Feszítőbetétek (Előfeszítő pászmák) Betonszerkezetekben: Fogalommeghatározás, Típusok, Anyagtulajdonságok, Korrózió és Állapotfelmérés

A Feszítőbetétek Fogalommeghatározása és Típusai

A feszítőbetét (előfeszítő pászma) egy nagy szilárdságú acél húzóelem, amelyet tartós nyomófeszültség kifejtésére használnak a betonban előfeszített és utófeszített szerkezetekben. A feszítőbetétet megfeszítik — akár a beton elhelyezése előtt (előfeszítés), akár a beton megszilárdulása után (utófeszítés) — és az erő mechanikai tapadás, véghorgonyzások vagy mindkettő útján kerül átadásra a betonnak. Ez az indukált nyomás ellensúlyozza a használati terhek hatására kialakuló húzófeszültségeket, lehetővé téve nagyobb fesztávokat, vékonyabb keresztmetszeteket és jobb repedéskontrollt a hagyományosan vasalt betonhoz képest.

A feszítőbetéteket három fő formában gyártják, amelyek mindegyikét különböző anyagszabványok szabályozzák, és meghatározott szerkezeti alkalmazásokhoz illenek.

A hét szálból álló pászma messze a legelterjedtebb feszítőbetét-típus. Egyetlen egyenes középső huzalból és hat spirálisan tekercselt külső huzalból áll. A spirális tekercselés mechanikai összekapcsolódást biztosít a fugázóanyaggal vagy betonnal, valamint rugalmasságot ad a kezeléshez. A pászmát az ASTM A416 / AASHTO M203 szabvány szerint gyártják két minőségben: Grade 250 (minimum szakítószilárdság 250 ksi / 1725 MPa) és Grade 270 (270 ksi / 1860 MPa). A Grade 270 a szabványos minőség szinte minden modern híd- és épületépítésben. A pászmát névleges átmérőkben gyártják: 0,375; 0,438; 0,500 és 0,600 hüvelyk (9,53; 11,11; 12,70 és 15,24 mm). A 0,5 hüvelykes (12,7 mm) és 0,6 hüvelykes (15,24 mm) átmérők a legszélesebb körben használtak a híd-utófeszítésben. Kétféle pászma létezik: kis relaxációjú (alapértelmezett) és feszültségcsökkentett (normál relaxációjú). A kis relaxációjú pászma folyamatos termomechanikus kezelésen esik át a sodratás után, hogy kiváló relaxációs teljesítményt érjen el, a relaxációs veszteségek 1000 óra alatt kevesebb mint 2,5%-ra korlátozódnak, ha kezdetben a szakítószilárdság 70%-ára feszítik. A feszültségcsökkentett pászma, amely csak hőkezelést kap, külön megrendelést igényel, és nagyobb relaxációs veszteségekkel rendelkezik.

Egyedi huzal egy hidegen húzott, magas széntartalmú acélhuzal, amelyet az ASTM A421 szabvány szerint gyártanak. A huzalok kerekek, átmérőjük jellemzően 0,192 és 0,276 hüvelyk (4,88 és 7,01 mm) között van. Egyedi huzalokat előfeszített elemekben használnak, mint például üreges födémek, vasbetonaljak és kör alakú előfeszített tartályok, ahol a huzalokat feszítés alatt tekerik fel. A huzal lehet sima, bemélyített vagy hullámos a betonnal való tapadás javítása érdekében. Az ASTM A421 két típust határoz meg: BA típus (feszültségcsökkentett, hidegen húzott) és WA típus (feszültségcsökkentett, hidegen húzott, kis relaxációjú).

Nagy szilárdságú rúd egy menetes vagy sima ötvözött acélrúd, amelyet az ASTM A722 szabvány szerint gyártanak. A rudak névleges átmérője 0,625 és 3,625 hüvelyk (15,875 és 92,075 mm) között van, és Grade 150 és Grade 160 minőségben kaphatók (minimum szakítószilárdság 150 ksi / 1035 MPa, illetve 160 ksi / 1100 MPa). A rudakat szegmenshíd-építésben, ideiglenes utófeszítéshez az építés során, kőzet- és talajhorgonyokban, valamint szerkezeti javításokban használják. A rúd feszítőbetéteket jellemzően hidraulikus sajtolókkal feszítik meg, amelyek a rúd végére csavarodnak, és az erő a feszítőlemezeken és anyákon keresztül adódik át a horgonyzásoknál.

A feszítőbetét-konfiguráció különbséget tesz tapadó és tapadásmentes rendszerek között is. Tapadó utófeszítésben a feszítőbetétet egy csatornába (hullámos acél vagy műanyag) szerelik, amelyet utólag cementes fugázóanyaggal töltenek ki. A fugázóanyag korrózióvédelmet biztosít erősen lúgos környezetén keresztül (pH > 12,5), és teljes tapadást hoz létre a feszítőbetét és a környező beton között. Ha egy huzal eltörik egy tapadó feszítőbetétben, a fugázóanyag elosztja az erőfeloldódást a feszítőbetét hossza mentén, megakadályozva a hirtelen teherbírás-vesztést a horgonynál. Tapadásmentes utófeszítésben a pászmát egyedileg műanyag burkolattal látják el és korróziógátló zsírral vagy viaszsal vonják be. Nem használnak fugázóanyagot, és a feszítőbetét szabadon mozoghat a betonhoz képest. A teljes előfeszítő erő a véghorgonyzásoknál adódik át. A tapadásmentes rendszereket széles körben használják épületekben, parkolóházakban és talajon fekvő födémekben. Mindegyik rendszer eltérő vizsgálati kihívásokat és korrózióvédelmi követelményeket támaszt.

Az Előfeszítő Acél Anyagtulajdonságai

Az előfeszítő acél alapvetően különbözik a hagyományos betonacéltól mind mechanikai tulajdonságaiban, mind fémművességében. A hatékony előfeszítéshez szükséges nagy szilárdságot a magas széntartalom, a hideghúzás és a hőkezelés kombinációjával érik el.

A legelterjedtebb előfeszítő acélnak, a Grade 270 hét szálból álló pászmának a minimális szakítószilárdsága 270 000 psi (1860 MPa). Ez körülbelül négyszerese a Grade 60 betonacél folyáshatárának (60 ksi / 420 MPa). A folyáshatárt 1%-os nyúlásnál határozzák meg terhelés alatt (nem a hagyományos 0,2%-os eltolásnál, mint más acéloknál), tükrözve a hidegen húzott huzal jól definiált folyáshatár-platójának hiányát. Kis relaxációjú pászma esetén a minimális folyáshatár a meghatározott szakítószilárdság 90%-a. Feszültségcsökkentett pászma esetén ez 85%. Az előfeszítő pászma rugalmassági modulusa körülbelül 28 500 ksi (196 500 MPa) — hasonló a hagyományos acélhoz —, de a feszültség-nyúlás görbe közel lineáris a szakítószilárdság körülbelül 85%-áig, éles folyáshatár nélkül.

A kis relaxációjú tulajdonság a legjelentősebb anyagfejlesztés a modern előfeszítő acélban. A relaxáció a feszültség időfüggő csökkenése az acélban állandó alakváltozás mellett. Feszültségcsökkentett pászma esetén a relaxációs veszteségek elérhetik az 5-8%-ot 1000 óra alatt, ha a szakítószilárdság 70%-ára feszítik. A kis relaxációjú pászma folyamatos termomechanikus kezelésével (más néven stabilizáló kezelés) 1000 órás relaxációját kevesebb mint 2,5%-ra csökkenti azonos körülmények között. Ez a kezelés magában foglalja a pászma feszítés alatti hevítését körülbelül 350-400 °C-ra (660-750 °F), ami stabilizálja a diszlokációs szerkezetet a hidegen húzott huzal mátrixában, és drámaian csökkenti a hosszú távú relaxációt. A hosszú távú relaxáció 50 év után, az ASTM E328 szerint extrapolálva, jellemzően 5-8% a kis relaxációjú pászma esetén, szemben a feszültségcsökkentett pászma 10-15%-ával.

Az előfeszítő acél fémművessége kritikus fontosságú a teljesítményének és tönkremenetelei módjainak megértéséhez. Az előfeszítő huzal magas széntartalmú acélból készül, 0,75-0,85% széntartalommal, 0,60-0,90% mangántartalommal és 0,15-0,35% szilíciumtartalommal. Az acélt melegen hengerlik rúddá, majd hidegen húzzák egy sorozat, fokozatosan kisebb szerszámon keresztül. A hideghúzás 80-90%-kal csökkenti a keresztmetszeti területet, erősen deformált perlit mikroszerkezetet hozva létre, a ferrit és cementit lemezek a huzal tengelyével párhuzamosan rendeződve. Ez a mikroszerkezet adja az acél kivételes szilárdságát, de egyúttal olyan anyagot hoz létre, amely rendkívül érzékeny a hidrogénre. Bármilyen atomi hidrogén, amely az acélba jut — korróziós reakciókból, katódos védelemből vagy horganyzási eljárásokból — diffundálhat a szemcsehatárok mentén és felhalmozódhat a zárványoknál, ami hidrogén okozta ridegedéshez és hirtelen rideg töréshez vezethet tartós húzófeszültség alatt.

Az Előfeszítő Acél Tipikus Mechanikai Tulajdonságai

Feszítőbetét Elrendezés és Vonalvezetés

A feszítőbetét geometriáját és nyomvonalát a betonelemen belül gondosan tervezik meg a szerkezeti hatékonyság maximalizálása érdekében. A feszítőbetét vonalvezetése az a függőleges vagy vízszintes út, amelyet a feszítőbetét követ az elem hossza mentén. Egyszerűen alátámasztott gerendákban a feszítőbetétek jellemzően parabolikus vagy ívelt vonalvezetést követnek — alacsonyan a fesztáv közepén (ahol a maximális pozitív nyomaték excentrikus nyomást igényel az alsó szálban) és emelkednek a támaszok felé (ahol az excentricitás csökken vagy megfordul a végi feszültségek szabályozása érdekében). Folyamatos fesztávokban a feszítőbetét-vonalvezetések gyakran szegmentált parabolák inflexiós pontokkal a belső támaszok közelében.

A feszítőbetét vonalvezetése közvetlenül befolyásolja a beton feszültségeloszlását. A betoncentroidtól e excentricitással kifejtett előfeszítő erő mind tengelyirányú nyomást (P/A), mind hajlítónyomatékot (P×e/S) indukál az elemben. Az excentricitás változtatásával a fesztáv mentén a tervező kiegyensúlyozott feszültségállapotot ér el használati terhek alatt. Az ACI 318 és az AASHTO LRFD Hídtervezési Előírások részletes eljárásokat biztosítanak a feszítőbetét-vonalvezetések kiválasztásához és a keletkező betonfeszültségek kiszámításához a feszítés átadásakor és használati körülmények között.

Minden feszítőbetét egy csatornában foglal helyet — egy hullámos fém vagy műanyag csőben, amely üreget biztosít a feszítőbetét beépítéséhez és későbbi fugázásához. A csatorna átmérője jellemzően 2,5-3,5-szerese a névleges feszítőbetét-átmérőnek, hogy megfelelő hézagot biztosítson a pászma beépítéséhez és a fugázóanyag áramlásához. A fém csatornák spirálisan hullámos horganyzott acélból készülnek; a műanyag csatornák nagy sűrűségű polietilénből (HDPE) vagy polipropilénből. A műanyag csatornákat egyre gyakrabban írják elő a fokozott korrózióvédelem és elektromos leválasztás érdekében. A csatornákat a beton elhelyezése előtt a vasalási kosárhoz rögzítik, kiemelt figyelmet fordítva a tervezett vonalvezetés megtartására, a betonozás során bekövetkező sérülések megelőzésére és a vízzáró csatlakozások biztosítására a toldásoknál.

A horgonyblokk vagy horgonyzási zóna az elem azon része, ahol az előfeszítő erő átadódik a feszítőbetétről a betonra. Utófeszítésnél a horgony egy öntött vagy megmunkált acél feszítőlemezből áll, kúpos éklyukakkal (pászma esetén) vagy menetes csatlakozókkal (rudak esetén). A feszítőlemez a koncentrált feszítőbetét-erőt elegendő területre osztja el, hogy a feszültségeket elfogadható határokon belül tartsa. A horgony mögötti betont spirális vagy rács vasalással erősítik meg, hogy ellenálljon a feszültségkoncentráció által keltett repesztő és hámlasztó erőknek. Az ACI 318 17. fejezete előírja az utófeszített elemek horgonyzási zónáinak tervezését.

Fugázóanyag-bevonatok és -kivezetések vannak biztosítva stratégiai helyeken a csatorna mentén a cementes fugázóanyag befecskendezéséhez a feszítés után. A be- és kivezető csövek (jellemzően 1-1,5 hüvelyk átmérőjűek) a feszítőbetét magaspontjain (a levegő eltávozásához a fugázás során) és alacsony pontjain (a fugázóanyag befecskendezéséhez) kerülnek beépítésre. Minden be- és kivezetést elzáró szeleppel kell felszerelni a fugázónyomás megtartásához a befecskendezés során, és a védelem elvesztésének megakadályozásához, ha a cső később megsérül. Az FHWA Utófeszítő Feszítőbetét Beépítési és Fugázási Kézikönyve (FHWA-NHI-13-026) átfogó követelményeket határoz meg a fugázórendszerek tervezésére, beépítésére és tesztelésére.

A Feszítőbetétek Korróziós Mechanizmusai

A feszítőbetétek korróziója alapvetően súlyosabb állapot, mint a hagyományos vasalás korróziója. Egy feszítőbetét a szakítószilárdságának 70-80%-án működik. A korrózió miatti bármilyen keresztmetszet-veszteség közvetlenül növeli a húzófeszültséget a megmaradt acélban, felgyorsítva a tönkremeneteli folyamatot. Továbbá, a feszítőbetétekben használt nagy szilárdságú acél mikroszerkezete érzékennyé teszi azokat olyan speciális korróziós mechanizmusokra, amelyek a lágyacélt nem érintik.

Klorid-indukált pontkorrózió a leggyakoribb és legveszélyesebb korróziós mechanizmus a szolgálatban lévő feszítőbetéteknél. A kloridionok (Cl⁻) jégmentesítő sókból, tengeri permetből vagy brakkvízből diffúzió vagy kapilláris abszorpció útján hatolnak be a betontakaróba. Amikor a kloridkoncentráció a feszítőbetét mélységében elér egy kritikus küszöbértéket (jellemzően 0,2-0,4% a cement tömegére vonatkoztatva, az acél típusától és környezeti feltételektől függően), a passzív oxidréteg, amely normál esetben védi az acélt a lúgos betonkörnyezetben (pH 12,5-13,5), lokálisan megsemmisül. Az eredmény erősen lokalizált pontszerű korróziós támadás. A korróziós gödrök gyorsan terjedhetnek, mivel a kis anódos terület a gödör alján nagy korróziós áramsűrűséget hajt a környező passzív acél felé. Egy 1-2 mm mélyen behatoló korróziós gödör egy 5 mm átmérőjű huzalban 20-30%-kal csökkentheti a teherbírást, mert a bevágás-hatás koncentrálja a feszültséget a gödör gyökerénél. A klorid-indukált korróziót jellemzően rozsda elszíneződés és betonrepedezés kíséri, de mire ezek a tünetek megjelennek, már jelentős keresztmetszet-veszteség történhetett.

A fugázóanyag vagy beton karbonátosodása csökkenti a feszítőbetétet körülvevő környezet pH-értékét. A légkörből származó szén-dioxid (CO₂) a betonba vagy fugázóanyagba diffundál, és reakcióba lép a kalcium-hidroxiddal, kalcium-karbonátot képezve, ezáltal a pH-t 12,5-13,5-ről körülbelül 8-9-re csökkenti. Ezen a pH-n a passzív réteg az acélon már nem stabil, és általános korrózió indulhat meg, ha nedvesség és oxigén jelen van. A karbonátosodás sűrű, jól tömörített betonban lassan halad, de gyorsan előrehaladhat gyengén tömörített fugázóanyagban az utófeszítő csatornákon belül. A nem megfelelő fugázás — ahol a csatornában üregek maradnak a befecskendezés után — utakat teremt a CO₂ és nedvesség számára, hogy közvetlenül elérjék a feszítőbetétet.

Kóbor áram okozta korrózió akkor lép fel, amikor külső egyenáram (DC) halad át a beton- és feszítőbetét-rendszeren. A kóbor áram forrásai közé tartoznak az elektromos vasúti rendszerek, a szomszédos szerkezetek katódos védelmi rendszerei, hegesztési műveletek és földelési hibák. A feszítőbetét elektromos vezetőként működik; ahol az áram elhagyja a feszítőbetétet és belép a környező elektrolitba (fugázóanyag vagy beton), anódos körülmények alakulnak ki, és a fém felgyorsult ütemben oldódik. A kóbor áram okozta korrózió jellemzően koncentrált, és gyorsan előrehaladhat, rövid idő alatt mély korróziós gödröket létrehozva.

Hidrogén okozta ridegedés (HE) a legkatasztrofálisabb tönkremeneteli mechanizmus a feszítőbetéteknél. Az atomi hidrogén (H) — nem a molekuláris hidrogén (H₂) — felszívódik az acélrácsba, ahol nagy háromtengelyű feszültségű területekre diffundál, jellemzően repedéscsúcsokhoz vagy fémművességi zárványokhoz. A felhalmozódott hidrogén csökkenti a vasrács kohéziós szilárdságát, ami rideg törést okoz az acél normál szakítószilárdságánál jóval alacsonyabb feszültségeknél. A hidrogén forrásai közé tartoznak a korróziós reakciók (ahol hidrogén keletkezik a katódos helyen), a katódos védelmi rendszerek túlvédelme (túlzott negatív potenciál H₂ gázt termelve az acél felületén), valamint savas tisztítási vagy pácolási műveletek. Az előfeszítő acél magas széntartalma és hidegen húzott mikroszerkezete az egyik leginkább hidrogénérzékeny mérnöki anyaggá teszi. A hidrogén okozta ridegedés tönkremenetel hirtelen és teljes — a feszítőbetét látható figyelmeztető jel nélkül törik el a beton külső felületén.

Feszültségkorróziós repedés (SCC) a repedések növekedése egy anyagban tartós húzófeszültség és egy specifikus korrozív környezet együttes hatása alatt. Előfeszítő acél esetében az SCC jellemzően küszöbfeszültséget igényel (gyakran a szakítószilárdság 50-60%-a felett) és specifikus agresszív anyagok, mint nitrátok, karbonátok vagy kloridok jelenlétét. A repedések az előző ausztenit szemcsehatárai mentén (szemcseközi) vagy a szemcséken keresztül (szemcsén átmenő) terjednek, az acél összetételétől és a környezettől függően. Az SCC tönkremenetel törési felülete előfeszítő acélban jellegzetes jegyeket mutat: rideg törési zónát kis vagy nulla képlékenységgel, gyakran korróziós termékekkel a repedésfelületeken. Az SCC lassan halad, amíg a megmaradt keresztmetszet már nem képes elviselni az alkalmazott terhelést, ekkor a végső törés azonnal bekövetkezik.

Korróziós fáradás a ciklikus terhelés (hidak forgalmi terhei) és a korrozív környezet együttes hatása. Az előfeszítő acél fáradási élettartama drámaian csökken még enyhe korrózió jelenlétében is. Egy korrodált feszítőbetét, amelynek a levegőben végtelen fáradási élettartama lehetne, kevesebb mint 10⁶ ciklus alatt tönkremehet korrozív környezetben. A korróziós gödrök feszültségkoncentrátorként működnek, amelyek fáradási repedéseket nukleálnak, és az agresszív környezet felgyorsítja a repedésterjedési sebességet.

Feszítőbetét Állapotfelmérés — Roncsolásmentes Vizsgálati Módszerek

A feszítőbetétek állapotának felmérése meglévő szerkezetekben a hídépítés egyik legnagyobb kihívása. A hagyományos vasalással ellentétben a feszítőbetétek gyakran nem hozzáférhetők közvetlen vizsgálatra, és a korrózió évekig észrevétlenül haladhat előre. Egy átfogó NCHRP tanulmány (Project 10-53) áttekintette a globális roncsolásmentes vizsgálati technológiákat és számos gyakorlati alkalmazhatóságú módszert azonosított.

Szemrevételezés továbbra is az értékelés első vonala. A feszítőbetétek szabadon lévő részeit a horgonyzásoknál, közbenső feszítési pontoknál és csatlakozó illesztéseknél vizsgálják korrózió, repedés, rozsda elszíneződés és törött huzalok jelei után kutatva. Tapadásmentes feszítőbetét-horgonyzásoknál épületekben és parkolóházakban a zsírsapka eltávolítható, és az ékek és pászma végek közvetlenül vizsgálhatók. Azonban önmagában a szemrevételezés nem elegendő — az NCHRP tanulmányok megerősítik, hogy a beágyazott feszítőbetét-állapot romlása gyakran nem tükröződik a betonfelületen látható károsodásban.

Akusztikus emissziós (AE) megfigyelés huzaltöréseket érzékel tapadó és tapadásmentes feszítőbetétekben a huzal törésekor felszabaduló rugalmas feszültséghullámok érzékelésével. Az érzékelőket (piezoelektromos átalakítók) a betonfelületre vagy kitett feszítőbetét-szakaszokra szerelik, és az AE rendszer folyamatosan figyeli a rideg huzaltöréshez kapcsolódó jellegzetes kitörési jeleket. A technikát sikeresen alkalmazták szegmenshíd-feszítőbetéteken Európában és Észak-Amerikában. Az AE képes meghatározni egy huzaltörés hozzávetőleges helyét a több érzékelő közötti repülési idő triangulációjával. Az egyik korlátozás, hogy az AE csak az aktív károsodás előrehaladását figyeli — nem képes érzékelni a már meglévő korróziót vagy keresztmetszet-veszteséget.

Mágneses fluxus szivárgás (MFL) a legígéretesebb módszer a pászma állapotának mennyiségi értékelésére előfeszített gerendákban. A technika az acélpászma mágneses telítésével működik, majd a csökkent keresztmetszetű pontokon (korróziós pontok, repedések vagy törött huzalok) fellépő szivárgó fluxus pásztázásával. Az MFL szondákat a betonfelület mentén húzzák, és a mágneses mező zavarait rögzítik és elemzik. Az NCHRP 10-53 tanulmány megállapította, hogy az MFL berendezések és adatértelmezés legújabb fejlődése lehetővé teheti a pászma automatizált roncsolásmentes vizsgálatát szabványos előfeszített gerendákban, amelyek a betonhíd-állomány körülbelül egyharmadát képviselik. Az MFL akkor a leghatékonyabb, ha a feszítőbetét egyenes és viszonylag egyenletes betontakarási mélységben van.

Radiográfia (röntgen vagy gamma-sugár) kétdimenziós képet készít a feszítőbetétről radiográfiai filmen vagy digitális detektoron. A gammagráfia Iridium-192 vagy Kobalt-60 forrásokkal akár 600-800 mm betont is képes áthatolni és leképezni a belső feszítőbetéteket, csatornákat és horgonyzásokat. A radiográfia feltárhatja a fugázási üregeket, törött huzalokat, korróziós pontokat és csatornasérüléseket. A módszer hozzáférést igényel az elem mindkét oldalához, valamint szigorú biztonsági ellenőrzéseket a sugárzásnak való kitettség miatt.

Ultrahangos vizsgálat (UT) alacsony frekvenciájú nyíróhullám-átalakítókkal képes érzékelni korróziós pontokat, keresztmetszet-veszteséget és törött huzalokat beágyazott feszítőbetétekben. A technikák közé tartoznak a pulzus-visszhang és adó-vevő konfigurációk. A betontakaró csillapítja az ultrahangos jelet, korlátozva a hatékony vizsgálati mélységet körülbelül 200-400 mm-re. A többszálas feszítőbetétben lévő szorosan elhelyezkedő huzalok több visszaverő felületet hoznak létre, ami megnehezíti a jelértelmezést.

Talajradar (GPR) 1,0-2,6 GHz frekvenciákkal képes lokalizálni a csatornákat és azonosítani az üregeket a fugázott feszítőbetétekben. A fugázóanyag üregei erős visszaverődéseket produkálnak a levegő-fugázóanyag dielektromos kontrasztja miatt. A GPR nem képes közvetlenül leképezni az acél állapotát, de értékes a területek azonosítására, ahol a korrózióvédelmet veszélyeztette a nem megfelelő fugázás.

Elektrokémiai módszerek értékelik a beágyazott acél korróziós aktivitását. A félcellás potenciáltérképezés (ASTM C876) méri a feszítőbetét elektromos potenciálját a betonfelületre helyezett referenciaelektródához képest. A -350 mV-nál negatívabb potenciálok a Cu/CuSO₄ elektródához képest az aktív korrózió nagy valószínűségét jelzik. A lineáris polarizációs ellenállás (LPR) mérések megbecsülhetik a feszítőbetét pillanatnyi korróziós sebességét. Ezek a módszerek elektromos csatlakozást igényelnek a feszítőbetéthez, amely csak a horgonyzásoknál lehet hozzáférhető.

Elektromos időtartomány-reflektometria (ETDR) svájci kutatók által vizsgált módszer a korrózió érzékelésére tapadó feszítőbetétekben. A technika nagyfrekvenciás elektromos impulzusokat küld a pászma mentén, és elemzi a hibák helyén fellépő impedancia szakadások által okozott visszaverődéseket. Az NCHRP 10-53 tanulmány megállapította, hogy az ETDR nem alkalmas tapadó feszítőbetétekhez, mert a vezető fugázóanyag és a környező beton csillapítja és szétszórja a jelet, megakadályozva a megbízható hibafelismerést.

Feszítőbetét Törés és Következményei

A feszítőbetét törése egy hirtelen, gyakran katasztrofális esemény. Amikor egy nagy szilárdságú huzal a szakítószilárdságának 70-80%-án eltörik, a huzalban tárolt rugalmas energia szinte azonnal felszabadul. Tapadó feszítőbetétekben a fugázóanyag mérsékli az energiafelszabadulást azáltal, hogy az erőt a feszítőbetét hossza mentén tapadással továbbítja. A törött huzal csak rövid távolságra húzódhat vissza, mielőtt a fugázóanyag megállítja, és a pászma megmaradt huzaljai tovább viselik a terhelést — bár magasabb feszültségszinten.

Tapadásmentes feszítőbetétekben a törés súlyosabb következményekkel jár. A teljes pászma szabadon mozoghat a burkolatában, és egy teljes pászmatörés egy horgonynál a teljes előfeszítő erőt felszabadítja azon a helyen. A pászma csapkodhat a burkolaton belül, lokális károsodást okozva a szomszédos betonban. Az előfeszítés hirtelen elvesztése a törött feszítőbetétnél a födém vagy gerenda hirtelen lehajlását okozhatja, ami potenciálisan átszúródási tönkremenetelet idézhet elő sík födémekben vagy hajlítási repedezést gerendákban.

A feszítőbetét törésének következményei a szerkezeti rendszertől, a feszítőbetétek számától és az elem redundanciájától függenek. Egy 20 feszítőbetéttel rendelkező hídgerendában egy feszítőbetét törése 5-10%-kal csökkentheti a teherbírást, ami elfogadható lehet, ha az elem tartalék szilárdsággal rendelkezik. Egy olyan épületfödémben, ahol csak két vagy három feszítőbetét van egy mezőnként, egyetlen törés a feszítőerő 30-50%-ának elvesztését jelentheti, potenciálisan összeomlást okozva. A tapadásmentes utófeszített feszítőbetétek tönkremenetelét parkolóházakban számos esettanulmány dokumentálta, gyakran a horgonyzásnál fellépő korrózióhoz kapcsolódva, ahol nedvesség és kloridok gyűlnek össze.

Feszítőerő-veszteség

A feszítőerő-veszteség a feszítőbetét effektív húzóerejének csökkenése a kezdeti sajtolóerőtől a szerkezet élettartama során bármely ponton fennálló tartós értékig. A veszteségeket azonnali (a feszítés során vagy közvetlenül utána fellépő) és időfüggő (évek alatt fellépő) kategóriákba sorolják.

Azonnali veszteségek közé tartozik a beton rugalmas összenyomódása az előfeszítés alkalmazásakor (előfeszített elemekben), súrlódási veszteségek a feszítőbetét és csatornája között a feszítés során (utófeszített elemekben), valamint a horgonybehúzódás (az ékek enyhe behúzódása a sajtoló elengedésekor). A súrlódási veszteségeket a csatorna egyenetlenségi tényező (k) és a görbületi súrlódási tényező (μ) segítségével számítják, amelyek a csatorna anyagától és a feszítőbetét típusától függenek. Az utófeszítési előírások jellemzően megkövetelik a feszítési jegyzőkönyveket, amelyek mind a sajtolóerőt, mind a mért megnyúlást mutatják, hogy megerősítsék a súrlódási veszteségek a tervezési feltételezéseken belül vannak.

Időfüggő veszteségek négy kölcsönhatásban lévő jelenségből származnak:

Beton zsugorodás — ahogy a beton kiszárad hónapok és évek alatt, megrövidül, csökkentve a feszítőbetét alakváltozását és így a feszítőbetét erejét. A zsugorodás függ a betonkeveréktől, a környezeti relatív páratartalomtól, az elem méretétől és a párolgásgátlási eljárástól. Az ACI 209 szabványos zsugorodási modelleket biztosít.

Beton kúszás — az előfeszítő erőből származó tartós nyomófeszültség alatt a beton időfüggő alakváltozást (kúszást) szenved, amely fokozatosan megrövidíti az elemet és csökkenti a feszítőbetét alakváltozását. A kúszás arányos a feszültségszinttel, és a legnagyobb az első évben, elérve a végső kúszás körülbelül 70%-át 12 hónapon belül.

Acél relaxáció — az előfeszítő acél feszültségének időfüggő csökkenése állandó alakváltozás mellett. A kis relaxációjú pászma korlátozza ezt a hatást, de soha nem szünteti meg teljesen. A relaxációs veszteséget a kezdeti feszültségszint, az acélminőség és a hőmérséklet alapján számítják. Az emelt hőmérsékletek (híd pályaszerkezetének felmelegedéséből vagy tűz hatásának kitettségből) jelentősen felgyorsítják a relaxációt.

Rugalmas összenyomódás (utófeszítésben) — többszörös feszítőbetét-rendszerekben az egyik feszítőbetét megfeszítése összenyomja az elemet, ami csökkenti a korábban megfeszített feszítőbetétek húzását. Ezt a kölcsönhatást a feszítési sorrenddel kezelik.

A teljes hosszú távú előfeszítési veszteség egy tipikus hídgerendában a kezdeti sajtolóerő 15-25%-a körül van kis relaxációjú pászma esetén. Az AASHTO LRFD és az ACI 318 finomított és közelítő módszereket ír elő ezeknek a veszteségeknek a kiszámítására, beleértve a zsugorodás, kúszás és relaxáció közötti kölcsönhatás figyelembevételét. A finomított módszer az életkorhoz igazított effektív modulus analízist használja a jelenségek egyidejű természetének figyelembevételére.

A feszítőerő-veszteség csökkenti a használati teher húzófeszültségeinek ellensúlyozására rendelkezésre álló nyomást. Ha a veszteségek nagyobbak a tervezésben feltételezettnél, az elem repedezést tapasztalhat használati terheknél, megnövekedett lehajlást, csökkent végső hajlítóteherbírást és csökkent nyírási teherbírást (mivel az előfeszítés hozzájárul a nyírási ellenálláshoz a ferde nyomott rácsos mechanizmuson keresztül).

Feszítőbetétek Vizsgálata Hidákban

A hidak előfeszítő feszítőbetéteinek vizsgálata az AASHTO, FHWA és állami közlekedési ügynökségek által meghatározott protokollokat követi. A Nemzeti Hídvizsgálati Szabványok (NBIS) kétévente előírják a közutakon lévő összes híd vizsgálatát, de a betonfelületek szabványos szemrevételezése gyakran nem érzékeli a belső feszítőbetét-romlást. Felismerve ezt a korlátozást, számos ügynökség kiegészítő vizsgálati protokollokat dolgozott ki utófeszített hidakra.

Rutinvizsgálat magában foglalja az összes hozzáférhető feszítőbetét-horgonyzás, feszítőzsák és fugázósapka szemrevételezését. A vizsgálók rozsda elszíneződést keresnek a feszítőlemezeken, repedt vagy elmozdult fugázósapkákat, korróziót mutató kitett pászma végeket, valamint bármilyen vízszivárgást vagy nedvességet a horgonyzások közelében. A horgonyzásnál fellépő korrózió különösen kritikus, mert az ékek feszültségkoncentrációs zónát hoznak létre, és a hidrogén okozta ridegedéses tönkremenetel leggyakrabban a horgonyzásnál vagy annak közelében indul.

Részletes vizsgálat utófeszített hidak esetén magában foglalhatja a fugázósapkák eltávolítását az ékek és pászma végek közvetlen vizsgálatához, a csatornák kopogtatását (kalapáccsal történő megütögetés a rétegleválás vagy üregek területeinek azonosítására), és kiválasztott feszítőbetétek roncsolásmentes vizsgálati szűrését. Az FHWA Utófeszítő Feszítőbetét Beépítési és Fugázási Kézikönyve javasolja, hogy a vizsgálati személyzet speciális képzést kapjon az utófeszítő rendszerekről és korróziós mechanizmusokról, mivel a feszítőbetét-viselkedés finomságai nem szerepelnek a szabványos hídvizsgálati képzésben.

Akusztikus megfigyelés egyre gyakrabban kerül beépítésre kritikus utófeszített hidakon. A gerendára szerelt állandó AE érzékelő tömb folyamatos felügyeletet biztosít a huzaltörések számára. Amikor egy törést észlelnek, a helyszínt triangulálják, és kiváltják a terület részletes vizsgálatát.

Fugázóanyag mintavétel és vizsgálat akkor történik, ha a fugázóanyag minőségének problémájára gyanakodnak. A mintákat a csatornából fúrt hozzáférési nyílásokon keresztül veszik, és vizsgálják nyomószilárdságra, pH-ra, kloridtartalomra, valamint üregészlelésre endoszkópiával.

Az utófeszített hidak kulcsfontosságú vizsgálati kihívását az NCHRP 10-53 tanulmány emelte ki: az ország előfeszített betonhíd-állománya, amely ma már csak az Egyesült Államokban több mint 100 000 darab, közeledik az általános tervezési élettartamhoz, ami 50 év. E hidak közül sokat a modern fugázási gyakorlatok, korrózióvédelmi szabványok és minőségellenőrzési protokollok bevezetése előtt építettek. A régebbi szerkezetekben lévő feszítőbetétek állapota nagyrészt ismeretlen, és jelenleg nem létezik módszer a híd összes feszítőbetétének mennyiségi átfogó értékelésére. Ez kutatásokat ösztönzött alacsony költségű, előre elhelyezett érzékelőrendszerekre, amelyeket új építésű szerkezetekbe lehetne integrálni a jövőbeli állapotfigyelés lehetővé tétele érdekében, kiterjedt roncsolásmentes vizsgálat nélkül.

Feszítőbetétek Javítása és Cseréje

Amikor a feszítőbetét-romlást azonosítják, a megfelelő javítási stratégia függ a feszítőbetét típusától (tapadó vs. tapadásmentes), a károsodás mértékétől, az érintett feszítőbetét kritikusságától a teljes szerkezeti kapacitás szempontjából, valamint a feszítőbetét-rendszer hozzáférhetőségétől.

Tapadásmentes feszítőbetétek lokális korróziója esetén a horgonyzásnál a tipikus javítás magában foglalja a horgonyzás körüli kis betonterület bontását, a sérült pászma vég és ékek eltávolítását, valamint egy új feszítési hossz beépítését kapcsolt javító pászma segítségével. A javító pászmát megfeszítik és lehorgonyozzák, majd korróziógátló zsírral és új fugázósapkával védik. Ez a megközelítés jól bevált épületek és parkolóházak esetében.

Tapadásmentes feszítőbetétek kiterjedt pászma korróziója esetén a feszítőbetét teljes hossza mentén a teljes feszítőbetét cseréje lehet szükséges. Az eredeti pászmát húzófogó segítségével kihúzzák a burkolatából, és egy új pászmát helyeznek be, feszítenek meg és horgonyoznak le. Ez csak akkor kivitelezhető, ha a burkolat érintetlen és a pászma szabadon csúsztatható. Ha a burkolat sérült vagy elzáródott, a feszítőbetét nyomvonalát betonbontással kell feltárni.

Tapadó feszítőbetétek kisebb korróziós károsodása esetén a javítás magában foglalhatja a fugázóanyag eltávolítását a csatornából az érintett terület körül, a pászmafelület tisztítását és újrafugázást. Ezt ritkán végzik el a fugázóanyag eltávolításának nehézsége miatt a pászma hét huzalja között.

Tapadó feszítőbetétek jelentős keresztmetszet-veszteséggel vagy törött huzalokkal kiterjedtebb beavatkozást igényelnek. A leggyakoribb megközelítés a külső utófeszítés — új feszítőbetétek felszerelése az elem külső oldalára, lehorgonyozva a keresztirányú gerendákhoz vagy merevítőkhöz. A külső feszítőbetétek jellemzően hét szálból álló pászmából készülnek HDPE csatornákban cementes fugázóanyaggal, vagy rudak menetes horgonyzásokkal. A külső utófeszítés kapacitást ad az elvesztett előfeszítés kompenzálására, és élettartama során szemrevételezéssel vizsgálható.

Szénszálas polimer (CFRP) erősítés alternatíva olyan szerkezeteknél, ahol acél feszítőbetétek hozzáadása nem praktikus, vagy ahol a korrózióállóság elsődleges fontosságú. CFRP szalagokat vagy rudakat ragasztanak a betonfelületre epoxid ragasztóval, és speciális feszítőkeretek segítségével elő is feszíthetők. A CFRP erősítés növeli a hajlítóteherbírást, de nem helyettesíti olyan hatékonyan a leromlott előfeszítő feszítőbetét funkcióját, mint az új acél utófeszítés.

Teljes feszítőbetét-csere a leginvazívabb javítás, és a legkritikusabb esetekre van fenntartva. Ez magában foglalja a szerkezet megtámasztását, betonrészek bontását a feszítőbetét nyomvonalához való hozzáférés érdekében, a régi feszítőbetét eltávolítását, új csatorna és feszítőbetét beépítését, újrafeszítést, fugázást és a beton pótlását. Ez a megközelítés rendkívül költséges és zavaró, de szükséges lehet olyan szerkezeteknél, ahol a feszítőbetétek széles körben leromlottak, és a külső utófeszítés önmagában nem képes helyreállítani a megfelelő kapacitást.

Minden feszítőbetét-javítási műveletet ellenőrzött sorrendben kell végrehajtani, figyelembe véve a feszültség-újraeloszlást a beavatkozás során. A leromlott feszítőbetétek melletti sajtolási műveletek túlterhelhetik a még érintetlen feszítőbetéteket vagy váratlan feszültségeket indukálhatnak a betonban. Az előfeszített beton tervezésben tapasztalt szerkezettervező mérnöknek kell felügyelnie a javítás tervezését és kivitelezését.

Javítási Lehetőségek Összefoglalása

Szabványok és Előírások

A feszítőbetétek tervezését, anyagait, beépítését és vizsgálatát átfogó nemzetközi és nemzeti szabványok szabályozzák:

Ezek a szabványok alkotják azt a technikai keretrendszert, amelyen belül a feszítőbetét-kiválasztás, tervezés, beépítés és állapotértékelés folyik. Az előfeszített betonszerkezetekért felelős hídvizsgálók és szerkezettervező mérnökök kötelesek naprakész ismeretekkel rendelkezni az alkalmazandó előírásokról.

Következtetés

A feszítőbetétek a legnagyobb mértékben igénybe vett szerkezeti elemek a modern betonépítésben. Funkciójuk — tartós húzóerők fenntartása a szakítószilárdság 70-80%-án — rendkívüli követelményeket támaszt az anyagminőséggel, korrózióvédelemmel és állapotfelméréssel szemben. A feszültségcsökkentettről kis relaxációjú pászmára való áttérés, valamint az egyszerű csupasz huzalrendszerekről a többrétegű védelmi rendszerekre (burkolat + zsír/fugázóanyag + műanyag csatorna) való fejlődés drámaian javította az előfeszített betonszerkezetek tartósságát. Azonban az ezen fejlesztések előtt épült hidak öregedő állománya növekvő kihívást jelent az infrastruktúra-menedzserek számára.

A hatékony feszítőbetét-állapotfelmérés több módszer együttes alkalmazását igényli, kombinálva a hozzáférhető alkatrészek szemrevételezését, a beágyazott szegmensek fejlett roncsolásmentes vizsgálati szűrését, a korróziós aktivitás elektrokémiai értékelését és — ahol indokolt — a feltárt hozzáférési nyílásokon keresztüli vagy roncsolásos mintavétellel végzett közvetlen vizsgálatot. Egyetlen roncsolásmentes vizsgálati módszer sem képes átfogóan értékelni minden feszítőbetét-állapotot minden szerkezeti konfigurációban. A gyakorlati stratégia kiválasztja a módszerek megfelelő kombinációját a feszítőbetét típusa, a szerkezeti rendszer, a hozzáférési korlátozások és a gyanított specifikus leromlási mechanizmusok alapján.

Ahogy az országos hídállomány folyamatosan öregszik, a költséghatékony, megbízható feszítőbetét-vizsgálati technológia fejlesztése továbbra is prioritás marad a hídépítő szakma számára. Az előre elhelyezett érzékelők, az állandó AE megfigyelőrendszerek és a továbbfejlesztett MFL pásztázó berendezések képviselik a legígéretesebb irányokat e szükséglet kielégítésére.