. Általános tervezési módszer nincs, de egy próbakeverés-sorozattal optimalizálható a kiválasztott könnyű adalékanyaghoz ideálisan alkalmazható cementpép mennyisége.

Hagyományos betonok esetén a szilárságot befolyásoló legfontosabb tényezőnek a víz-cement tényezőt tekintik, viszont nem szabad megfeledkezni arról, hogy a nyomószilárdságot alapvetően az adalékanyag-váz adja, ami a szemmegoszlás helyes megválasztásával érhető el. Az adalékanyagváz helyes megválasztása és megfelelő tömörítés mellett valóban a víz-cement tényező adja meg az elérhető szilárdság korlátait és gyakorlati szempontból ez a legkritikusabb. Ha azonban eltérünk a szokásos kvarckavics adalékanyagtól, akkor ennek szilárdsága és mennyisége is döntő lesz.

A víz-cement tényező hatása azonos mindkét betonfajta esetében, de a könnyű adalékanyagok kisebb szilárdsága és kisebb alkalmazott mennyisége (térfogataránya) miatt a cementpép jellemzőinek jelentősége nő; ezért mind szilárdsági, mind tartóssági szempontból különösen ügyelni kell az alacsony víz-cement tényező megválasztására. Az adalékanyag megválasztásakor el kell dönteni, hogy a „homokfrakció” is könnyű adalékanyag legyen-e vagy hagyományos kvarchomokot alkalmazunk. Ha az alkalmazott adalékanyagok szemcse-testsűrűsége eltérő, a szemmegoszlási görbe készítésekor nem használható a hagyományos tömegszázalékos számítás, ekkor az adalékanyagok térfogat-százalékos ábrázolása szükséges.

 

Kivitelezési kérdések

A könnyűbeton készítése és bedolgozása során a leglényegesebb eltérés a hagyományos betonokhoz képest általában az adalékanyag nagy vízfelvevő képessége. A normál testsűrűségű betonokhoz alkalmazott adalékanyagoknak (kvarckavics, zúzottkő) gyakorlatilag nincs vízfelvétele, csak a homok esetén kell figyelembe venni az adalékanyag szemek felületén megkötött vízmennyiséget. Könnyű adalékanyagok esetén vagy gondoskodni kell a vízfelvevő képesség függvényében a többletvíz adagolásról (különben a habarcsból elszívott vízmennyiség miatt bedolgozhatatlanná válik a keverék), vagy meg kell akadályozni a porózus adalékanyag vízfelvételét.

A bedolgozás során a konzisztenciára különös tekintettel kell lenni; a megfelelő konzisztenciát adalékszerrel kell beállítani. Elvileg szivattyúzható a könnyűbetonok egy része, általánosságban azonban nem javasolják ezt a bedolgozási módot, mivel ehhez valóban teljesen előnedvesített adalékanyag alkalmazása szükséges, és a szivattyúzásnak folyamatosnak kell lennie, különben nagy a szétosztályozódás veszélye.

A könnyűbetonok szilárdulási üteme a nagyobb hőszigetelő képesség miatt gyorsabb a hagyományos betonokhoz képest. Utókezelése során a hagyományos betonokéval megegyezően kell eljárni. Megjegyzendő viszont, hogy ha az adalékanyagot előre vízzel telítették, vagy megfelelő mennyiségű vízzel előkeverték, akkor egy belső utókezelő hatás lép fel, ami a tökéletesebb hidratációt segíti, de ettől nem hagyható el a hagyományos betonoknál elvárható utókezelés.

 

Tartósság

A könnyűbetonok agresszív környezettel szembeni ellenállására nagyon kevés vizsgálati adat ismeretes. Az adalékanyagos könnyűbeton zárt cementkő váza miatt éppen olyan vízzáró, mint a közönséges beton, ha a víz-cement tényező és a hidratációs fok megegyezik.

A CO₂-behatolás a durva könnyű adalékanyag szemcsékben nagyobb mértékű lehet, ezért a minimális betonfedésnek könnyűbetonok esetén XC1 környezeti osztálytól kezdve legalább 5 mm-rel nagyobbnak kell lennie, mint a maximális szemnagyság (DIN 1045-1). Ez általában nem jelent szigorú feltételt, mivel a szerkezeti könnyűbetonok maximális szemnagysága kicsi, ritkán haladja meg a 24 mm-t.

A könnyűbeton fagyállósága akkor jó, ha maga az adalékanyag is fagyálló. A jégolvasztó sózással szembeni ellenállása a nagy pórustartalmú adalékanyagokkal készült betonoknak kedvezőbb, mint a kvarckavics adalékanyagosoké. (Kanadában például finom téglazúzalék bekeverésével helyettesítették a légpórusképzőt [Erdélyi, 1997].)

A beton nedvességtartalma és vízfelvétele nagymértékben befolyásolja a szerkezet tartósságát, mivel a legtöbb károsító anyag (pl. klorid, szulfát stb.) vízzel jut a betonba. Ezen kívül a korróziót okozó reakciók (pl. rozsdásodás) végbemeneteléhez is szükség van vízre. A könnyűbetonok porozitása nagyobb, mint a hagyományos betonoké, ezért nedvességtartalma légszáraz állapotban is nagyobb lehet, ami tartósság szempontjából kedvezőtlen, ennek számszerű ismerete célszerű.

A könnybetonok vízzárósága – ugyanúgy, mint a hagyományos betonoké – elsősorban a cementkő vízzáróságától függ. Több éves vizsgálati tapasztalatunk során megállapítottuk, hogy a kellően túltelített könnyűbeton keverékek vízzárósága megfelelt az azonos cementpéppel készített kvarckavics adalékanyagú betonokénak, LC16/18 feletti szilárdág esetén a könnyű adalékanyagnak nem volt hatása a vízzáróságra. A korábban érvényes MSZ 4715 3 szerint több lépcsőben végzett vízzáróság vizsgálat során egy esetben sem hatolt be a víz a szabványos 120 x 200 x 200 mm-es próbatest harmadáig, jellemzően 10 20 mm közötti értéket mértünk (mintaként a 7. kép duzzasztott agyagkaviccsal készített próbatesten mért vízbehatolást mutatja).

 

7. kép. Duzzasztott agyagkaviccsal készített próbatesten mért vízbehatolási mélység: 10-12 mm

 

A fagyállóságot az MSZ 4715 3 szerint vízzel telített 150 mm-es élhosszúságú kockákon vizsgáltuk több különböző könnyűbeton-összetétel esetén. A próbatesteket 25, 50, illetve 150 fagyasztási-olvasztási ciklusnak tettük ki. A fagyasztást -20 ± 3 Celsius fok hőmérsékletű levegőn végezzük, míg a felolvasztás víz alatt, aminek a hőmérséklete nem haladhatja meg a +20 ± 3 fokot. Egy ciklus körülbelül 9 óráig tart. Általában hat darab próbatest szükséges a vizsgálathoz, amelyek közül három van kitéve a fagyasztási-olvasztási ciklusoknak, és a megmaradt (laborban, víz alatt tárolt) három összehasonlításul szolgál. Könnyűbetonok esetén ezt több összetételnél vizsgáltuk, és 50 ciklus után meghatároztuk a vizsgált próbatestek tömegveszteségét és nyomószilárdságát. Ha a tömegveszteség nem haladja meg a 4 % -ot, illetve a szilárdságcsökkenés a kontrollmintákhoz viszonyítva a 25 %-ot, akkor a beton megfelel a ciklusok számával definiált pl. f50 fagyállósági osztálynak. Ma a fagyállóság vizsgálatát az MSZ 4798 1 szerint végezzük, ekkor a lehűtés és az olvasztás sebessége is szabályozott.

Több fagyállóság vizsgálat eredményét foglaltuk össze az 1. ábrában. Látható, hogy a fagyasztott próbatestek szilárdsága nem, vagy alig tér el a nem fagyasztott referenciabetonétól könnyűbetonok és hagyományos beton esetén egyaránt. A próbatestek felületén mállás, töredezettség nem volt tapasztalható, a fagyasztás utáni tömegvesztés pedig egyik keverék esetén sem haladta meg a 2 tömeg%-ot (az MSZ 4798 1 szabvány 5%-ot enged meg). A kvarckavics adalékanyagú betonok nyomó- illetve hajlító-húzó szilárdság csökkenése (3-5%) nagyobb, mint a könnyű adalékanyagos betonoké. A duzzasztott agyagkavicsból készített keverékek szilárdságcsökkenése jelentősen kisebb, mint a többi vizsgált keveréké, itt 1% alatti csökkenést mértünk. Megállapítható, hogy a vizsgált könnyűbetonok fagyasztással szemben tanúsított ellenállása jobb, mint a kvarckavics adalékanyagú betonoké, ha azonos cementkő veszi körül az adalékanyagszemeket (Józsa, et al 2008).

 

1. ábra. Duzzasztott agyag- és duzzasztott üveghabkaviccsal készített betonok fagyasztott és etalon nyomószilárdsága (a keverékek összetétele azonos, csak az adalékanyag különböző)

 

Könnyűbetonokat koptatásnak kitett felületen ritkán alkalmaznak, mert a legtöbb könnyű adalékanyag rossz kopásállóságú, így ezen a területen kevés szakirodalmi adat áll rendelkezésünkre. Ezért összehasonlító vizsgálatot végeztünk annak megállapítására, hogy egy közel azonos cementkő vázzal rendelkező kvarckavics és duzzasztott agyagkavics adalékanyagú beton milyen koptatási ellenállással rendelkezik. A kopási térfogatveszteség mértékéből megállapítható, hogy az azonos cementpéppel készített hagyományos beton megfelel a legszigorúbb XK4(H), a könnyűbeton pedig az XK3(H) kategóriának. A jobb adalékanyag-cementkőváz kapcsolat miatt a koptatás során a könnyű adalékanyag szemek nem peregtek ki a koptatott felületből.

 

A Margit híd esetén alkalmazható betonok

A rendelkezésünkre álló saját kutatási és szakirodalmi adatok alapján a következő jellemzőkkel rendelkező könnyűbeton alklamazást tartottuk kielégítőnek:

• 1600 kg/m³-t megközelítő testsűrűség,
• legalább LC20/22-es szilárdsági osztály,
• duzzasztott agyakavics adalékanyag (min. 4 N/mm2 halmaz-önszilárdságú).

Ez megfelelő minőségbiztosítás mellett a tervezett max. 1 éves időtartam alatt az elvárt követelményeknek megfelelő lehet kopásállósági, fagyállósági valamint sóállósági követelményeket is figyelembe véve.

 

Keveréktervezés

A keverékterv készítését a Holcim Zrt. vállalta. Migály Béla vezetésével a miskolci laboratórium végezte el az előkísérleteket a végleges betonösszetétel meghatározáshoz.

A könnyűbeton készítéséhez

• Liapor duzzasztott agyagkavics adalékanyagot (HD 4-8 (5N); száraz halmazsűrűség: 680 kg/m³),
• Holcim, Hejőcsabai Cementgyár CEM I 42,5 R jelű cementet, valamint az
• Avers Kft. (Averak FM 66T, Ravenit V7, Ravenit LP Mischöl) beton adalékszereit

használtuk.

A beton keverékterv készítéséhez meghatároztuk a Liapor duzzasztott agyagkavics adalékanyag

• nedvességtartalmát: 10 m%;
• száraz halmazsűrűségét: 730 kg/m³;
• vízfelvételét: 18 m%;
• szemcsetestsűrűségét: 1210 kg/m³.

Ezek figyelembevételével, a cementtartalom, a Liapor tartalom, valamint az adalékszerek mennyiségének változtatásával összesen hat kísérleti beállítást követően sikerült elérni a kitűzött célok megvalósulását.

 

 

Beépítés – Helyszíni minőségellenőrzés

Bedolgozás előtt minden szállítmánynak vizsgáltuk a konzisztenciáját, a testsűrűségét, és a légtartalmát. A frissbeton eltarthatóságát 2-2,5 óráig vizsgáltuk, ez alatt számottevő csökkenés nem mutatkozott, ami jelentősen megkönnyítette a munkavégzést.

 

Bedolgozás

A könnyűbeton sínszálak közé juttatásához nem használtunk szivattyút, csak a mixerkocsik surrantóját. Ezt azért itt-ott meg kellett hosszabbítani az első napokban, de a 3-4. naptól már tudtunk járni az elkészült burkolatokon is, hála a gyors szilárdulási ütemnek.

A tömörítést hagyományos módon, merülővibrátorokkal végeztük.

 

Felületkialakítás, utókezelés

A felületet igen egyszerűen lehúzóléc (jelen esetben: korlátdeszka) segítségével alakítottuk ki.

Sem betonacélhálót, sem szálerősítést nem alkalmaztunk. Az esetlegesen fellépő repedések „irányítására” a betonozás másnapján 2,5-3 méterenként a hídtengelyre merőlegesen vakhézagot vágtunk a szilárduló burkolatba. A hídon 80 méterenként van dilatációs szerkezet, ehhez csatlakoztunk kétoldalt a burkolattal; külön burkolatdilatációra nem volt szükség.

A simítást követően a duzzasztott agyagkavicsok felúsznak a felszínre, ezáltal létrehoznak egy érdes felületet, mely már további érdesítést nem igényel. Az utókezelést az első 12-24 órában nedvesen tartással biztosítottuk, utána pedig párazárószert alkalmaztunk.

A Margit hídon bebizonyosodott, hogy a könnyűbeton pályaburkolat tartós maradt a téli igénybevétel alatt is és az követően is. A felületén károsodás nem volt észlelhető, ezt mutatják a burkolat elbontása előtt készült képek. A kifúrt magmintákon jól látható, hogy a könnyűbeton szerkezete megfelelő és egyenletes volt.

 

Dr. Nemes Rita, adjunktus, BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék

Dr. Józsa Zsuzsanna, egyetemi docens, BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék

Benedek Barbara, minőségbiztosítási főmérnök, A-Híd Építő Zrt.

Migály Béla, laborvezető, Holcim Hungária Zrt.

 

Szakirodalmi hivatkozások

Erdélyi, A. (1997) Fagyállóak-e a légpórusképző szer nélküli, nagyszilárdságú betonok? Beton 1997 12. sz. pp. 10-11.

fib (2000) Lightweight Aggregate Concrete, CEB-FIP guidance documnets bulletin 8.

Józsa Zs., Nemes R., Fenyvesi O. (2009) „Lehet-e könnyűbetonból hidat építeni?” ÉPKO, 2009. június 11-14., Csíksomlyó, (Románia) konferencia kiadványa pp. 201-208. ISSN 1843-2123

Józsa Zs., Nemes R., Fenyvesi O., Lublóy É., Fischer N., Czuppon G. (2008) „Könnyűbetonok tartóssága” Betonszerkezetek tartóssága Szerk.: Balázs Gy. – Balázs L. Gy. 2008. június 23. Budapest pp 237-256. ISBN 978 963 420 954 6

 

Hivatkozott szabványok

DIN 1045-1 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton

EN 13055-1:2002 „Lightweight aggregates – Part 1: Lightweight aggregates for concrete and mortar” Brussels 2002

MSZ EN 13055-1:2003 „Könnyű kőanyaghalmazok – 1. rész: Könnyű kőanyaghalmazok (adalékanyagok) betonhoz, habarcshoz és injektálóhabarcshoz

EN 1992-1-4 Eurocode 2: Design of concrete structures. Part 1-1: General rules and rules for buildings

EN 206-1 Concrete – Part 1: Specification, performance, production and conformity, 2000

MSZ 4798-1 : 2004 Beton 1. rész: Műszaki feltételek, teljesítőképesség, készítés és megfelelőség, valamint az MSZ EN 206-1 alkalmazási feltételei Magyarországon 2004

 

Internetes hivatkozások

www.san-francisco.hu/pics/Image/Sanfranciscooaklandbaybridge-k.jpg, 2009. március 29.