GEOTEKNINEN KUNNOSSAPITO Kuinka rakennusinsinöörit voivat hyödyntää geopolymeerien injektointitekniikkaa Uretekille laatineet projekti-insinööri Liam Bromley ja tekninen johtaja Daniel Hadfield
Tiivistelmä Geopolymeeri-injektointi on perinteisille paalutus- ja tuentaratkaisuille häiriöttömän ja tehokkaan vaihtoehdon tarjoava menetelmä, jota Uretek on tutkinut, kehittänyt, testannut ja hyödyntänyt jo 30 vuoden ajan. Uretek-geopolymeerien injektointimenetelmässä toteutus voidaan jakaa proaktiiviseen (maaperän vahvistus auttaa lisäämään sen kantokykyä tai ehkäisemään ajan myötä tapahtuvaa painumista) tai reaktiiviseen (jo syntyneen painuman korjaaminen). Johdanto Geopolymeerien injektointi voidaan luokitella kahdessa vaiheessa tehtäväksi: 1. Pinnan tiivistäminen 2. Syvempien maakerrosten tiivistäminen Pintaa tiivistettäessä geopolymeeriä injektoidaan matalalle alueelle perustuksen alle, minkä tarkoituksena on täyttää käsitellyllä alueella olevat onkalot ja palauttaa näin perustuksen pohjan ja alla olevan maaperän välinen kontakti. Tiivistys syvemmällä maaperässä vaikuttaa maa-ainekseen, johon kohdistuu enemmän kuormituksen aiheuttamia voimia. Syväkäsittelyn tavoitteena on tiivistää maata täyttämällä ja tiivistämällä onkalot poistamalla käsiteltävästä maa-aineksesta ilmaa ja vettä tiivistämällä ja yhtenäistämällä maaperää (mikäli se on rakeista). Injektoitu geopolymeeri liikkuu ja paisuu sekä vaaka- että pystysuunnassa ja etenee kohtaamansa pienimmän vastuksen reittiä alueelle, joka tarvitsee eniten vahvistusta. Tämän jälkeen geopolymeeri laajenee pystysuunnassa ja kohdistaa painetta perustuksen pohjaan. Samalla siihen asti nestemäisessä olomuodossa ollut geopolymeeri kiinteytyy ja kovettuu. Kunkin injektointipisteen ympärille muodostuu säteeltään noin yhden metrin laajuinen vaikutusalue (riippuen käytetyn geopolymeerin ominaisuuksista), jossa maaperän vahvuus kasvaa. Injektointipisteet sijoitetaan tavallisesti 1,0 1,5 metrin etäisyydelle toisistaan, jolloin saadaan varmistettua koko vahvistamista vaativan alueen käsittely. Pisteiden väliseen etäisyyteen vaikuttavat useat tekijät, kuten maaperän tyyppi, sen vahvuus ja maahan kohdistuva kuormitus. Uretek on kehittänyt yhdessä maailmanlaajuisesti johtavan kemikaalivalmistajan kanssa tuotevalikoiman, joka käsittää yli 30 erilaista, projektien laajuuden ja maaperän ominaisuuksien mukaan valittavaa ainetta. Jokaisella geopolymeeriaineella on yksilöityjä, eri tilanteissa hyödyllisiä ominaisuuksia. Näitä ovat muun muassa: Vaahtoutumisaika aika, jonka jälkeen injektoitu geopolymeeri alkaa muuttua nestemäisestä kiinteäksi. Geeliytymisaika aika, joka kuluu geopolymeerin pintaan kiinnittymiseen, mikä on samalla merkki laajenemisvaiheen alkamisesta. Kosketuskuivumisaika aika, jonka jälkeen geopolymeeri lakkaa tarttumasta pintaan, mikä merkitsee laajenemisvaiheen loppumista. Vapaapaisumistiheys geopolymeerin tiheys, kun se on injektoitu ilman laajentumista rajoittavaa eristystä (laajentumisen rajoittaminen vaikuttaa suoraan geopolymeerin lopputiheyteen, joten vapaa nousutiheys 1 GEOTEKNINEN KUNNOSSAPITO: Kuinka rakennusinsinöörit voivat hyödyntää geopolymeerien injektointitekniikkaa
on aineen alin mahdollinen tiheys). Uretekin häiriöttömyyteen pyrkivän toimintaperiaatteen mukaisesti maaperän kantavuutta lisäävä injektointi tehdään asiakaskohteen luo siirrettävään kalustoon rakennetusta työpisteestä, joka sisältää kaiken vakioprojekteihin tarvittavan kaluston ja laitteistot. Kohteesta ja maaperän olosuhteista riippuen Uretekin teknikot työskentelevät kohteessa joko injektioputken ulosvetomenetelmää tai injektoinnin moniputkistomenetelmää käyttäen. Ulosvetomenetelmä 1. Vaadittuun syvyyteen porataan halkaisijaltaan 16 50 millimetriä leveä reikä. 2. Reikään asennetaan tarvittavan pituinen injektointiputki. 3. Geopolymeeri injektoidaan putken kautta kohteeseen ennalta määritellyllä virtausnopeudella injektointiputkea samanaikaisesti ulos vetäen. Moniputkistomenetelmä 1. Vaadittuun syvyyteen porataan halkaisijaltaan 16 50 millimetriä leveä reikä. 2. Reikään viedään joukko eri syvyyteen ulottuvia injektointiputkia. 3. Kuhunkin putkeen injektoidaan ennalta määritelty määrä geopolymeeriä. Materiaalit Uretek-geopolymeerit ovat rakenteellisia monikomponentti-polymeereja. Kun nämä komponentit sekoitetaan toisiinsa injektointityön aikana, alkaa polymerisoituminen. Se on prosessi, joka aiheuttaa materiaalin muuttumisen nestemäisestä kiinteäksi (sekä samanaikaisen laajentumisen). Uretekin materiaalivalmistajat ovat laskeneet geopolymeerien mekaanisen lujuuden suorittamalla EN 826 -standardin mukaisia puristuslujuustestejä (kyseisen standardin mukaan puristuslujuus mitataan, kun kohteessa ilmenee 10 % suuruinen muodonmuutos). Kun geopolymeeri on injektoitu työkohteeseen, se ei yleensä paisu täyteen mittaansa eli vapaaseen nousutiheyteen asti, koska injektoidut maa-aineskerrokset aiheuttavat geopolymeeriin kohdistuvaa vastapainetta ja rajoittavat siten vaakasuuntaista muodonmuutosta. Ilmiön jäljittelemiseksi Uretekgeopolymeerien puristuslujuustestit on suoritettu käyttämällä muottia, joka rajoittaa ja estää vaakasuuntaisen muodonmuutoksen syntymistä. Geopolymeerin puristuslujuus riippuu injektoinnilla saavutettavasta tiheydestä. Sen vuoksi kunkin materiaalin puristuslujuus on mitattu eri tiheysarvoilla, jotta tulosmatriisia voitaisiin tarvittaessa hyödyntää interpolointiin. GEOTEKNINEN KUNNOSSAPITO: Kuinka rakennusinsinöörit voivat hyödyntää geopolymeerien injektointitekniikkaa 2
Alla on esitetty kahden eri Uretek-geopolymeerin puristuslujuustestien tulokset: Vapaa sivusuuntainen laajeneminen Rajoitettu mittaus Tiheys 10 %:n puristus E-moduuli Tiheys 10 %:n puristus E-moduuli kg/m 3 MPa N/mm 2 kg/m 3 MPa N/mm 2 Uretek A Uretek B 163 2.544 66 164 3.050 66 229 4.311 97 230 5.004 102 324 4.383 120 325 5.232 123 402 8.536 219 402 10.926 217 Environmental impact of Uretek Resins on soil and groundwater on Uretekin materiaalivalmistajan laatima julkaisu, jossa tarkastellaan injektoitujen geopolymeerien ympäristövaikutuksia ja materiaalivalmistajan asiasta suorittamia testejä. Julkaisun yhteenvedossa todetaan: Uretekin materiaalikomponentit injektoidaan maaperään, minkä vuoksi ne voisivat teoriassa vaikuttaa maaperän ja kohdetta ympäröivän pohjaveden ympäristölliseen ja ekologiseen tilaan. Useissa ympäristövaikutustutkimuksissa, joissa on selvitetty Uretek-hartsin vaikutusta maaperään, on kuitenkin havaittu, että Uretek-hartsit eivät vaikuta ympäristöönsä tai vaikuttavat siihen hyvin vähän. Vedenläpäisevyyskokeita on tehty sekä puhtaille Uretek-geopolymeereille että injektoidusta maaperästä otetuille näytteille, joissa paikan päällä toteutunut geopolymeerin tiheys on ollut noin 37 kg/m³. Tätä tiheyttä voidaan pitää matalana geopolymeerin tiheytenä (kohteessa toteutuvaan tiheyteen vaikuttavat useat tekijät, kuten geopolymeerin paisumisen aikana aineeseen vaikuttanut vastapaine). Koetilanne edusti siis huonoimpien olosuhteiden tilannetta. Testit osoittivat, että puhtaan geopolymeerin kyky estää veden läpäisevyyttä on 1.10-9 1.10-8 m/s, mikä viittaa alhaiseen huokoskanavien määrään. Injektointikäsitellystä maaperästä otetun näytteen vedenläpäisyarvo oli noin 10 10 m/s. Tulosten perusteella tultiin siihen johtopäätökseen, että geopolymeerin rakenne koostuu lähes yksinomaan suljetuista huokosista, joista vesi ei pääse läpi. Injektoiduista maaperänäytteistä mitattu erittäin alhainen vedenläpäisevyys johtui materiaalissa satunnaisesti esiintyvistä mikroluokan virheistä. Kokeiden yhteenvedossa todettiin seuraavaa: Näitä hartseja voidaan pitää käytännössä vettä läpäisemättöminä, eikä veden imeytyminen vaikuta niiden toimintakykyyn. Uretek on toteuttanut eri puolilla toimipisteverkostoaan ja yhdessä materiaalivalmistajansa kanssa useita laboratoriokokeita, joiden avulla on määritetty geopolymeerien fysikaalisia ja mekaanisia ominaisuuksia. Yksi näistä kokeista suoritettiin osoittamaan paisumisvoiman ja tiheyden välistä suhdetta. Koe tehtiin käyttämällä erityisvalmisteista laitetta, joka mahdollisti geopolymeerin injektoimisen männällä varustettuun jäykkään metallisylinteriin. Geopolymeeri alkoi laajentua pystysuunnassa heti injektoinnin jälkeen (säiliön jäykkyyden takia aine eteni ylöspäin pienimmän vastuksen periaatteen mukaisesti). 3 GEOTEKNINEN KUNNOSSAPITO: Kuinka rakennusinsinöörit voivat hyödyntää geopolymeerien injektointitekniikkaa
Paisuessaan geopolymeeri ajoi mäntää ylöspäin. Muutaman senttimetrin mittaisen liikeradan jälkeen manometrilla varustettu poikittaisvarsi pysäytti männän liikkeen. Paisumisvoima saatiin tämän jälkeen selville mittaamalla paine, jonka poikittaisvarsi otti vastaan estääkseen mäntää liikkumasta ylöspäin. Koetulokset antoivat vastaukseksi seuraavan suhteen: P = exp (0,23(Yrf - 0,36))-1 jossa P = paisumisvoima (ilmoitettu MPa:na) Yrf = paisuvan geopolymeerin volyymin painoyksikkö (kn/m 3 ) Nestemäisenä (Vri) maaperään injektoidun geopolymeerin volyymin paisuntasuhde (Yrf) voidaan myös laskea. Geopolymeerin massa pysyy olennaisilta osiltaan ennallaan aineen muuttuessa alkuperäisestä nestemäisestä tilastaan lopulliseen laajentuneeseen kiinteään olotilaan. Tämän vuoksi volyymit Vri ja Yrf voidaan rinnastaa paisuvan ja nestemäisen geopolymeerin ominaispainoon. Paisuntasuhde voidaan johtaa seuraavasta yhtälöstä: 10,5/0,36 + (1/0,23) ln (1+P) jossa 10,5 tarkoittaa nestemäisen geopolymeerin 10,5 kn/m 3 ominaispainoa. Vahvistus Riippumatta siitä, käytetäänkö geopolymeeri-injektointia pysäyttämään maa-aineksen tulevia painumia vai lisäämään sen vahvuutta, Uretekin teknikot seuraavat injektoinnin kulkua mittaamalla rakenteen liikkeitä. Korjattavan kohteen maanpäällisiä osia valvotaan injektointiprosessin aikana laserkeilaustekniikalla ja aktiivisen injektointipisteen läheisyyteen asennettavilla sensoreilla. Injektointia jatketaan, kunnes liikahtaminen on rekisteröitävissä (< 0,5 mm). Rekisteröity liike osoittaa hetken, jolloin maaperän tavoiteltu tiivistymisaste on saavutettu. Samalla se osoittaa, että käsitelty maaperä on vahvistunut riittävästi kantamaan rakenteiden aiheuttaman kuorman, koska ylöspäin perustuksen pohjaan suuntautuva voima on aiheuttanut liikahduksen ylöspäin. Geopolymeeri-injektoinnilla saavutetun vahvuusasteen määritykseen käytetään yleensä dynaamista kartiokoetta (DCP). Tämän testauksen avulla voidaan saada tietoa käsitellyn maaperän olosuhteista ja selvittää testatun maaperän kantokyky 100 mm:n askelin. Maaperän vahvistuminen voidaan osoittaa vertaamalla ennen käsittelyä suoritettujen testien tuloksia käsittelyn jälkeen tehtyjen DCP-testien tuloksiin. Sekä ennen injektointia että sen jälkeen tehtävä DCP-testaus suoritetaan Pagani DPM 30 20 -penetrometrillä ja 30 kg:n pudotuspainoilla. Mittaamalla, kuinka monta iskua tarvitaan tangon ajamiseen testattavassa maaperässä 100 mm:n syvyyteen, saadaan vahvuudelle numeerinen arvo. Muuntaessaan DCP-testitietoja Uretek käyttää todellista konversiota N(300) = N(100) x 1,25. Näin Uretek pystyy suhteuttamaan dynaamisella kartiokokeella (DCP) saamansa tulokset standardinmukaisen läpäisykykytestin (SPT) arvoihin ja muuntamaan tulokset tavallisia geoteknisiä GEOTEKNINEN KUNNOSSAPITO: Kuinka rakennusinsinöörit voivat hyödyntää geopolymeerien injektointitekniikkaa 4
kaavoja ja parametrejä käyttäen. Kun vastaava SPT-arvo on saavutettu testisyvyydessä, voidaan johtaa leikkauslujuusarvo käyttämällä pahimman tapauksen tilannetta (eli sitä, että maaperä on kokonaan koheesiomaata ja altis leikkausvialle). Tämä saavutetaan käyttämällä jälleen tuttua Stroudin metodologiaa, joka yhdistää SPT:n leikkauslujuuteen. Käyttämällä taas pahimman tapauksen olettamusta, että maaperä on täysin koheesiomaata, se tuottaa toiminnon, joka yhdistää nämä kaksi parametria muuttuvalla plastisuusluvulla. Siten on mahdollista olettaa seuraava suhde: Leikkauslujuus: Cu = 5,0 x N(300). Muunnoslaskentojen loppuvaiheissa Uretekin on johdettava kantokyky käyttämällä perinteistä kantokykyteoriaa, joka vastaa 6 Cu:ta. Uretek käyttää sitten varmuuskerrointa, joka riippuu töiden tavoitteesta. Mikäli geopolymeeri-injektointia hyödynnetään uudessa rakennuskohteessa, käytetään varmuuskerrointa 3. Jos geopolymeeri-injektointia hyödynnetään vanhan rakennuksen kunnostustöiden yhteydessä, käytetään varmuuskerrointa 2. Geopolymeeri-injektoinnin tuloksia on testattu myös lukuisilla eri menetelmillä, kuten levykuormituskokeilla, CBR-testeillä ja GPR-tutkimuksilla (asiakkaan vaatimuksista riippuen). Yhteenveto Uretek pyrkii kehittämään jatkuvasti sekä käyttämiään geopolymeerejä (olemassa olevien materiaalien jatkokehittäminen ja uusien geopolymeerien luominen) että hyödyntämiään toimintatapoja. Tämän ansiosta Uretek voi mukautua joustavasti niin asiakkaiden tarpeisiin kuin erilaisiin työmaaolosuhteisiinkin. Näin varmistetaan, että Uretekin filosofia korjauksen häiriöttömyydestä on vaalittavissa samalla kun yhtiö voi jatkaa geopolymeeri-injektoinnin etujen esittelyä. Näitä etuja ovat muun muassa nopeus työn häiriöttömyys tehokkuus minimaalinen työkalusto minimaaliset ympäristövaikutukset kaivutöiltä välttyminen. Rakennusinsinöörien kannalta geopolymeeri-injektoinnin tärkein etu on sen tehokkuus. Perinteisten invasiivisten menetelmien aiheuttamia aikataulu- ja työmaahäiriöitä sekä niiden kokonaiskustannusvaikutusta on alettu laskea ja ymmärtää entistä laajemmin. Geopolymeeri-injektoinnin avulla maaperä saadaan vahvistettua jo muutamassa päivässä, minkä ansiosta rakennushankkeen osapuolet voivat keskittyä urakan pitkän aikavälin tavoitteisiin. Geopolymeeri-injektoinnin käyttöä koskeva tutkimusaineisto ja yli 200 000 toteutunutta injektointiprojektia osoittavat, miksi konsultoivien rakennusinsinöörien kannattaa jo lähtökohtaisesti harkita geopolymeerien hyödyntämistä. 5 GEOTEKNINEN KUNNOSSAPITO: Kuinka rakennusinsinöörit voivat hyödyntää geopolymeerien injektointitekniikkaa
Esimerkkitapaus Irlannin kansallisgalleria Dublinissa Merrion Squarella sijaitsevan Irlannin kansallisgallerian kahta näyttelytilaa, Dargan ja Milltown -siipeä, päätettiin uudistaa rakennuksen laajan remontin yhteydessä. Kunnostustöiden aikana kävi kuitenkin ilmi, että rakennuksen seinien alla oleva maaperä oli 28 juoksumetrin matkalla niin heikkoa (ks. kaaviokuva alla), ettei se kestäisi ehdotettujen muutostöiden aiheuttamia kuormituksia, jotka olisivat 80 kn/m2, 229 kn/m2, 272 kn/m2 ja 330 kn/m2. Tämän vuoksi rakennusyhtymä John Paul Construction otti yhteyttä Uretekiin ja pyysi yhtiötä vahvistamaan maaperän tarvittavalta alueelta, jotta suunniteltu remontti onnistuisi. Asiakkaan toimittaman pohjatutkimusraportin tarkastelun jälkeen sekä otettuaan huomioon perustuksen mitat ja kohteen maksimikuormituksen (330 kn/m2), Uretek ehdotti ratkaisuksi geopolymeeriinjektointia, joka ulotettaisiin urakoitavan seinän alapuolelle 2,5 metrin syvyyteen. Maaperätutkimusten yhteydessä otetut ja analysoidut näytetestit osoittivat, että käsittelyn jälkeen maaperä pystyisi kantamaan vaaditut kuormat turvallisesti. Injektointityön päätyttyä Uretek suoritti dynaamisen näytetestauksen, jonka avulla varmistettiin työn onnistuminen (katso alla): Rakennustyömaan piirustus: * * * * GEOTEKNINEN KUNNOSSAPITO: Kuinka rakennusinsinöörit voivat hyödyntää geopolymeerien injektointitekniikkaa 6
Rakennustyömaan testitulokset Rakennuskohde: Irlannin Kansallisgalleria Syvyys maanpinnasta 0.1m Iskujen määrä ennen Kantokyky kn/m 2 Iskujen määrä jälkeen Kantokyky kn/m 2 0.1m 0.2m 0 5 10 15 20 25 30 0.2m 0.3m 0.3m 0.4m 0.4m 0.5m 0.6m 0.5m 0.7m 0.6m 0.8m 0.7m 0.8m 0.9m 1.0m 1.1m 0.9m 11 206.25 19 356.25 1.0m 9 168.75 19 356.25 1.1m 9 168.75 22 412.50 1.2m 7 131.25 23 431.25 1.3m 8 150 31 581.25 1.2m 1.3m 1.4m 1.5m 1.6m 1.7m 1.4m 11 206.25 33 618.75 1.5m 10 187.50 36 675.00 1.6m 10 187.50 40 750.00 7 GEOTEKNINEN KUNNOSSAPITO: Kuinka rakennusinsinöörit voivat hyödyntää geopolymeerien injektointitekniikkaa