Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. PhD értekezés BETONÖSSZETEVŐK HATÁSA AZ ALAGÚTFALAZATOK HŐTŰRÉSÉRE Fehérvári Sándor okl. építőmérnök Tudományos vezető: Dr. Salem Georges Nehme, PhD egyetemi docens Budapest 2009. április PhD értekezés Betonösszetevők hatása az alagútfalazatok hőtűrésére Fehérvári Sándor Tartalom Jelölések és rövidítések d Fogalmak d ELŐSZÓ I 1. BEVEZETÉS, PROBLÉMAFELVETÉS 1 1.1 Alagúti katasztrófák, balesetek 1 1.2 Hazai előírások, tapasztalatok 2 1.3 Az értekezés témája 3 1.4 Az értekezés célkitűzései 3 2. AZ ALAGÚTTÜZEK TERMÉSZETE 4 2.1 A hőteher 4 3. AZ ALAGÚTTÜZEK HATÁSA A VASBETON FALAZATRA 7 3.1 Tűzvédelem 7 3.2 Vasbeton alagútfalazatok viselkedése tűz esetén 7 3.3 A vasbeton falazat tűzállósága 7 3.4 A beton viselkedése nagy hőmérsékleten 8 3.5 Mechanikai jellemzők változása 9 3.6 Réteges leválás 13 4. LABORATÓRIUMI KÍSÉRLETEK 14 4.1 Kísérletek áttekintése 14 4.2 Kísérleti receptúrák 14 4.2.1 Cementpépek 14 4.2.2 Betonok 16 4.3 Hőterheléses vizsgálat 17 4.3.1 Általános vizsgálat 17 4.3.2 Alkalmazott hőfoklépcsők és próbatest darabszámok 17 4.3.3 Különleges hűtési módok 18 4.4 Vizsgálatokhoz felhasznált eszközök 19 4.5 Eredmények ábrázolása 19 5. A TISZTA PORTLANDCEMENT FAJLAGOS FELÜLETE ÉS A CEMENTPÉP VÍZ/CEMENT TÉNYEZŐJÉNEK HATÁSA A CEMENTKŐ MARADÓ NYOMÓSZILÁRDSÁGÁRA ÉS KÉMIAI JELLEMZŐIRE 20 5.1 Fajlagos felület hatása a tiszta portlandcementek hőtűrésére 20 5.2 Víz/cement tényező hatása a tiszta portlandcementek hőtűrésére 22 5.3 Ca(OH)2 szint változása a hőmérséklet emelkedésével 24 5.4 Összefoglalás 25 6. KIEGÉSZÍTŐ-ANYAGOK HATÁSA A CEMENTKŐ MARADÓ MECHANIKAI JELLEMZŐIRE 26 6.1 Mészkőliszt és kohósalak adagolásának hatása a cementkő maradó nyomószilárdsági jellemzőire, állandó víz/finomrész tényező esetén 27 6.2 Mészkőliszt, dolomitliszt, kohósalak, kvarcliszt és barit adagolásának hatása azonos víz/portlandcement tényező esetén a cementkő hőterhelés utáni maradó nyomószilárdsági jellemzőire 29 6.3 Összefoglalás 32 7. BETONÖSSZETEVŐK HATÁSA A HŐTERHELÉS UTÁN MARADÓ MECHANIKAI JELLEMZŐKRE 33 7.1 A víz/cement tényező és a maximális szemnagyság hatása a beton hőtűrésére 34 7.2 Légbuborék-képző adalékszer és PP-szál adagolásának hatása a beton hőterhelés után maradó szilárdsági jellemzőire 38 7.3 0/6 mm-es barit adagolás hatása a beton hőterhelés utáni maradó szilárdsági jellemzőire 41 7.4 Összefoglalás 43 8. A HŰTÉS MÓDJÁNAK HATÁSA A BETON MARADÓ MECHANIKAI JELLEMZŐIRE 45 8.1 Általános megállapítások 45 8.2 Különböző hűtési módok után maradó nyomószilárdságok értékelése 45 8.3 Összefoglalás 48 9. ÖSSZEFOGLALÁS 49 10. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK 59 11. EREDMÉNYEK ALKALMAZHATÓSÁGA 61 12. JÖVŐBENI KUTATÁSI IRÁNYOK 61 b PhD értekezés Betonösszetevők hatása az alagútfalazatok hőtűrésére Fehérvári Sándor 13. HIVATKOZÁSOK 62 13.1 Hivatkozott irodalmak 62 13.2 Hivatkozott kutatási jelentések és ajánlások 64 13.3 Hivatkozott szabványok 65 13.4 Az értekezés témakörében írt publikációk 65 13.5 További publikációk 66 14. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS 67 FÜGGELÉK I Függelék az 1. fejezethez ii Függelék a 2. fejezethez iv Függelék a 3. fejezethez vi Függelék a 4. fejezethez xi Függelék az 5. fejezethez xvii Függelék a 6. fejezethez xx Függelék a 7. fejezethez xxvii Függelék a 8. fejezethez xxxii MELLÉKLETEK I. Melléklet: Alagúttüzek – történeti áttekintés II. Melléklet: Kísérletek áttekintő táblázata III. Melléklet: Kísérleti mátrixok IV. Melléklet: Betonösszetételek V. Melléklet: Friss- és összehasonlító megszilárdult beton vizsgálatok VI. Melléklet: Kísérleti eszközök DISSZERTÁCIÓHOZ CSATOLT DOKUMENTUMOK Disszertáció egy oldalas tartalmi kivonata magyar és angol nyelven Tézisfüzet magyar és angol nyelven Nyilatkozat Szakmai életrajz c PhD értekezés Betonösszetevők hatása az alagútfalazatok hőtűrésére Fehérvári Sándor Jelölések és rövidítések afm alagút-folyóméter B hőterhelési hőmérséklet után számítható Brinke szám (N/H) dmax maximális szemnagyság [mm] fc, hőterhelési hőmérséklet után maradó nyomószilárdság fc,sp, hőterhelési hőmérséklet után maradó hasító-húzószilárdság h hossz H/N hasító-húzó és nyomószilárdság hányadosa (a Brinke szám reciproka) HT hőtűrés 20-900 °C között [%×°C] HT hőtűrés °C között [%×°C] I., II., III., IV. vizsgálati főszakasz jele m/m% tömegszázalék m/m0/4% tömegszázalék a homok frakció tömegére vonatkoztatva m/mc% tömegszázalék a cement tömegére vonatkoztatva Ø átmérő S fajlagos felület [m2/kg] V/V% térfogatszázalék v/c víz/cement tényező [m/m] v/f víz/finomrész tényező [m/m] v/pc víz/portlandcement tényező [m/m] C4AF tetrakalcium-aluminát-ferrit, klinkerásvány CSH kalcium-szilikát-hidrát LB légbuborékképző adalékszer PP-szál polipropilén szál UHPC ultra nagy teljesítőképességű beton (Ultra High Performance Concrete) Fogalmak barit magas BaSO4 tartalmú anyag a sziderit (FeCO3) pörkölési meddőjéből Brinke szám a nyomó- és hasító-húzószilárdság hányadosa [-] cementkő megszilárdult cementpép cementpép cement és cementkiegészítő-anyag vízzel való összekeverés utáni állapota fajlagos felület egységnyi tömegű szemhalmaz szemeinek felületösszege [m2/kg] finomrész cement és kiegészítő-anyag együttese főte az alagútteret általában „felülről" a benne járók feje fölött lehatároló, kétdimenziós felület frissbeton levegőtartalma a frissbetonban lévő levegő mennyisége, mely származhat tömörítetlenség, ill. légbuborékképző adalékszer alkalmazásának következtében [V/V%] hőmérsékleti szívósság a H/N értékek változása a hőmérséklet függvényében hősokk lökésszerűen, hirtelen jelentkező jelentős hőmérséklet- d PhD értekezés Betonösszetevők hatása az alagútfalazatok hőtűrésére Fehérvári Sándor különbség, amely a szerkezetet éri hőteher a szerkezetet érő hőmérséklet hőtűrés az anyag ellenállása a hőteherrel szemben, a relatív maradó szilárdság-hőfokgörbe függvény jellege, a görbe alatti terület mérőszámával kifejezve [%×°C] lásd ábra kiinduló szilárdság hőterheléses vizsgálatok viszonyítási alappontja, a laboratóriumi hőmérsékleten tárolt, referencia- sorozat szilárdsága [MPa] látszólagos porozitás a kapillárisokba felszívott víz térfogata a beton térfogategységében kifejezve [V/V%] maradó szilárdság hőterheléses vizsgálat után mérhető szilárdság (disszertációmban a laboratóriumi hőmérsékletre visszahűlt próbatesteken mérhető szilárdságokra alkalmazom; lásd 3.5 fejezet) [MPa] relatív maradó szilárdság hőterheléses vizsgálat utáni maradó szilárdságnak a kiinduló szilárdsághoz viszonyított értéke [%] relatív nedvességtartalom a betonban lévő szabad víz a beton tömegegységében kifejezve [m/m%] réteges leválás betonfelület belső gőznyomás hatására történő lokális tönkremenetele, lepattogzása (lásd 3.6 fejezet) spalling réteges leválás tűzgörbe a tűz környezetében uralkodó léghőmérséklet-idő összefüggést ábrázoló göbe, a tüzek jellemzésére szolgál (lásd 2.1 fejezet) végszilárdság 900 °C-on hőterhelt próbatesteken mérhető maradó szilárdság maradó relatív szilárdság a hőmérséklet függvényében 100,0% 50,0% a hőtűrés mérőszáma a görbe alatti terület *%×°C+ Relatív szilárdság *%+ szilárdság Relatív 0 300 600 900 Hőterhelés hőmérséklet *°C] ábra: Hőtűrés értelmezése e PhD értekezés Betonösszetevők hatása az alagútfalazatok hőtűrésére Fehérvári Sándor Előszó 1996. november 18-án este 21:48 perckor (kontinentális időszámítás szerint) a 7539- es számú teherszállító szerelvény nagysebességgel behajtott az angol szigeteket a kontinenssel összekötő Csatorna Alagút déli alagút-vágatába. Maga az alagútrendszer az 1990-es évek egyik legnagyszerűbb mérnöki alkotása, melyet az USA mérnöki kamarája a modern világ hét csodája közé választott (Reynolds, 1996). A beton tübbingekből épült műtárgyrendszer (I. ábra) két, egymással párhuzamosan futó egynyomú nagyvasúti alagútból, a köztük futó szerviz-alagútból valamint a szabályosan, 375 m-es távközökkel elhelyezett összekötő vágatból áll (Kirkland, 1995). A kiépített vasúti irányító és biztosító berendezések a kor színvonalának csúcsát képviselték. A belépő szerelvény az 1994-es megnyitás óta már számtalanszor megtette az utat a francia és az angol partok között oda-vissza, ezen a napon azonban nem a megszokott rend szerint történtek az események. Az Anglia felé tartó szerelvényből nem sokkal az alagútportál elhagyása után 1-2 méteres lángcsóvák csaptak ki. Egy percen belül az automatikus jelzőrendszer elküldte az első vészjelzést. Még négy vészjelzésre volt szükség, hogy a vonatvezetőt értesítsék a „lehetséges” tűzesetről (Bailey, 2008). A jelzés vételétől további percek teltek el, míg a szerelvény saját tűzjelző-rendszere is jelezni kezdett. Ekkor, a tűzrendészeti eljárásoknak megfelelően, a szerelvény lassított, majd a 4131 szelvényben lévő keresztvágatnál megállt (21:58). 21:56-kor riasztott elsődleges beavatkozó csoportok (First Line of Response, FLOR; Allison, 1997) 22:02-kor léptek be a szervizalagútba a francia ill. egy perccel később az angol oldalon. 22:22-kor beindult a vészüzemi szellőzőrendszer, és a szerelvény utasait a biztonságos szervizalagútba sikerült menekíteni, amelyet tűzbiztos ajtókkal zártak le (II. ábra). 22:53 perckor a beavatkozó csoportok a vonal-alagútban elérték és lokalizálták a tűzfészket, megállapították, hogy a 4163 és a 4201 szelvény közötti vonalszakaszban kiterjedt tűz pusztít. Az elkövetkezendő 5 óra alatt brit és francia tűzoltók együttes, hősies munkájával sikerült a tűz továbbterjedését megakadályozni, a tűzfészket lokalizálni, majd az égést elfojtani. Az alagút szellőztetése (beépített nagy teljesítményű ventilátorokkal) és hűtése (tűzoltó berendezésekkel) egészen