Czynniki decydujące o właściwościach i trwałości strunobetonowych podkładów kolejowych

Transkrypt

1 Prof. Wiesław Kurdowski 1, dr inż. Wit Derkowski 2 1 Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych w Warszawie 2 Instytut Materiałów i Konstrukcji Budowlanych Politechnika Krakowska Czynniki decydujące o właściwościach i trwałości strunobetonowych podkładów kolejowych

2 Znaczenie strunobetonowych podkładów kolejowych Decydują o bezpieczeństwie ruchu kolejowego i trwałości nawierzchni. Minimalny projektowy okres użytkowania podkładów betonowych, gwarantujący bezpieczeństwo ruchu kolejowego, wynosi 40 lat 2

3 Znaczenie strunobetonowych podkładów kolejowych Rygorystyczne wymagania stawiane są zarówno używanym materiałom, jak i samemu procesowi technologicznemu Uszkodzenia wbudowanych podkładów strunobetonowych powodują poważne koszty społeczne. 3

4 Czynniki decydujące o trwałości podkładów O trwałości strunobetonowych podkładów decydują ich właściwości fizyczne i chemiczne, przy czym lepiej poznane są te pierwsze, natomiast chemiczne właściwości betonu ograniczają się do podania rodzaju cementu CEM I 52,5R oraz zawartości sumy sodu i potasu Na 2 O e < 0,6 [0,8?]. 4

5 Technologie stosowane w produkcji podkładów Na świecie stosowane są różne technologie produkcja podkładów na długim, stałym torze naciągowym [rys. 1a] lub w przesuwnych formach sztywnych, najczęściej mieszczących 4 podkłady i poruszających się karuzelowo [rys. 1b] 5

6 Technologie stosowane w produkcji podkładów 6

7 Metody kotwienia strun sprężających a) podkłady z cięgnami o niewielkim przekroju poprzecznym, w postaci drutów gładkich o średnicy 5 mm lub 7 mm, produkowane na długich torach naciągowych naprężenie ściskające jest przekazywane poprzez wiązanie adhezję zaczynu cementowego ze stalą oraz siły tarcia 7

8 Metody kotwienia strun sprężających b) podkłady z cięgnami z prętów profilowanych o większej średnicy, na przykład o średnicy 10,5 mm, produkowane w sztywnych formach więzy analogiczne jak w przypadku a), jednak zwiększone dodatkowo przez mechaniczne zazębianie się stali z betonem; 8

9 Metody kotwienia strun sprężających c) na gwintowanych końcówkach prętów sprężających instalowane są niewielkie stalowe tarczki kotwiące siła sprężająca jest przekazywana na beton analogicznie jak w przypadku podkładów b), a także przez opór tarczek; 9

10 Metody kotwienia strun sprężających d) podkłady z cięgnami z prętów gładkich lub profilowanych Na gwintowanych końcówkach prętów instalowane są kielichy kotwiące o stosunkowo dużej średnicy, blokowane nakręcanymi tulejami. siła sprężająca przekazywana jest na beton głównie poprzez opór kielichów kotwiących; 10

11 Metody kotwienia strun sprężających e) podkłady z cięgnami z prętów gładkich, głównie o średnicy 7 mm, z końcówkami w postaci główek, opartymi na masywnych stalowych płytkach kotwiących siła sprężająca przekazywana jest na beton przede wszystkim poprzez opór płytek kotwiących. 11

12 Metody kotwienia strun sprężających a) b) c) 12

13 Metody kotwienia strun sprężających d) e) 13

14 Masywne stalowe płytki kotwiące płytka zamocowanie w formie 14

15 Długość transmisji przekrój podszynowy jest zwykle najbardziej wytężonym przekrojem w elemencie, o bezpieczeństwie całej konstrukcji decyduje długość odcinka, na którym następuje przekazanie siły sprężającej na beton. Jest on w normach nazywany długością transmisji l pt. 15

16 Składowe przyczepności zbrojenia do betonu w strunobetonie Przyczepnością nazywa się zespół czynników zabezpieczających przerwanie wiązania między dwoma materiałami. Czynniki: adhezja tarcie zazębienie mechaniczne efekt Hoyera 16

17 Adhezja Siły adhezji są wiązaniem powierzchni różnych materiałów w wyniku powstawania wiązań chemicznych między cząsteczkami. Występują one w strefie przejściowej beton - stal. 17

18 Adhezja stal pasywująca błonka < 100 nm strefa przejściowa ~ 5 μm Fe 2+ OH - (Ca(OH) 2 ) Fe Fe 3+ O - -Si 4+ (C-S-H) O 2- O Al 3+ (CAH 13 ) beton 18

19 Tarcie 19

20 Mechaniczne zazębienie splotu sprężającego 20

21 Efekt Hoyera Mechanizm klina [efekt Hoyera], występujący w konstrukcjach strunobetonowych, to jest gdy zbrojenie poddane jest wstępnemu rozciąganiu, jeszcze przed zabetonowaniem elementu. Na skutek wprowadzenia siły rozciągającej, cięgno zmniejsza swoją średnicę i pole powierzchni przekroju poprzecznego o wielkość wynikającą ze współczynnika Poissona. 21

22 Efekt Hoyera Po jego zabetonowaniu, w chwili zwolnienia naciągu, to jest przekazania siły sprężającej na beton, zbrojenie wykazuje tendencję powrotu do pierwotnych wymiarów. Stwardniały beton otaczający cięgna ogranicza ich poprzeczne odkształcenia (rozszerzanie), co wywołuje powstawanie ściskających sił normalnych do pobocznicy cięgien (radialnych do osi). W efekcie powstają dodatkowe siły tarcia wzdłuż osi cięgna. 22

23 Efekt Hoyera 23

24 Zarysowania betonu w strefie czołowej podkładu Przekazywanie siły sprężającej na beton w strefie czołowej podkładu strunobetonowego powoduje powstanie złożonego, przestrzennego stanu naprężeń, składającego się z podłużnych strumieni naprężeń ściskających beton oraz poprzecznych naprężeń rozciągających. 24

25 Naprężenia betonu w strefie czołowej podkładu siła sprężająca 25

26 Zniszczony podkład w strefie czołowej 26

27 Badania strunobetonowych podkładów w Politechnice Krakowskiej 1,2 podkłady PS-83 i PS-94, sprężone ośmioma gładkimi drutami o średnicy 7 mm z zakotwieniem główkowym systemu BBRV [Birkenmaier, Brandestini, Ros, Vogt ] 3 podkład PS-83, sprężony czterema profilowanymi prętami o średnicy 10.5 mm z dodatkową płytką kotwiącą o średnicy 30 mm, nakręcaną na gwintowaną końcówkę pręta; 4 podkład PS-94 sprężony czterema profilowanymi drutami o średnicy 9.5 mm, których kotwienie polegało wyłącznie na przyczepności betonu do stali; Badania obejmowały próby statyczne, obciążenia dynamiczne oraz długotrwałe obciążenia zmieniające się cyklicznie. 27

28 Badania strunobetonowych podkładów w Politechnice Krakowskiej Najmniejszą nośność miał podkład 4, w którym druty profilowane były połączone z betonem głównie adhezją. Różnica nośności wynosiła aż 36%. Podkłady 3 i 4 osiągnęły nośność około 23% mniejszą od 1 i 2, co było spowodowane w przypadku podkładu 3 niszczeniem gwintu łączącego pręt żebrowany z tarczką oporową, a 4 braku mechanicznego kotwienia. 28

29 Korozja betonu w podkładach kolejowych Z początkiem lat osiemdziesiątych wstąpiły masowe uszkodzenia podkładów na liniach kolejowych w Stanach Zjednoczonych i w Niemczech. Wiązały się one ze zmianą technologii wytwarzania cementu portlandzkiego, polegającą na przejściu z metody mokrej na suchą. 29

30 Korozja zewnętrzna podkładów kolejowych? 30

31 Korozja wewnętrzna betonu Wielką rolę w wyjaśnieniu przyczyn korozji wewnętrznej odegrali uczeni niemieccy Heinz i Ludwig z Akwizgranu Wieker z Berlina Heinz i Ludwig wykazali, że przyczyną jest opóźnione powstawanie ettringitu Wieker wykazał, że ettringit nie jest trwały w 70 o C gdy Na 2 (OH) > 400 mmoli/l 31

32 Opóźnione powstawanie ettringitu Co to znaczy 400 mmoli NaOH/L? Skład betonu w kg/m 3 : cement 320, 0,5% Na 2 O e, piasek 600, kruszywo ,02% Na 2 O e, woda 134. Wynik: 0,005x ,0002x1600 = 1,6+0,32 = =1.92 Na 2 O e kg/m 3 a w L wody = 0,0143 kg/l 1 kg Na 2 O e = 1,32 kg NaOH 0,0143x1,32 = =0,019 kg NaOH/L =0,475 mola/l = 475 mmol/l Dopiero 0,4% Na 2 O e zapewnia 400 mmol/l 32

33 Trwałość ettringitu 33

34 Skutki braku trwałości ettringitu 34

35 Wpływ temperatury na ekspansję betonu 35

36 Wpływ temperatury W przypadku stosowania obróbki cieplnej betonu w 50 o C zawartość Na 2 O e nie powinna przekraczać 600 mmoli/l co wykazał Pawluk 36

37 Doświadczenia z badania zniszczonych podkładów 37

38 Oznaczenie składu fazowego powierzchni zniszczonego podkładu 38

39 Oznaczenie składu fazowego powierzchni zniszczonego podkładu. Masywny ettringit! 39

40 Oznaczenie składu fazowego powierzchni zniszczonego podkładu Ettringit! 40

41 Wnioski W przypadku przekazania siły sprężającej na beton jedynie przez więzy przyczepności, a brak dodatkowych elementów kotwiących, podstawowa długości transmisji jest na tyle duża, że w najbardziej obciążonym przekroju podszynowym tylko część siły sprężającej jest przekazywana na beton 41

42 Wnioski Z tego punktu widzenia zalecane jest stosowanie dodatkowego mechanicznego kotwienia cięgien. Badania doświadczalne pokazały, że najlepszy efekt uzyskuje się stosując zakotwienia główkowe drutów sprężających [BBRV], które stanowi podstawę technologii przyjętej w zakładach podkładów strunobetonowych w Polsce. 42

43 Wnioski W przypadku stosowania obróbki cieplnej w temperaturze nie przekraczającej 70 o C we wnętrzu strunobetonowego podkładu, zawartość rozpuszczalnych w wodzie tych pierwiastków, wyrażonych w postaci ekwiwalentu sodowego Na 2 O e nie powinna przekraczać 0,43%. W przypadku obróbki w 50 o C zawartość ta nie powinna przekraczać 0,65%. Te wielkości odnoszą się do betonu, w którym zawartość cementu wynosi 320 kg/m 3, a w/c jest równe 0,42 43