Gradbeni vestnik letnik 73 junij 2024 114 Izr. prof. dr. Andrej Kryžanowski, univ. dipl. inž. grad. andrej.kryzanowski@fgg.uni-lj.si Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Jamova cesta 2, 1000 Ljubljana Znanstveni članek UDK/UDC: 624.01:627.8-033(282) ABRAZIJSKA ODPORNOST BETONOV NA VODNIH ZGRADBAH ABRASION RESISTANCE OF CONCRETE ON HYDRAULIC STRUCTURES Izr. prof. dr. Andrej Kryžanowski ABRAZIJSKA ODPORNOST BETONOV NA VODNIH ZGRADBAH Povzetek V članku smo analizirali pojav abrazijske erozije betonov na vodnih zgradbah, ki je posledica abrazijskega delovanja z vodnim tokom rinjenih plavin. Detajlno nas je zanimala ustreznost metode za ugotavljanje stopnje abrazijske erozije betonov na vodnih zgradbah po standardu ASTM C 1138. To smo ocenili s primerjavo med laboratorijskimi rezultati in meritvami abrazijske odpor- nosti betona v naravi z izvedbo preskusnih polj v podslapju HE Vrhovo. Ustreznost metode smo analizirali za betone, ki so bili vgrajeni na evakuacijskih objektih hidroelektrarn na spodnji Savi. Pri tem smo osnovne sestave betonov modificirali z dodatki primarnega veziva, jeklenih in polipropilenskih vlaken ter z gumenim agregatom. Analiza je pokazala kvalitativno podobnost stopnje abrazijske erozije betonov med laboratorijskimi meritvami in meritvami v naravi. Kvantitativna primerjava rezultatov pa je pokazala dobro korelacijo med laboratorijskimi meritvami in meritvami v naravi kakor tudi primernost laboratorijske metode po standardu ASTM C 1138 za oceno odpornosti betonov proti obrabi na prelivih verige HE na spodnji Savi. Ključne besede: abrazija, abrazijska odpornost, betoni, vodne zgradbe Summary The paper deals with the issues of concrete resistance to long-term abrasion loading caused by waterborne particles. The purpo- se of the research work is to define the criteria for the design of abrasion-resistant concrete linings for the proposed hydro power plants on the Sava River. The abrasion resistance of concrete was investigated in accordance with the standard ASTM C 1138 method. The research work was based on a comparison between laboratory results and measurements of the abrasion resistance of concrete under natural conditions by performing test plots in the stilling basin of the Vrhovo HPP. Concrete composites with different mechanical properties were analysed within the research programme. The basic composition of the concretes, which is the same as that of the spillway of the Vrhovo HPP, was modified by polymer or pozzolanic additives, as well as by the primary binder, steel fibers, polypropylene fibers and granular rubber. The analysis showed a qualitative similarity of the level of abrasion of concrete between laboratory simulations and field measurements, as well as suitability of the ASTM C 1138 laboratory method for assessing the abrasion resistance of concretes in the spillway of the HPP chain on the Lower Sava River. Key words: abrasion, abrasion resistance, concrete, hydraulic structures Gradbeni vestnik letnik 73 junij 2024 115 Izr. prof. dr. Andrej Kryžanowski ABRAZIJSKA ODPORNOST BETONOV NA VODNIH ZGRADBAH Stopnja razgradnje betonske površine je v največji meri odvi- sna od transportne sposobnosti vodnega toka in načina pre- meščanja trdnih delcev ([Mikoš, 1993], [Kim, 2004]). Proces razgradnje betonskih površin z abrazijsko erozijo poteka v več fazah in je odvisen od načina premeščanja rinjenih plavin. V začetni fazi, ko so hitrosti vodnega toka manjše, so poškod- be betonske površine posledica premeščanja rinjenih pla- vin (trdnih delcev) s kotaljenjem in drsanjem na podlago. Z naraščanjem transportne sposobnosti vodnega toka se manjši trdni delci začnejo premeščati z lebdenjem, večji trdni delci pa s poskakovanjem. Proces abrazijske erozije je v tej fazi od- visen od premeščanja rinjenih in suspendiranih plavin. Zato ob brušenju betonske površine opazimo tudi poškodbe be- tonske površine zaradi trkov trdnih delcev ob podlago. S po- večevanjem transportne sposobnosti vodnega toka se velikost in količina poskakujočih delcev občutno povečata, hkrati pa se povečujejo oziroma sočasno pojavijo različni hidrodinamič- ni fenomeni (pulzacije tlakov, kavitacija, podtlaki v vodnem telesu), ki proces razgradnje betonskih površin še intenzivirajo. Proces nastanka poškodb na betonskih površinah je povezan z naraščanjem velikosti trdnih delcev in intezivnosti udarcev ob podlago, kjer na kontaktu nastanejo inicialne poškodbe, ki predstavljajo z napredujočimi procesi jedro progresivnega širje- nja poškodbe v smeri vodnega toka [Jakobs, 2001]. Pri načrtovanju betonov na vodnih zgradbah je treba upošte- vati, da ne obstaja splošni kriterij določitve abrazijske odporno- sti. Običajno se abrazijska odpornost betonov oceni na osnovi niza parametrov, s katerimi dokazujemo posamezne mehan- ske lastnosti betonov, kot so tlačna trdnost, natezna trdnost, trdota agregata, uporaba posebnih cementov, elastični mo- dul, v/c-faktor, površinsko zaglajevanje, nega betona, dodatki cementu (elektrofilterski pepel, vlakna) in to v povezavi s preis- kovalnimi metodami, ki bolj ali manj realistično ponazarjajo abrazijske procese [Kryžanowski, 2009]. 1 UVOD Pojav poškodb na betonskih površinah zaradi abrazivnega delovanja z vodnim tokom rinjenih plavin je eden glavnih problemov, s katerimi se srečujemo pri obratovanju vodnih zgradb. Še posebej je problematično stanje na evakuacijskih in disipacijskih delih jezovnih zgradb z vodotoki z izrazitim hudourniškim karakterjem. Splošno tribološko strukturo obrabe betonskih površin na vodnih zgradbah opišemo na naslednji način [Kryžanowski, 2009]: (1) osnovno telo, ki ga v mirovanju predstavlja betonska površina konstrukcije, in (2) na betonsko površino delujoče telo, ki ga v gibanju pred- stavlja obtekajoči vodni tok. Način obrabe betonskih površin z vodnim tokom je odvisen od karakterističnega procesa raz- gradnje. S pojmom abrazijska erozija opisujemo v prispevku obrabo trdne površine, ki je posledica delovanja vodnega toka in trdnih delcev (plavin) v vodi, s pojmom vodna ero- zija pa označujemo obrabo trdne površine zaradi obtekanja vodnega toka s spremljajočimi hidrodinamičnimi fenome- ni. Omenimo še posebni primer vodne erozije - kavitacijsko erozijo, ki je posledica implozije parnih mehurčkov ob trdno podlago. Pojav abrazijske erozije betonskih površin na vod- nih zgradbah je lahko posledica delovanja razgraditvenih procesov: abrazije z obrusom zaradi trenjskih sil pri drsanju in kotaljenju z vodnim tokom premeščanih zrn plavin po betonski površini in udarne abrazije zaradi sil trka z vodnim tokom premeščanih zrn plavin ob udarcu z betonsko površi- no. S pojmom spiranje označujemo razgraditveni proces be- tonskih površin zaradi trenjskih sil pri obtekanju in pulzacij tlakov v obdajajočem vodnem telesu, s pojmom vodni udar pa razgraditveni proces betonskih površin zaradi sil trka ob udarcu vodnega slapa ali kapljic vode z betonsko površino in pulzacij tlakov pri izrazito turbulentnem režimu obdajajoče- ga vodnega telesa (preglednica 1). Preglednica 1. Prikaz načina obrabe za primere pojava triboloških sistemov na vodnih zgradbah - povzeto z dopolnitvami po ([DIN, 1979], [Uetz, 1986], [Jakobs, 2001]). tribološki sistem tribološke obremenitve način obrabe prevladujoči (ostali delujoči) razgradit- veni proces primer • betonska površina • vodni tok obtekanje + pulzacije tlakov vodna erozija spiranje preliv, derivacije obtekanje + pulzacije tlakov + udarjanje z vodnim curkom vodna erozija vodni udar (spiranje) podslapje, disi- pacijski objekti obtekanje pri velikih hitrostih + pulzacije tlakov + udarjanje z implozijami kavitacijska erozija kavitacija (spiranje) temeljni izpust, drča preliva, podslapje • betonska površina • vodni tok • zrna plavin obtekanje + pulzacije tlakov + obrus s trdnimi delci abrazijska erozija abrazija z obrusom (spiranje) prelivni prag, temeljni izpust, podslapje obtekanje + pulzacije tlakov + udarjanje z vodnim curkom s trdnimi delci abrazijska erozija udarna abrazija (spiranje + vodni udar) temeljni izpust, podslapje, disi- pacijski objekti Gradbeni vestnik letnik 73 junij 2024 116 Za določanje abrazijske odpornosti so najbolj razširjene me- tode z enakomernim brušenjem površine preizkušanca z abrazivnim telesom, ki sta med seboj v relativnem gibanju. Sadeyzadeh [Sadeyzadeh, 1987] je z uporabo metode rotira- jočih, krožno nameščenih jeklenih diskov na površini preiz- kušanca raziskoval vpliv površinske obdelave in nege na od- pornost betona in pri tem ugotovil, da je abrazijska odpornost betonov povezana s poroznostjo in trdnostjo površinske plasti, ki je dosežena z ustrezno površinsko obdelavo. Kunterding [Kunterding, 1990] ugotavlja, da se abrazijska odpornost be- tona povečuje z nižanjem v/c-faktorja ter ojačitvijo betonske matrice z uporabo visokotrdnih cementov, vlaken, mineralnih dodatkov (mikrosilika) in visokotrdnih agregatov. Pri tem tudi izpostavlja pomembnost poznavanja procesov: pri enakomer- nem brušenju je proces abrazije odvisen od koeficienta trenja med abrazivnim sredstvom in betonsko površino, pri čemer predstavlja abrazijska odpornost zrn agregata pomemben prispevek k odpornosti betona. Siddique ([Siddique, 2003], [Siddique, 2004]) je z uporabo metode z rotirajočo abrazivno ploščo in z dodatkom abrazivnega prahu raziskoval vpliv do- datka elektrofilterskega pepela (EF) na abrazijsko odpornost, kot nadomestitev deleža drobnih frakcij agregata in deleža ce- menta. V vseh primerih ugotavlja, da se z dodatkom EF in s sta- rostjo preizkušancev abrazijska odpornost povečuje, hkrati pa dokazuje proporcionalno povezanost med tlačno trdnostjo in abrazijsko odpornostjo. Horszczaruk [Horszczaruk, 2005] v svoji razpravi dokazuje, da je metoda z rotirajočo ploščo, po postopku Boehme [DIN, 2010] v primeru betonov visokih trdnosti, pre- malo selektivna za primerjave analize abrazijske odpornosti. Sebok in Stranel [Sebok, 2004] ugotavljata, da tlačna trdnost pri metodi obrusa odločilno vpliva na abrazijsko odpornost. Prednost metod z obrusom je ta, da se večinoma izvajajo po standardiziranih postopkih, kar omogoča primerjave rezulta- tov meritev. Slabost teh metod pa je v tem, da z izključevanjem vodnega medija ne ponazarjajo dejanskih pogojev abrazijske erozije na vodnih zgradbah, kar omejuje uporabnost metod. Problem raziskav abrazijske odpornosti betonov izhaja iz ne- zmožnosti ustvarjanja ustreznih hidravličnih razmer v labora- toriju za nastanek razvitega abrazijskega procesa. Naravnim razmeram se še najbolje približajo metode, ki omogočajo mo- deliranje triboloških mehanizmov vodnega toka z rinjenimi plavinami. Šetina [Šetina, 1969] poroča o raziskavi abrazijske odpornosti betonov z vodnim tokom in abrazivnim sredstvom (kremenčev pesek) v krožnem kanalu. Celotni čas trajanja pre- iskave je 25 ur, rezultat meritev je zmanjšanje prečnega pre- seka vzorca v času trajanja preskusa. Liu [Liu, 1981] poroča o razvoju testne metode, pri kateri je betonski preizkušanec v cilindrični posodi izpostavljen abrazivnem delovanju 70 jekle- nih krogel (od 13 do 25 mm), različnih dimenzij, rinjenih s kro- žnim vodnim tokom, ki ga ustvarja posebno mešalo, s pred- pisanim številom obratov. Krogle so pri tem vseskozi v stiku z betonsko površino. Metoda je standardizirana po postopku, ki ga predpisuje ASTM C1138 [ASTM, 1997]. Celotni čas trajanja preiskave je 72 ur, rezultat meritev je povprečna globina obra- be, ki je podana z razmerjem erodiranega volumna in površine preizkušanca. Na osnovi analiz raziskav po tej metodi so splo- šne ugotovitve, da se abrazijska odpornost povečuje z nižjim v/c-faktorjem, trdoto agregata, dodatkom vlaken, starostjo preiz- kušancev in z višanjem tlačne trdnosti ([Kryžanowski, 2009], [Horszczaruk, 2005], [Liu, 1981], [Šušteršič, 2004]). Scrivener in sodelavci [Scrivener, 1999] na osnovi preiskav po tej metodi in primerjalnih analiz z drugimi metodami (kavitacija, udar- na erozija) preskusov odpornosti betonov poročajo o bistveno povečani abrazijski odpornosti betonov s kalcij-aluminatnim cementom in sintetičnim agregatom. Bania [Bania, 1989] in Horszczaruk [Horszczaruk, 2004] poročata o razvoju in razi- skavah testne metode, ki je sestavljena iz fiksnega jeklenega bobna, deloma napolnjenega z mešanico vode in gramoza, ter rotirajoče grede, na katero so konzolno vpeti betonski preiz- kušanci. Proces abrazijske erozije je ustvarjen z gibanjem pre- izkušanca skozi abrazivni medij. Celotni čas trajanja preiskave je 96 ur, rezultat meritev je odstotna izguba mase v času izva- janja preiskave. Prednost metode je v tem, da je možno z re- gulacijo hitrosti vrtenja pospešiti procese abrazijske erozije in posredno meriti delo abrazivne mešanice pri obrabi preizku- šancev. Primerjave rezultatov abrazijske odpornosti betonskih preizkušancev med metodami abrazijske erozije [ASTM, 1997] in [Bania, 1989]) ter metodo obrusa po Boehme [DIN, 2010] nakazujejo delno primerjalno povezanost med rezultati pre- skusov ([Kryžanowski, 2009], [Jakobs, 2001], [Šušteršič, 2004]). Skupno opisanim metodam preskusov abrazijske odpornosti je to, da omogočajo zgolj kvalitativne primerjave med preiz- kušanci na podlagi sorazmernega deleža izgube mase ali vlo- ženega dela, ki ga opravi abrazivni medij v času izvajanja pre- iskave. Validacija rezultatov meritev in uporabnost metod za napovedi obnašanja betonov v naravi je možna samo z izved- bo preskusa v razmerah enake tistim, katerim bo ob obratova- nju izpostavljen načrtovani objekt, vključujoč spremljavo vseh relevantnih hidravlično-hidroloških parametrov [Kryžanowski, 2003]. Jakobs s sodelavci [Jacobs, 2001] je raziskoval abrazijske odpornosti različnih vrst betonov v naravi, s pripravo poskusnih polj v obtočnem prodnem izpustu akumulacije Runcahez in v laboratoriju, z uporabo preskusne metode po Banii. V razpravi ugotavlja določeno koreliranost med meritvami v naravi in re- zultati laboratorijskih preiskav. V tem prispevku predstavljamo rezultate raziskave abrazijske odpornosti betonov za potrebe gradnje verige HE na spodnji Savi. V sklopu raziskave so bila izvedena testna polja v podslap- ju HE Vrhovo z namenom izvedbe primerjalne analize med laboratorijskimi meritvami in meritvami obrabe betonov v naravi. Izvedeni raziskavi abrazijske odpornosti materialov v Švici in Sloveniji sta še vedno edini raziskavi na svetu, ki vklju- čujeta eksperimentalno delo ter preučevanje abrazijskih pro- cesov v naravi in sta z nadgraditvami eksperimentalnega dela in terenskega dela rezultatsko aktualni še v današnjem času ([Mueller-Hagmann, 2017], [Klun, 2023]). 2 OPIS PROBLEMATIKE Na spodnjem toku reke Save poteka projekt hidroenergetske izrabe rečnega odseka s šestimi pretočnimi HE, od katerih je izgrajenih pet stopenj (Vrhovo-1993, Boštanj-2006, Arto-Blan- ca-2009, Krško-2012 in Brežice-2017). Reka Sava ima značilen hudourniški karakter z izrazitimi hidrološkimi ekstremi, ki se kažejo v nihanjih pretokov (med 40 m3/s do preko 3000 m3/s) z zelo izrazito prodonosnostjo [Colarič, 1985]. Običajna let- na prodonosnost znaša 66.000 m3/leto, z ekstremi preko 260.000 m3/leto ali 12.000 m3/dan. Na osnovi sejalnih analiz in 20-letnega opazovanja premeščanja plavin znaša premer sred- njega zrna dm = 30,9 mm in pri 90% presevku d90 = 72,5 mm. Pojav transporta nadmernih zrn je pričakovan, ko pretok Save Izr. prof. dr. Andrej Kryžanowski ABRAZIJSKA ODPORNOST BETONOV NA VODNIH ZGRADBAH Gradbeni vestnik letnik 73 junij 2024 117 preseže 2500 m3/s. Na podlagi spremljanja abrazijskih proce- sov na obstoječih jezovnih zgradbah je bilo ugotovljeno, da prodonosni pretoki predstavljajo latentno nevarnost za zago- tavljanje obratovalne varnosti objektov in funkcionalnosti eva- kuacijskih objektov [Šušteršič, 2004]. HE Vrhovo kot čelna stopnja polno obratuje od leta 1996. Je- zovno zgradbo sestavlja strojnica in skupno pet prelivnih polj, ki so postavljena prečno na smer toka Save. Vsako prelivno po- lje je opremljeno s segmentno zapornico z nasajeno zaklopko (slika 1). Do višine instaliranega pretoka (Q = 500 m3/s) elektrar- na obratuje v pretočnem režimu, evakuacija vršnih voda pa po- teka s prelivanjem preko zaklopk oziroma s podlivanjem pod zapornico. Pri ekstremnih pretokih Save je s polnim odprtjem zapornic vzpostavljen naravni režim odtoka preko pregrade. Zaradi navedenega režima obratovanja so izpostavljeni deli konstrukcije prelivnih polj, kjer je pričakovan pojav abrazijske erozije, prekriti z abrazijsko odporno betonsko oblogo. Zaradi optimizacije obratovalnih pogojev je bilo načrtovano, da se v podslapjih prelivnih polj vgradijo dodatni disipacijski objekti. Dejansko je prišlo do realizacije dodatnega disipacij- skega objekta samo na prvem prelivnem polju, ki je tudi hi- dravlično najbolj obremenjeno. Sanacijska dela so se odvijala v času, ko je bila intenzivirana gradnja dolvodnih energetskih stopenj in ob tem je bilo ponovno izpostavljeno vprašanje ustreznosti uporabljenih materialov pri zaščiti evakuacijskih objektov na pregradah na spodnji Savi. S projektom sanacije je bila ponujena možnost izvedbe poizkusnih polj v naravi s ci- lji: (1) opredeliti ustreznost izbire betonske sestave na prelivnih poljih HE na Savi; (2) omogočiti kvantifikacije rezultatov labo- ratorijskih metod preiskav abrazijske odpornosti s primerjavo z meritvami v naravi; (3) omogočiti napovedi obnašanja materia- lov v času eksploatacije. 3 PRIPRAVA BETONSKIH MEŠANIC 3.1 Uporabljeni materiali V raziskavi smo uporabili portland cement z dodatkom 30 % žlindre tipa CEM II/A-S 42,5 R. Po materialnih karakteristikah ta tip cementa ustreza tipu cementa, ki je bil uporabljen pri gradnji HE Vrhovo. Kameni agregat smo pridobili s separacijo naravnega in drobljenega gramoza iz aluvialnega kvartarnega zasipa reke Save na lokaciji. Uporabljene so bile frakcije: 0-4; 4-8 in 8-16 mm. Po mineralni sestavi prevladujejo karbonat- ni prodniki (okoli 65 %), v preostalem deležu pa nekarbonatni prodniki iz silikatnih sedimentnih kamenin in predornin. Vseb- nost preperelih zrn ali zrn, ki bi imela škodljiv vpliv na lastnosti betona je manjša od 1 %. Za pripravo betonskih sestavov smo uporabili pitno vodo iz vodovoda. 3.2 Betonske mešanice Za izhodišče je privzeta sestava C1, ki je v zasnovi enaka se- stavi vgrajenih abrazijsko odpornih betonov na prelivnih poljih HE Vrhovo (preglednica 2). Ker zaradi specifike gradnje in ča- sovne distance ni bilo mogoče uporabiti povsem enakih ma- terialov, smo izbrali materiale, ki so po karakteristikah najbližje uporabljenim pri gradnji HE Vrhovo. Pri sestavi C2 in vseh na- daljnjih modifikacijah je privzeta maksimalna frakcija kame- nega agregata 8 mm. Sestava C2 je bila z manjšimi modifikaci- jami uporabljena pri betonih na prelivnih poljih druge stopnje na Savi, HE Boštanj. Pri sestavi PMC1, ki predstavlja izhodiščno sestavo za nadaljnje modifikacije smo nadomestili mineralni dodatek in superplastifikator z dodatkom polimernega vezi- va (vodno disperziran karboksilatni stiren-budatien polimer z deležem suhe snovi v disperziji 45,6±0,3 %): (1) pri sestavi PMC2 smo delež najdrobnejše frakcije nadomestili z gumenim agre- gatom (odpadni produkt pri obnovi avtomobilskih pnevma- tik) ter podvojili delež polipropilenskih vlaken; (2) pri sestavi SESTAVA BETONSKIH MEŠANIC C1 C2 PMC1 PMC2 PMC3 PMC4 cement kg 440 450 450 450 450 450 v/c 0,391 0,414 0,416 0,416 0,416 0,412 superplastifikator m/m% na maso cementa 0,9 0,9 mineralni dodatek (SiO2 > 90%) m/m% na maso cementa 5 5 polimer - suhi delež m/m% na maso cementa 10 10 10 5 jeklena vlakna v/v% 0,5 0,5 0,5 polipropilenska vlakna - L=10mm v/v% 0,05 0,05 0,05 0,10 0,05 0,05 polipropilenska vlakna - L=30mm v/v% 0,60 frakcije prodnatega agregata [mm] 0-4 4-8 8-16 v/v% 48 15 37 69 31 70 30 56,9 33,6 70 30 69,4 30,6 granulirana guma [mm] 0-4 v/v% 9,5 Preglednica 2. Pregled sestav betonskih mešanic (za 1m3 betona). Izr. prof. dr. Andrej Kryžanowski ABRAZIJSKA ODPORNOST BETONOV NA VODNIH ZGRADBAH Gradbeni vestnik letnik 73 junij 2024 118 PMC3 smo dodali polipropilenska monofilamentna vlakna; (3) pri sestavi PMC4 smo prepolovili delež polimernega veziva. Vrednost vodo-cementnega faktorja pri sestavah ni bistveno odstopala. Posamezne betonske mešanice so bile pripravljene v protitoč- nem laboratorijskem mešalniku s prostornino 75 dm3. Nepos- redno po zamešanju smo ugotavljali lastnosti svežega betona po standardnih postopkih z izvedbo naslednjih preiskav (pre- glednica 3): (1) meritev temperature; (2) konsistence s posedom; (3) vsebnosti zraka; (4) prostorninske mase. Za nadaljnje prei- skave smo preizkušance pripravili z vgraditvijo betonov v kalu- pe. Vgrajevanje je potekalo z zunanjim vibriranjem. Po vgraditvi smo kalupe s preizkušanci hranili prekrite s plastično folijo v nadzorovanih klimatskih razmerah pri 20°C (± 2°C). Preizkušan- ce smo pri starosti enega dne razkalupili in jih hranili, odvisno od preiskave, v klima komori pri temperaturi 20°C (±4°C) in rela- tivni vlažnosti 95 % oziroma v vodi pri temperaturi 20°C (±2°C). 3.3 Lastnosti betonov Lastnosti otrdelega betona smo dokazovali s standardnimi metodami preiskav. V preglednici 4 so podane povprečne vrednosti rezultatov preiskav otrdelega betona: (1) preskuse tlačne trdnosti in meritve prostorninske mase smo izvajali pri starosti 3, 7, 28 in 90 dni, na kockah dimenzije 15 cm, po tri vzor- ce od vsake sestave; (2) statični modul elastičnosti betona smo določili pri starosti betona 90 dni na prizmah 10/10/40 cm, po en vzorec za vsako sestavo; (3) preiskavo abrazijske odporno- sti smo izvajali pri starosti 90 in 900 dni, na valjih Ø30/10 cm, po en vzorec na sestavo. 4 MERITVE V NARAVI Izhodišča za pripravo testnih polj so bila naslednja: (1) posku- sna polja so situirana na dnu podslapja, kjer so hidrodinamični procesi največji; (2) v času izvajanja raziskave je zagotovljeno kontinuirno spremljanje hidravlično-hidroloških parametrov pri obratovanju prelivnega polja; (3) za interpretacijo rezulta- tov preiskav so v pomoč rezultati meritev na fizičnem hidrav- ličnem modelu (M 1:38), ki je bil izdelan za potrebe sanacije HE Vrhovo kot simulacijski model za dejanske obratovalne manevre v naravi; (4) v raziskavi so obravnavane sestave be- tonskih mešanic, ki so bile uporabljene pri gradnji HE na Savi z modifikacijami sestave; (5) eden od ciljev raziskave je potrdi- tev ustreznosti uporabljenih abrazijsko odpornih betonov pri gradnje verige HE na Savi. 4.1 Priprava poskusnih polj Na dnu podslapja pregrade Vrhovo smo vgradili skupno devet poskusnih polj, dimenzije 2,5/2,5 m, debeline 0,1 m na medse- bojni razdalji 1,0 m (slika 1). Od tega smo v šestih poljih vgradili poskusne betonske mešanice, v druga polja pa smo vgradili komercialne betone visokih trdnosti, ki niso bili predmet na- daljnjih raziskav. Betonske mešanice so bile na gradbišče do- SESTAVA BETONSKE MEŠANICE PREISKAVA C1 C2 PMC1 PMC2 PMC3 PMC4 temperatura svežega betona SIST EN 12350-1 ºC 23,2 20,1 19,3 19,5 17,6 19,4 konsistenca s posedom SIST EN 12350-2 [mm] 60 235 165 55 85 73 vsebnost zraka SIST EN 12350-7 v/v% 1,5 1,2 3,5 3,7 3,6 4,2 prostorninska masa SIST EN 12350-6 [kg/m3] 2.503 2.454 2.329 2.134 2.303 2.340 Preglednica 3. Rezultati preiskav svežega betona za posamezne sestave betonskih mešanic. PREISKAVA starost SESTAVA BETONSKE MEŠANICE [dan] C1 C2 PMC1 PMC2 PMC3 PMC4 tlačna trdnost SIST EN 12390-3 [MPa] 28 62,33 73,09 51,12 22,45 46,9 54,79 90 67,17 79,17 54,05 23,81 49,06 58,4 gostota SIST EN 12390-7 [kg/m3] 28 2.428 2.421 2.331 2.091 2.266 2.333 90 2.428 2.440 2.333 2.099 2.266 2.343 modul elastičnosti JUS U.M1.025 [MPa] 90 31,17 35,43 26,43 16,37 22,36 25,75 obraba ASTM C1138 [mm] 90 1,79 1,64 2,09 0,61 1,79 2,81 900 0,98 1,16 2,41 0,6 1,92 1,84 Preglednica 4. Rezultati preiskav otrdelega betona za posamezne sestave betonskih mešanic. Izr. prof. dr. Andrej Kryžanowski ABRAZIJSKA ODPORNOST BETONOV NA VODNIH ZGRADBAH Gradbeni vestnik letnik 73 junij 2024 119 bavljene v obliki pripravljenih suhih mešanic. Na osnovi zak- ljučkov modelnih raziskav smo predvidevali, da obrabljenost betonske površine v podslapju zaradi spreminjajočih se hitro- sti vodnega toka ne more biti enakomerna [Mlačnik, 2004], zato smo v podslapju vzpostavili tri dodatne kontrolne profile na razdaljah: 1 m (profil I.); 7 m (profil II.) in 13 m (profil III.) od vznožja drče, ki so nam služili za določitev stopnje abrazijskega procesa vzdolž podslapja. Priprava betonov poskusnih polj je potekala po enakem po- stopku kot pri laboratorijskih betonih s prenosnim gradbišč- nim protitočnim mešalnikom s prostornino 100 dm3 (slika 2). Poskusna polja smo pripravili tako, da smo v osnovno betonsko podlago zarezali obod poskusnih polj ter z visokotlačnim cur- kom odstranili osnovni beton do predvidene globine 10 cm. Za zagotovitev boljše oprijemljivosti s podlago smo pred be- toniranjem površino poskusnih polj dobro očistili in premazali polimernim premazom (stiren-butadien lateks). Betone smo vgrajevali ročno z uporabo vibracijske igle in površino polja po vgradnji tudi ročno zagladili. Po vgradnji smo 14 dni izvajali intenzivno mokro nego z dodatnim prekritjem poskusnih polj s PVC-folijo. Pred preplavitvijo podslapja smo poravnali vse nepravilnosti na stikih poskusnih polj z osnovnim betonom ter geodetsko izmero površine poskusnih polj, z natančnostjo ±10-4 m, ki smo jo višinsko navezali na obstoječo repersko mrežo na pregradi. Izmero smo izvedli z namenom izločitve vpliva robov, zgolj v centralnem delu poskusnih polj, v rastru 30 × 30 cm – v skupno 36 merskih točkah. Po geodetski izmeri so bila poskusna polja v podslapju poplavljena in obratovanje prelivnega polja fizično blokirano, dokler niso vgrajeni poskusni betoni dosegli pred- pisane 90-dnevne starosti. 4.2 Obratovanje prelivnega polja Program spremljanja obratovalnih karakteristik na testnih poljih smo pričeli ob vzpostavitvi prelivnega polja v funkci- jo v skupni dolžini 30 mesecev. S stališča pogostnosti pojava abrazijskih procesov opazovano obdobje ni bilo posebej ugo- dno z izmenjavo enega izrazito sušnega obdobja s hidrološko povprečnimi obdobji. V celotnem obdobju smo registrirali 24 obratovalnih dogodkov, kar predstavlja registriran obrato- valni manever s hidromehansko opremo na prelivnem polju, v skupno 63 obratovalnih koledarskih dnevih oziroma skup- no 804 ur obratovalnih ur z delovanjem prelivnega polja, pri čemer je bil pogoj za premeščanja proda izpolnjen v skupno 297 obratovalnih urah (slika 3). Evidenco obratovalnih manevrov, pretokov čez prelivno po- lje in pretoke Save smo izvedli na podlagi urnih zapisov iz obratovalnega dnevnika elektrarne. Premeščanja sedimen- tov v pregradnem profilu nismo direktno spremljali, temveč smo izvedli oceno na podlagi poznanih pretokov reke Save v času obratovalnih dogodkov in krivulje pretoka sedimentov v pregradnem profilu, ki je bila opredeljena na podlagi večlet- nih meritev kalnosti in premeščanja sedimentov v akumulaciji Vrhovo [Mlačnik, 1999]. V celotnem obdobju smo v prelivnem polju registrirali pretok 1937 t sedimentov pri skupnem pretoku 204,73 hm3 vode, kar je v povprečju pomenilo 0,0172 % masne- ga pretoka vode in trdnih delcev preko prelivnega polja. Maksi- malni prodonosni pretoki so se pojavljali predvsem v času vi- sokih voda, v jesenskem in pomladanskem obdobju. Največji pretok Save v času spremljanja meritev (QSava = 1283 m 3/s) je bil v rangu vsakoletnih visokih voda. V okviru analize rezultatov meritev smo upoštevali zgolj posledice obratovanja in sprem- ljajočih procesov, ki so se odražale skozi obrabo površine na poskusnih poljih. Slika 1. Situativni prikaz preskusnih polj podslapju prelivne- ga polja HE Vrhovo in kontrolnih profilov za določitev stop- nje obrabe vzdolž podslapja. Slika 2. Vgrajevanje poskusnih polj v podslapju. Izr. prof. dr. Andrej Kryžanowski ABRAZIJSKA ODPORNOST BETONOV NA VODNIH ZGRADBAH Gradbeni vestnik letnik 73 junij 2024 120 4.3 Kontrolni pregled prelivnega polja Kontrolni pregled smo izvedli po 30 obratovalnih mesecih z namenom pregleda uspešnosti opravljenih sanacijskih del in pregleda stanja obrabe poskusnih polj. Po vizualnem pre- gledu poskusnih polj je razvidno, da je obrabljenost površine enakomerna, brez večjih nepravilnosti ter opaznih poškodb. Kontrolo kvalitete vgrajenosti na območju testnih polj in na stiku z osnovnim betonom smo izvedli z odvzemom vzorcev z jedrnikom. Na osnovi vizualnega pregleda vzorcev je bilo ugotovljeno, da so bili preizkusni betoni kvalitetno vgrajeni, homogene strukture ter dosežen kvaliteten stik z osnovnim betonom, razen pri sestavi PMC2, kjer pripisujemo stanje za- radi slabše vgradljivosti, ki pa je bila pričakovana, saj je beton z dodatkom gumenega agregata izkazoval težjo vgradljivost tudi že v laboratoriju. 4.4 Meritve obrabe poskusnih polj Geodetsko izmero obrabe površine preizkusnih polj smo izvedli v merskih točkah z višinsko navezavo na reperje na pregradi, po enakem postopku in z isto opremo kot izmero po izvedbi poskusnih polj. Pri izvajanju in interpretaciji meritev je bila zahtevana še posebna pozornost, ker so se meritve globi- ne obrabe nahajale na meji natančnosti merske opreme. Pri interpretaciji rezultatov meritev smo zato izločili vse točke, kjer je obstajal dvom o verodostojnosti meritve. Zaradi spreminjajočih se hitrosti vodnega toka v podslapju stopnja obrabe ni povsod enaka. Oceno stopnje obrabe smo naredili na osnovi obsega obrabe osnovnega betona v podsla- pju v treh kontrolnih točkah. Stopnjo obrabe smo določili na podlagi meritev velikosti obrabe reprezentančnih zrn agre- gata (d = 64 mm) osnovnega betona, v pasu med stebrom in poskusnimi polji (slika 1, 4). Meritve kažejo, da se stopnja obra- be osnovnega betona povečuje linearno vzdolž toka, od priv- zetega izhodišča, tik pod drčo. Stopnja obrabe se v liniji polj (C1, C2, PMC1) poveča za faktor 3,3 glede na izhodiščno vred- nost, v liniji polj (PMC2, PMC3, PMC4) pa za faktor 5,7. Pri obde- lavi rezultatov meritev smo izmerjene vrednosti za poskusna polja pomnožili s korektivnimi faktorji glede na lokacijo in s tem postavili rezultate meritev na skupni imenovalec. Na sliki 5 so prikazani rezultati meritev abrazijske odpornosti po postopku ASTM C 1138 [ASTM, 1997] pri starosti preskušan- cev 90 in 900 dni ter korigirani rezultati meritev abrazijske odpornosti na preskusnih poljih po 30 mesecih obratovanja, z naslednjim ugotovitvami: (1) Globina obrabe je bila pri vseh preskušancih manjša kot 3 mm, s čimer preiskane betone lahko uvrstimo v rang visoko odpornih betonov na abrazivno delovanje vodnega toka in s tem tudi potrditev ustreznosti sestav za abrazijsko odporne betone na jezovih na Savi. (2) Iz primerjave je možno zaključiti, da velja podobnost glede obrabe preiskanih betonov med rezultati laboratorijskih preiskav in meritvami na terenu, ki je še posebej izrazita s primerjavo laboratorijskih preiskav pri starosti 900 dni. (3) Glede na izhodiščno sestavo C1 je pri laboratorijskih preis- kavah, pri starosti preskušancev 90 dni, doseženo bistveno izboljšanje odpornosti proti obrabi pri sestavi z dodatkom gumenega agregata PMC2 in v manjši meri tudi pri sestavi C2, medtem ko je pri sestavah s polimernim vezivom od- pornost proti obrabi, razen pri sestavi PMC3, manjša od iz- hodiščne sestave. (4) Pri laboratorijskih preiskavah, pri starosti preskušancev 900 dni, je dosežena odpornost pri sestavi PMC2 še vedno več- ja od izhodiščne sestave, vendar z razliko, da je s starostjo izboljšanje odpornosti pri sestavi C1 opazno večje kot pri sestavi PMC2. S starostjo se je povečala odpornost proti ob- rabi tudi pri sestavah C2 in PMC4, zmanjšala pa pri sestavah s polimernim vezivom PMC1 in PMC3 in ostaja pri vseh se- stavah manjša od izhodiščne sestave. (5) Primerjave obrabe sestav na preskusnih poljih podajajo podobne zaključke kot laboratorijske preiskave pri starosti 900 dni: glede na izhodiščno sestavo C1 je dosežena boljša odpornost le pri sestavi PMC2, opazna je manjša odpornost Slika 3. Pretočne linije pri obratovanju prelivnega polja. Slika 4. Stopnja obrabe osnovnega betona v kontrolnih profilih. Izr. prof. dr. Andrej Kryžanowski ABRAZIJSKA ODPORNOST BETONOV NA VODNIH ZGRADBAH Gradbeni vestnik letnik 73 junij 2024 121 pri sestavi PMC1, pri drugih sestavah so manjše medseboj- ne razlike, vendar vse izkazujejo manjšo odpornost od izho- diščne sestave. 4.5 Analiza rezultatov Primerjava rezultatov med laboratorijskimi meritvami in me- ritvami na preskusnih poljih je opozorila na podobnost vzor- ca obrabe med obema preiskavama. Ugotovitve smo preverili z regresijsko analizo, kjer smo meritve na preizkusnih poljih analizirali z laboratorijskimi meritvami v trajanju: (1) celotnega časa preiskave – T = 72 ur in (2) po posameznih ciklih – Δt = 12 ur. Rezultati analize, kjer so v grafikonu na ordinati rezultati ob- rabe pri laboratorijskih preiskavah po postopku ASTM C 1138 [ASTM, 1997] ter na abscisi ustrezne vrednosti obrabe, izmerje- ne na preskusnih poljih, so razvidni iz slike 6, pri starosti 90 dni, oziroma iz slike 7, pri starosti 900 dni. Primerjave z rezultati laboratorijskih meritev v trajanju celot- nega časa preiskave in meritev na preizkusnih poljih kažejo, da na osnovi koeficienta korelacije, pri starosti preizkušancev 90 dni (R2 = 0,37), odvisnosti med meritvami ni možno potrditi; pri starosti preizkušancev 900 dni (R2 = 0,83) pa je potrjena sorazmerno dobra korelacija med meritvami. Z upoštevanjem rezultatov laboratorijskih meritev po posameznih ciklih traja- nja preiskave, pri starosti 90 dni, odvisnosti ni bilo mogoče po- trditi – koeficient korelacije je najvišji po 24 urah trajanja pre- iskave (R2 = 0,34). Pri starosti 900 dni pa je po 36 urah trajanja meritev dosežena odlična koreliranost (R2 = 0,92). Primerjava rezultatov preiskav za analizirane čase trajanja preiskav je raz- vidna iz slike 8, kjer so evidentna odstopanja zgolj pri sestavi PMC1, medtem ko so pri drugih sestavah ujemanja rezultatov v zadovoljivih okvirih. 5 ZAKLJUČKI V prispevku smo s primerjavo med laboratorijskimi meritvami in meritvami v naravi ocenili ustreznost laboratorijske metode ASTM C 1138 [ASTM, 1997] za oceno abrazijske odpornosti be- tonov pri vodnih zgradbah. Ugotovili smo: Slika 5. Primerjava obrabe med betonskimi sestavami po ASTM C 1138 [ASTM, 1997] in meritvami na prelivnem polju HE Vrhovo. Slika 6. Primerjava obrabe med rezultati ASTM C 1138 [ASTM, 1997] pri starosti 90 dni z meritvami na poskusnih poljih. Slika 7. Primerjava obrabe med rezultati ASTM C 1138 [ASTM, 1997] pri starosti 900 dni z meritvami na poskusnih poljih. Slika 8. Primerjava obrabe med rezultati po ASTM C 1138 [ASTM, 1997] in meritvami na prelivnem polju HE Vrhovo. Izr. prof. dr. Andrej Kryžanowski ABRAZIJSKA ODPORNOST BETONOV NA VODNIH ZGRADBAH Gradbeni vestnik letnik 73 junij 2024 122 (1) ustreznost uporabljenih materialov in sestav na jezovnih zgradbah na Savi za zagotovitev zaščite konstrukcije pred abrazijskim delovanjem vodnega toka; (2) dobro ujemanje med rezultati preiskave abrazijske odpor- nosti po postopku ASTM C 1138 [ASTM, 1997] in meritev v naravi za betone starosti 900 dni, medtem ko za betone starosti 90 dni ujemanja rezultatov meritev nismo ugotovili; (3) visoko abrazijsko odpornost betona z dodatkom gume- nega agregata. Zato je priporočljivo nadaljevati raziskave v smeri optimizacije sestave z gumenim agregatom, tehno- logije vgradnje in obstojnosti tovrstnih betonov. (4) Odpornost betonov na abrazijsko delovanje vodnega toka se s starostjo povečuje in zatorej je priporočljivo, da se be- toni na evakuacijskih objektih izgotovijo v prvem letu grad- nje, s čimer je dosežena zadovoljiva starost betonov ob za- četku eksploatacije; (5) Pri analizi abrazijske odpornosti po postopku ASTM C 1138 [ASTM, 1997] in interpretaciji rezultatov meritev predsta- vljata pomemben parameter čas trajanja preiskave in sta- rost preizkušancev v času izvajanja preiskave. 6 LITERATURA ASTM, ASTM C1138-97, Standard test method for abrasion re- sistance of concrete (underwater method), American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania, 4 strani, 1997. Bania, A., Bestimung des Abriebs und der Erosion von Beto- nen mittels eines Gesteinsstoff-Wassergemisches, doktorska disertacija, Tehnična visoka šola Wismar, 124 strani, 1989. Colarič, O., Ocena dviga dna in gladine v akumulaciji bazena HE Vrhovo, VGI Ljubljana, Tehnično poročilo, 831, 29 strani, 1985. DIN, DIN 50321:1979-12, Versleiß-Meßgroeßen, Beuth Verlag Berlin, German Institute for Standardisation (Deutsches Insti- tut für Normung e.V.), 6 strani, 1979. DIN, DIN 52108:2010-05, Testing of inorganic non-metallic materials - Wear test using the grinding wheel according to Böhme - Grinding wheel method, German Institute for Stan- dardisation (Deutsches Institut für Normung e.V.), 10 strani, 2010. Horszczaruk, E., The model of abrasive wear of concrete in hydraulic structures, Wear, 256, 787–796, 2004. Horszczaruk, E., Abrasion resistance of high-strength concrete in hydraulic structures, Wear, 259, 62–69, 2005. Mlačnik, J., Predhodna meritev transporta neraztopljenih trdnih snovi skozi akumulacijski bazen HE Vrhovo in obdelava meritev, IHR Ljubljana, Tehnično poročilo 806, 95 strani, 1999. Mlačnik, J., Hidravlična modelna raziskava HE Boštanj na pro- storskem modelu, IHR Ljubljana, Tehnično poročilo 857, 23 strani, 2004. Jakobs, F., Winkler, K., Hunkeler, F., Volkart, P., Betonabrasion im Wasserbau, VAW-ETH Zuerich, 168, 162 strani, 2001. Kim, J. Y., Control over bedrock channel incision, doktorska di- sertacija, Univerza v Glasgovu, 298 strani, 2004. Klun, M., Kryžanowski, A., A study on the underwater abrasion resistance of concrete, 91st ICOLD Annual Meeting: Manage- ment for safe dams: Symposium proceedings, Gothenburg, 13.–14. junij, 1258–1265, 2023. Kryžanowski, A., Šušteršič, J., Performance of concrete exposed to long-term underwater abrasion loading, 21st Congress ICO- LD, Montreal, Q.82-R.13, 207–218, 2003. Kryžanowski, A., Abrazijska odpornost betonskih površin na vodnih zgradbah, doktorska disertacija, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, 148 strani, 2009. Kunterding, R., Hilsdorf, H. K., Measurement and evaluation of abrasion resistance of concrete surfaces, Reading, 527–538, 1990. Liu, T. C., Abrasion Resistance of Concrete, ACI Journal, 78(5), 341–350, 1981. Mikoš, M., Fluvialna abrazija prodnatih plavin, Acta hydrotech- nica, 11(10), 107 strani, 1993. Mueller-Hagmann, M., Hydroabrasion in high speed flow at se- diment bypass tunnels, VAW-ETH Zürich, 239, 310 strani, 2017. Sadeyzadeh, M., Page, C. L., Kettle, R. J., Surface microstructu- re and abrasion resistance of concrete, Cement and Concrete Research, 17(4), 581–590, 1987. Scrivener, K. L., Cabiron, J.-L., Letourneux, R., High-performan- ce concretes from calcium aluminate cements, Cement and Concrete Research, 29(8), 1215–1223, 1999. Sebok, T., Stranel, O., Wear resistance of polymer-impregnated mortars and concrete, Cement and Concrete Research, 34(10), 1853–1858, 2004. Siddique, R., Effect of fine aggregate replacement with Class F fly ash on the abrasion resistance of concrete, Cement and Concrete Research, 33(13), 1877–1881, 2003. Siddique, R., Performance characteristics of high-volume Class F fly ash concrete, Cement and Concrete Research, 34(3), 487– 493, 2004. Šetina, B., Določitev abrazijske odpornosti različnih materialov izpostavljene abrazijski eroziji, VGL Ljubljana, Tehnično poroči- lo, 18 strani, 1969. Šušteršič, J., Kryžanowski, A., Planinc, I., Zajc, A., Dobnikar, V., Leskovar, I., Ercegovič, R., Obnašanje betona, izpostavljenega podvodni abraziji, IRMA Ljubljana, Tehnično poročilo, 228 stra- ni, 2004. Uetz, H., Abrasion und Erosion, Carl Hanser Verlag Muenchen, 829 strani, 1986. Izr. prof. dr. Andrej Kryžanowski ABRAZIJSKA ODPORNOST BETONOV NA VODNIH ZGRADBAH