Dyble w drogowych nawierzchniach betonowychsuw.biblos.pk.edu.pl/resources/.../i1/r5721/SerugaA_DybleDrogowych.pdf · się dawniej pomijane własności mechaniczne konstrukcji nawierzchni

* Drhab.inż.AndrzejSeruga,prof.PK,drinż.TeresaSeruga,InstytutMateriałówiKonstrukcjiBu-dowlanych,WydziałInżynieriiLądowej,PolitechnikaKrakowska.

** Mgrinż.LechJuliszewski,WydziałInżynieriiLądowej,PolitechnikaKrakowska.

AnDrzeJSerugA*,TereSASerugA*,LechJuLISzeWSKI**

DyBLeWDrogoWychnAWIerzchnIAchBeTonoWych

DoWeLSforconcreTePAveMenTuSe

S t r e s z c z e n i e

Wartykuleprzedstawionorolędybliwnawierzchnibetonowej.Szczególnąuwagępoświęco-noaspektowitrwałościorazwłaściwejpracywkonstrukcjinawierzchni.Przytoczonowynikibadańodpornościnakorozjędyblizpowłokązestopucynkuorazwpływurodzajudyblinaskutecznośćprzenoszeniaobciążeńwłączonychnawierzchniachbetonowych.

Słowa kluczowe: nawierzchnie betonowe, korozja dybli, nośność połączenia w nawierzchniach betonowych

A b s t r a c t

This paper summarizes the role of dowel for concrete pavement use. Special attentionwasgiventoaspectsofdurabilityandgoodperformanceofconcretepavement.Theresultsoflabo-ratoryinvestigationsdealingwiththeefficiencyofcorrosionprotectionofthecarbonsteelcoreofzincalloysleevedowelswerepresented.Moreowertheinfluenceofdowelstypeforloadtransferefficencyinjointedconcretepavementsisalsodiscussed.

Keywords: concrete pavement, dowels corrosion, LTE in jointed concrete pavements

114

1. Wstęp

obecniewdrogownictwiemożemyogólniewyróżnićtrzytypykonstrukcjinawierzchni:podatny,półsztywnyorazsztywny.ztechnologicznegopunktuwidzeniapodziałtenozna�ztechnologicznegopunktuwidzeniapodziałtenozna-czazróżnicowaniemateriałówwykonaniawarstw:podbudowy,wiążącejoraznawierzchni.zpunktuwidzeniatypupracykonstrukcjioznaczatozróżnicowanieodkształceńwprocesieobciążenia (użytkowania).nawierzchniepodatne cechują znaczniewiększeodkształceniaplastyczneniżnawierzchniesztywne.objawiasiętomiędzyinnymipoprzezpowstawaniekoleinoraznierównościspowodowanychpostojempojazdów.nawierzchniesztywnebeto-noweniewykazujątakichtendencji,wzwiązkuztymichstosowaniejestszczególnieuza-sadnionenadrogachowysokimobciążeniuruchem(np.autostradyidrogiekspresowe)orazwmiejscach,gdzieprzewidujesiępostójlubpowolnyruchpojazdówodużychobciążeniachnaoś(np.pętleautobusowe,drogidojazdowedopunktówważeniapojazdówciężarowych).

Możemywyróżnićkilkapodstawowychtypównawierzchnibetonowychsztywnych:łączonenawierzchniebetonoweniedyblowane, –łączonenawierzchniebetonowedyblowanezkotwami, –łączonenawierzchniebetonowezbrojonezeszczelinamidyblowanymi, –nawierzchniebetonowezbrojonewsposóbciągły, –nawierzchniebetonowezwłóknamirozproszonymi, –nawierzchniezbetonusprężonego, –nawierzchnieprefabrykowane. –historiabudowynawierzchnibetonowychliczyjużponad120lat.zmieniałysięizmienia-

jąwdalszymciągumateriały,technologiaorazsprzęt.Wśladzanieustającympostępemwyko-nawczymidzieewolucjapodejściaprojektowego.Wznaczniewiększymstopniuuwzględniasiędawniejpomijanewłasnościmechanicznekonstrukcjinawierzchnibetonowych.

2. Dyble w konstrukcji nawierzchni

Dyblemająpostaćprętówogładkiejpowierzchni,któretopowszechnielokalizowanesąprostopadledopoprzecznychpołączeńwnawierzchniachbetonowychwceluprzeniesieniaczęściobciążeńpomiędzysąsiadującymipłytami,przeztozmniejszenianaprężeńwpłycieijejugięć,acozatymidziezmniejszeniazniszczeńnawierzchni.Dyblemusząumożliwiaćprzemieszczeniehoryzontalnepołączeniawynikającezeskurczuitermicznejrozszerzalno-ścipłyty.

ztechnologicznegopunktuwidzeniapracadyblamożeprzybraćdwieformy.Pierwsząznichjestsztywnezamocowaniejednegozkońcówwpłyciebetonowejiumożliwieniedru-giemukońcowiprzesuwuwzdłużosiwtuleiwykonanejzestalilubinnychmateriałów–przyczymzastosowanietworzywsztucznychdotegocelunależyuznaćzawymagającepotwier-dzeniatrwałościiniezawodnościpracy(szczelinyrozszerzania).Drugąformą,częściejspo-tykanąwpraktycewykonawczejpodczasbudowynawierzchnidrogowych,jestwbudowaniedyblibezwyróżnianiautwierdzonegokońca.realizowaćmożnatopoprzezwciskaniedybliw świeżoukładanąnawierzchnięprzyużyciuwibratorów lubukładaniedyblinapodpór-kach–tzw.koszach.osadzaniedyblizużyciemwibracjijestzazwyczajstosowanepodczaswykonywaniadużychzakresówrobótprzezzespołyukładającemieszankębetonowąmetodąślizgową–bezzastosowaniaszalunków.

115

Wdotychczasowejhistoriiwykonywanianawierzchnibetonowychwiększośćdyblidonawierzchniprodukowanabyłazestaliwęglowej. Ichkorozjamożewznacznymstopniuobniżyć cechy użytkowe i przyspieszyć tempo powstawania zagrożeń prawidłowej pracykonstrukcji.Przykładowowmomencierozpoczęciakorozjidyblawmiejscupołączeniaorazjejpostępuwgłąbsąsiadującychpłyt,dochodzidopowstaniaszczelinypomiędzybetonemadyblem,copowodujezwiększenieefektywnejszerokościpołączenia,zwiększenieugięćinaprężeń(skutkująceszybsząakumulacjąuszkodzeńzmęczeniowych)orazzmniejszeniemzdolnościdoprzenoszeniasił(łatwiejszepowstawaniezjawiskapompowania,większepraw-dopodobieństwoutratypodparciapłytynapołączeniu,szybszyrozwójklawiszowania).

Drugimechanizmzniszczeńzwiązanyzkorozjąwystępuje,gdyproduktykorozjipęcz-niejąwokółdybla,powodującwykruszaniebetonunapołączeniulubpowstawaniealbopro-pagacjęryswewnątrzpłyty.

Dyblezwyczajowobyłypokrywanesmarami,farbą,epoksydamilubplastikiemwceluzapobiegnięciakorozji.Skuteczność tychmetodwdużymstopniu zależałaodwarunkówśrodowiska,własnościoraztrwałościpowłok,metodywykonaniaorazinnychczynników.Mimototesposobyzabezpieczeńwielokrotnieokazałysięzawodnewdłuższychokresachpracy (na przykład powyżej 20 lat)wmiejscach, gdzie używano środkówodladzającychwzimowymutrzymaniudróg.

Wostatnichlatachzaczętoprodukowaćdyblezużyciemmateriałówodpornychnako-rozjęiniekorodujących,takichjakstalnierdzewna,orazkompozytówwmatrycyżywicznej(frP),jednaktemateriałymająrównieżpewnewadyiograniczenia.

Dyblepolimerowezbrojonewłóknami również sąprzeważnie traktowane jakoekspe-rymentalnerozwiązaniedybliwnawierzchniachbetonowych,pomimotegoproduktyzro-dzinyfrPzaczynająbyćcorazszerzejakceptowanedoużytkuwkonstrukcjachzbrojenio-wychpłytmostowych.niższasztywnośćproduktówwykonanychzfrPwnawierzchniachbetonowychjestpowiązanazniższązdolnościąpoczątkowąidługotrwałądoprzenoszeniaobciążeń,w związku z czymaby to zrekompensować, należy stosowaćwiększe średnicedyblilubzmniejszyćichrozstaw.Pojawiłysięrównieżpytaniadotyczącedługotrwałejwy-dajnościpracytakichproduktówwobecnościświatłaultrafioletowego(podczastransportu,składowania,wbudowywania)orazwśrodowiskachalkalicznych.

Dyblezestalinierdzewnejprzeważnierekomendowanedozastosowańnaautostradach(typ316L)sąbardzodrogie,kosztująkilkarazywięcejniżtypowedyblezpowłokąepok-sydową.ruryzestalinierdzewnejorazdybleoprzekrojachrurowych(zarównopuste,jakiwypełnione)sąwycenianebardziejkorzystnie,leczwciążstanowiąwysokikosztisątrak-towaneeksperymentalnieprzezniektóreagencjewzwiązkuzobawamio ichzachowanieiskutecznośćkonstrukcyjną.

3. Projektowanie dybli

Właściwapracaorazżywotnośćdyblowanejnawierzchnibetonowejzależyodspełnieniawielu wymagań projektowych, technologicznych, wykonawczych oraz eksploatacyjnych.naetapieprojektowaniawyznaczasięgrubośćposzczególnychwarstw,wielkośćpłytna-wierzchni,sposóbpołączeniapłyt,typpodłoża,ustalasięwymaganiaodnośniedomieszankibetonowejorazsposóbrealizacjiodwodnieniakonstrukcjinawierzchni.

Podstawowerodzajeizasadydyblowaniaszczelinprzedstawiononarysunkachwzałącz-nikuBnormy[1]iwzaleceniachtechnologicznychKatalogu[2].Szczegółymontażudybli

116

opisujeA.Szydłowpracy[3].Wopracowaniutympodanowymaganiapolskieizagranicznedotyczącedybli.

Przy projektowaniu połączeń dyblowanych nawierzchni betonowych należywyróżnićtrzygrupyzagadnieńwpływającychnaprawidłowąichpracę:cechykonstrukcyjne,trwałośćorazprzyczepnośćdobetonu.

3.1.cechykonstrukcyjne

Kształtdybla–typprzekrojukołowy(najczęściejstosowany)lubowalnyrozmiar–spotykanesąśredniceprzekrojuzprzedziałuod12do50mmDługość–niepowinnabyćmniejszaniż16–20średnicprzekrojurozstaw–od0,25do0,75m

Lokalizacjaorazrozstawdyblisąprojektowanezewzględunawartośćorazumiejsco-wienieobciążenia,geometriępłytyiograniczenienaprężeńdociskowychwbetonie.Dyblezwyczajowoumieszczasięwpołowiewysokościpłyty,orientującjerównolegledosiebiewkierunkuzgodnymzkierunkiemruchupojazdów.Wtabeli1zamieszczonozestawieniezmianwymagaństawianychdyblomwedługprzepisówkrajowych.

T a b e l a 1

Zestawienie polskich wymagań dotyczących dybli

Parametrrokwydaniaprzepisów

1975[4],1999[1] 2001[2] 2007[5]

grubościpłyt[m] 0,26–0,40 – –

min.średnicadybli[mm] 32–45 20 16

długośćdybli[m]

min.0,52–0,80 0,50 wgrozporządzeńkrajowych

rozstawdybli[m] 0,30–0,50 max.0,50 –

materiałdybli stalSt3S stalSt3S,stalSt37

stal,wytrzymałośćobliczeniowadyblimin.250MPa

powłoka polimerowa

polimerowa,nacałejdługości

dybla,grubośćmin.0,3mm

asfalt,foliaztworzywasztucznego,średniagrubość≤1,25mm,

powłokawykonanafabrycznielubnamiejscubudowy

Jeśliobciążenie ruchemdrogowymprzyłożone jestbliskopołączeniapłytdrogowych,obiepłyty–obciążonainieobciążona–uginająsię.częśćobciążeńprzenosisięzpłytyob-ciążonejnanieobciążoną.Wrezultacieugięciainaprężeniawobciążonejpłyciemogąbyćznacząconiższe,niżgdybywmiejscupołączonejpłytybyławolnakrawędź.

Skutecznośćprzenoszeniaobciążeńprzezpołączenie(wartośćredukcjinaprężeńiugięćkrawędziwwynikuobecnościpołączeniawporównaniudowolnejkrawędzi)podawanajestjakowskaźnikLTeopisywanynastępującązależnością:

117

LTE d du l= ⋅( / ) %100 (1)

gdzie:dl – maksymalneugięcieobciążonejpłytywpołączeniu,du – odpowiadająceugięcienieobciążonejpłytywpołączeniu.

Jeśli połączenie charakteryzuje się małą zdolnością przenoszenia obciążeń, to ugię-cienieobciążonejpłyty jest znaczniemniejszeniżugięcieobciążonejpłytywpołączeniuiwskaźnikLTE jestbliski0%.Jeślizdolnośćprzenoszeniaobciążeńprzezpołączeniejestbardzodobra,wtedyugięciapoobustronachpołączeniasąwirtualnierówneiwskaźnikLTE jestbliskiosiągnięcia100%[6].

3.2.Przyczepnośćdybladobetonu

Dyblemusząbyćprodukowaneimontowanewsposóbumożliwiającyotwieranieiza-mykaniepołączeńpłytwrazzichskracaniemsięirozszerzaniem.zwykleosiągasiętoprzezwzględniegładkąpowierzchniędyblaorazewentualnenałożenia środkaantyadhezyjnego(smaru)przedbetonowaniem.Pomimotego,żewiększośćdybliprodukowanajestjakogład-kie,niektóreznichzawierająniewielkiewadyzwiązanezprocesemprodukcji,transportemiskładowaniemitp.,którewywołująwpewnymstopniumechanizmzazębianiasięzotacza-jącymbetonem.Dodatkowo,betonłączysięlepiejzniektórymipowłokamidybli(np.pla-stikiepoksyd)niżzpozostałymi.zatemwzależnościodrodzajudybliotrzymujemyróżnystopieńpodatnościnapoślizgwzdłużdybla.

normyprzewidująprocedurybadawczemającenaceluokreśleniewytrzymałości(od-porności) na poślizg dybla zakotwionego w betonie wzdłuż jego osi (metoda pull-out).DopuszczalnypoziomnaprężeńprzyczepnościakceptowanywwielustanachuSAwynosi 0,4MPa.Aby spełnić toograniczenie,większośćdyblipokrywana jest różnymi smaramiprzedbetonowaniem.

Wprzypadkustalowychdyblipowlekanych stopemcynkuwiadomo jest, żeproduktykorozjistopucynkuprzedostająsiędoporowatejstrukturybetonu.PrzyspieszonebadaniadoświadczalneprzeprowadzonenapodobniezabezpieczonychelementachwkonstrukcjachmostowychprzezfloridaDepartmentofTransportationwykazały,żeproduktykorozjistopucynkuniewywołująszkodliwychefektówwpowłocecynkowej,jakrównieżwotaczającymbetonie[7].Jeślichodziowpływpowłokiochronnejzestopucynkunaskutecznośćprzeno-szeniaobciążeńprzezpołączenie,jakrównieżnanośnośćdyblinawyciąganie,tozdaniemautorówpracy[7]mógłbybyćistotny,gdybyśrednicadyblawpołączeniuzmniejszyłasięowięcejniż0,5mm.Takiezmniejszenieśrednicydyblawkonstrukcjijestnieprawdopodob-nezdwóchpowodów:

korozjacynkubędzieskoncentrowananapowierzchniachnajbliższychnajbardziejekspo- –nowanejstali(końcedybla,któresąnajbardziejodległeodpołączeniapłyt),poziomaktywnościkorozyjnejw tereniebędzieznacznieniższy iowolniejszymtempie –wporównaniudoostrychwarunków,jakieprzyjmowanesąwbadaniachlaboratoryjnych.Badaniaprzyczepnościbetonudodyblizpowłokązestopucynkuprzeprowadzonona

6dyblach[7].Dwadyblezostałyposmarowaneolejemprzemysłowymonazwiecompleterelase#546,nakolejnedwananiesionosmaronazwieMolub�Alloy860/220�2eS,aostat-niedwadyblepozostawionobezdodatkowychzabiegów.naprężeniaścinającewyliczoneprzezpodzieleniemaksymalnejsiływyciągającejprzezpowierzchnięzabetonowanegodybla

118

wynosiłyodpowiedniodlawariantupierwszego:99,3i93,1kPa,dlawariantudrugiego:12i21kPaorazdlawariantutrzeciego:309i236kPa.uzyskanozatemwartościznaczniepo-niżejgranicznegonaprężeniaprzyczepnościwynoszącego400kPa.

3.3.Trwałośćdybli

Dyble do nawierzchni betonowychw przeszłościwykonywane były na ogół ze stali,wzwiązkuztymichtrwałośćbyławgłównejmierzezależnaodichodpornościnakorozję.Dyblezkompozytówpolimerowych(żywicewzmocnionewłóknami)obecniesąstosowanewniektórychnawierzchniachbetonowych.Ponieważniesąonepodatnenakorozję,badasięichpodatnośćzarównonaagresjęchemicznąśrodowiska,jakinadegradacjęwobecnościpromieniuv–któresąwyznacznikamitrwałości.

Mającnaceluposzukiwanieoptymalnychrozwiązań,umożliwiającychuniknięcieuszko-dzeńnawierzchnibetonowych,spowodowanychkorozjądybli,testowanowuSAwpołącze-niachnawierzchniwieleróżnychrodzajówdybli.Alternatywnerodzajedyblisąwcałościkonstruowaneznierdzewnychmateriałówlubchronioneróżnegorodzajunierdzewnymipo-włokamizapobiegającymikorozji(innyminiżepoksydowe,stosowanenastalowychprętachwrozwiązaniukonwencjonalnym).

Wwieluprojektach[8,9]badanoopróczrozwiązańalternatywnychtakżedyblekonwen-cjonalnezestalizwykłejzpowłokąepoksydową,oceniającnaichtlekilkadziesiątinnychzróżnicowanychrozwiązańdybli.Stosowanośrednicedybli:25mm(1.0in),32mm(1.25in),38mm(1.5 in),44mm(1.75in),48mm(1.88in),51mm(2.0 in).Jakwynikazze-stawienia,najczęściejtestowanymrozwiązaniemalternatywnymbyłykompozytowedyblefrPróżnychfirm.najczęściejstosowanodybleośrednicy38mm(1.5in).zarównodyblewosłoncezestalinierdzewnej,jaki tulejezestalinierdzewnejwypełnionezaczynemce-mentowym,testowanostosująctrzytypystalinierdzewnych(304,304Li316L),różniącesięm.in.zawartościąwęglaiodpornościąnakorozję.

4. Rodzaje dybli

Wbadaniachdoświadczalnychprezentowanychwpracach[8,9]uwzględniononastępu-jącetypydybli:

dyblekompozytowezpolimeruzezbrojeniemrozproszonym(frP), –tulejekompozytowezfrPwypełnionezaczynemcementowym, –dyblepokryteplastikiem, –dyblezprętówzestalinierdzewnej, –dyblewosłoncezestalinierdzewnej, –tulejezestalinierdzewnej,wypełnionezaczynemcementowym. –

4.1.Dyblekompozytowezpolimeruzezbrojeniemrozproszonym(frP)

najbardziejpowszechnymtypemdyblifrPsądyblekompozytowe,wykonanezżywicypoliestrowej,zbrojonejwłóknemszklanym.Stosowanesątakżedyblewinyloweiepoksydo-we.Materiałytezazwyczajotrzymujesięwprocesieciągłegoprasowania,wktórymelemen-tyzbrojąceumieszczasięnajpierwwimpregnującejkąpieliżywicznej,anastępnieprzeciągasięprzezdyszęformującą,wktórejżywicajestutwardzana.

119

PodstawowymizaletamidyblikompozytowychzfrPjestichodpornośćnakorozję,nie-wielkawagaisztywność,zbliżonadosztywnościnawierzchnibetonowych.ostatniaz tychcechmożeobniżyćnaprężeniakrytyczne,powstającenapowierzchnikontaktowejmiędzydy-blemanawierzchniąbetonową,któremogądoprowadzićdobrakustabilnościdyblaiwkon-sekwencjiobniżeniaefektywnościprzenoszeniaobciążeniaLTe.Doniekorzystnychcechtychdyblinależyzaliczyćzwiększonekosztypoczątkoweiniższymodułsprężystości.

Wwynikuprzeprowadzonychbadań laboratoryjnychstwierdzono,żedyblekompozy-towezfrPwykazująwiększeugięcianiżdyblestalowekonwencjonalnelubwykonanezestalinierdzewnej.Ponadtoanalizateoretycznapodatnościdyblinazadaneobciążeniewyka-zała,żeugięciedyblikompozytowychzfrPjestokoło1,6razywiększeniżdyblizestalinierdzewnej.Wynikaz tegowniosek, żeabyosiągnąćporównywalnezachowanie sięna-wierzchni,należałobyzwiększyćśrednicędyblikompozytowychlubzmniejszyćichrozstawwpołączeniunawierzchni[8,9].

DalszebadanialaboratoryjnedotycząceskutecznościprzenoszeniaobciążeńLTEdowio-dły,żedyblekompozytoweośrednicy44mmwrozstawie203mmdałytakisamrezultatjakkonwencjonalnedyblestaloweośrednicy38mm,rozmieszczoneco305mm.Kolejnebada-nia(1999r.)wykazały,żewłączonychelementachpróbnychpodobciążeniemcyklicznymdyblekompozytoweośrednicy38mmzachowałysiętaksamo,jakdyblestaloweośrednicy25mm.Innebadania(2004r.)potwierdziły,żezgodniezoczekiwaniamiwięksześrednicedyblilubichzagęszczeniepoprawiływłaściwościLTE.

SłabecharakterystykipodłożafundamentowegoskutkowałyosiągnięciemgorszychniżpożądanewynikówLTE w sekcjacheksperymentalnych[8,9].

PorazpierwszydyblekompozytowezfrPzastosowanodokonstrukcjinawierzchnibe-tonowychwlatach1983i1985.okresowoprowadzonebadaniaugięćwykazały,żewskaź-nikLTEkompozytowychdybliwpołączeniujesttakisam,anawetwiększyniżwprzypadkuzastosowaniakonwencjonalnychdyblistalowych,takżestosowanychwtychprojektachba-dawczych.rezultatLTE=70%byłjednakgorszyniżdlapozostałychtypówużytychdybli.Po15latachużytkowanianawierzchniwyjętopewnąliczbędyblikompozytowychfrPzezłączypoprzecznychipoddanownikliwymbadaniom,któreniewykazałyżadnychśladówichzużyciapozamechanicznymi.

4.2.TulejekompozytowezfrP

różnorodnośćzastosowańpełnychdyblikompozytowychfrPdoprzenoszeniaobciążeńwpołączeniachspowodowałaichrozwójizastosowaniekolejnegoalternatywnegorozwią-zaniadybliwpostacituleikompozytowychfrP,wypełnionychzaczynemcementowymwy-sokiejwytrzymałości.DoprodukcjituleistosowanesątakiesamemateriałyjakwprzypadkupełnychdyblifrP.zaczyncementowymazazadaniezwiększeniewytrzymałościiodporno-ścinaodkształceniatulei.zanotowanojednakpewneproblemyzuzyskaniempoprawnegowypełnieniatuleizaczynempodciśnieniem.

Podstawowymi zaletami dybli przenoszących obciążeniaw ten sposób jest taka samajakwpełnychdyblachfrPodpornośćnakorozjęorazniskikosztwporównaniudopeł-nychdybli.Testyrozwojowenawierzchni(2003r.)zalecająstosowaniezarównonowychjakiadaptowanychmateriałów,oceniającjednocześnie,żetulejezfrPośrednicy50mmwy-pełnionezaczynemcementowymsąbardziejekonomiczneistanowiąalternatywędladyblistalowychośrednicy38mm,pokrytychwarstwąepoksydową.

120

4.3.Dyblepokryteplastikiem

Są to stalowe dyble pokryte cienką powłoką plastikową, najczęściej polietylenową,ogrubości0,5–0,8mm.Pomiędzyprętipowłokęczęstowprowadzanyjestsmar.Dybletegotypusą stosowaneod lat60.,powykonaniueksperymentalnychnawierzchnibetonowychzichużyciem.Podstawowymizaletamidyblijestniskacenaidobaodpornośćnakorozję.Ponadtoplastikowaosłonkaskutecznieprzeciwdziałaprzywieraniudybladobetonu,wobecczegoniejestpotrzebnataśmaoddzielająca.Doświadczeniazestosowaniategotypudyblisązróżnicowane.Publikacjesugerują,żewłaściwościnawierzchnibetonowychzzastoso-waniemdybli tegorodzajusą raczejdobre.WstanieMichiganpo10 latachużytkowaniaefektywnośćocenianojakoznakomitą,natomiastpo30latacheksploatacjistwierdzonood-spajaniesięosłonekplastikowychodrdzenidybli,podczasgdydyblepowlekaneepoksydembyływkondycjibliskiejpoczątkowej.

W ramach realizacji od 2000 roku europejskiego ProjektuDemonstracyjnegoMichi-ganI–75stosujesiędyblewosłoncepolietylenowej,umieszczonewmniejszymrozstawiewpaśmieruchuorazdlaporównaniadyblepowlekaneepoksydemwrozstawieco305mm.Pełnewynikiniesąjeszczeudostępnione,alewiadomojuż,żenaobuodcinkachwartościLTEsąponiżej70%.WstanienowyJorkpo10latachużytkowaniałączonychnawierzch-nibetonowychz tymidyblaminiezanotowanoklawiszowaniaanizarysowaniapołączeń.Wstanieohiopo19latachużytkowanianawierzchnistwierdzonomniejszeklawiszowanieniżwprzypadkupołączeńzdyblamibezpowłoki.

4.4.Dyblepełnezestalinierdzewnej

Dyble te charakteryzują się wysoką odpornością na korozję, wysoką wytrzymałościąisztywnością.Stalenierdzewnesąstalaminiskowęglowymi(zawartośćwęglaponiżej1%),azawierająwagowoconajmniej10,5%chromu(fhWA,2001).Dodatekchromuzapewniautworzeniesięnapowierzchnidyblaniewidocznejpowłokiztlenkuchromu,któraczynijąpasywnąiodpornąnakorozję.Wprocesieprodukcyjnymstalinierdzewnychstosowanesąwceluuzyskaniaspecjalnychwłaściwościmateriałustopymolibdenu,nikluiazot.Wyróżniasięponad60gatunkówstalinierdzewnych,podzielonychnapięćklas:austenityczna,duplex(ferrytyczno�austenityczna),ferrytyczna,martenzytycznaihartowana.

Doprodukcji prętów zbrojeniowych najczęściej stosowane są stale nierdzewne auste-nityczne,onajwiększejodpornościnakorozję,zawierającenikiel(8–25%)ipodwyższonąilość chromu (17–25%).Wcelu zwiększenia odporności na korozję dodawany jest takżemolibden(do7%).Stalenierdzewneniemajązdolnościmagnetycznychicharakteryzująsięnadzwyczajnąodpornościąnawysokieiniskietemperatury.WuSAdozbrojeniakonstrukcjinajczęściejstosowanajeststaltypu304lub304L(zmniejszązawartościąwęgla).Dopro-dukcjidyblizprętówklasy40,60i75(odpowiadającaminimalnagranicaplastyczności300,420i520MPa)stosowanesąstaletypu316(opodwyższonejodpornościnakorozję)i316L(jak316,leczzmniejszązawartościąwęgla).Kosztdyblizestalinierdzewnychjestwysoki,przewyższaokołopięciokrotniekosztstandardowychdyblipowlekanychepoksydem.cał-kowitekosztypowinnybyćjednakmniejsze,biorącpoduwagęwiększążywotnościdyblizestalinierdzewnychidłuższyczasichużytkowania.

121

4.5.Dyblewosłonkachzestalinierdzewnej

osłonkadybla,metalurgicznieznimzespolona,wykonywanajestzestalinierdzewnej,kla-syodpowiadającejklasiedyblazestaliwęglowej.Wrezultaciezłożonejstrukturydybletakieposiadająwłaściwościmechanicznestaliwęglowychiodpornośćkorozyjnąpełnychdyblizestalinierdzewnej,odktórychsąznacznietańsze.osłonkanajczęściejwykonywanajestzestalitypu316,ajejgrubośćzależyodśrednicydybla.WłączonychnawierzchniachbetonowychnaautostradachwuSAnajczęściejstosowanesądybleśrednic32i38mm,azatemgrubośćosłonekwynosiod1,8do2,3mm(grubośćtypowychosłonekepoksydowychwynosiod0,2do 0,3mm).naprężenieprzyczepnościpomiędzyrdzeniemstalowymaosłonkązestalinierdzew-nejorazgrubośćtejosłonkizapewniajądużąsztywnośćelementu,coczynigoniepodatnymnauszkodzeniapodczastransportu.Ponieważodsłoniętekońcówkidyblisąpodatnenakorozjępodczastransportu,należyjezabezpieczyćnp.spawającblaszkizestalinierdzewnej,dopaso-wującnierdzewnenasadkilubnakładającepoksydowąmasęuszczelniającą.

4.6.Tulejezestalinierdzewnej

PodobniejakwprzypadkutuleikompozytowychzfrP,tulejezestalinierdzewnej(naj-częściejtypu316L)wypełniasięwysokiejwytrzymałościzaczynemcementowym,zapew-niającymcałymelementomsztywnośćiwytrzymałość.

BadanialaboratoryjnedotyczącemożliwościstosowaniatuleizestalinierdzewnejjakodyblibyłyprzeprowadzoneprzezfhWAwlatach80.Tulejepusteitulejewypełnioneza-czynempoddawanocyklicznymobciążeniomowartości106,8kn.Wwynikuwykonanychbadaństwierdzono[8,9]:

pustetulejezestalinierdzewnejulegałyzniszczeniubezpośredniopozadaniuobciążenia –początkowego,tulejewypełnionezaczynemcementowym(średnicazewnętrzna42mmprzygrubościach –ścianki1,65mmi2,77mm)ugięłysięmniejniżpełnedyblezestalinierdzewnejośred-nicy32mm,tulejezestalinierdzewnejowiększejgrubościścianki,wypełnionezaczynemcemento- –wym,ugięłysięopołowęmniej,niżtulejeomniejszejgrubościścianki.Wymienionedybleoróżnychrozwiązaniachkonstrukcyjnychzostałyzastosowaneprzy

realizacjikilkunastudoświadczalnychnawierzchnibetonowychwramachprojektufhWATe30.Piętnaścieodcinkówpróbnychzlokalizowanowstanach:Illinois,Iowa,Kansas,Mi-chigan,Minnesota,ohio,WestvirginiaiWisconsin.Podstawowymcelembadańbyłookre-ślenieskutecznościprzenoszeniaobciążeniawpołączeniachpoprzecznych,przywarianto-wychrozwiązaniachkonstrukcyjnych.opisy,zaletyiwadyorazrelacjecenalternatywnychrozwiązańdybliwodniesieniudocharakterystykdyblikonwencjonalnychpodanotabeli2.

122

Ta b e l a 2

Porównanie alternatywnych rozwiązań dybli z rozwiązaniem konwencjonalnym [8, 9]

rodzajmateriału opis zalety Wady

Staloweprętypowleczoneepoksydem

Prętzestaliwęglowejosłoniętydyfuzyjniepowłokąepoksydową(zwykleogrubości0,2–0,3mm)będącąbarierązatrzymującąwilgoćichlorki

odpornośćnakorozję•wysokawytrzymałość•narozciąganienajtańszezewszystkich•rodzajówprętówodpornychnakorozję

długotrwałaodporność•nakorozjęmożestanowićproblemosłonkawrażliwana•uszkodzeniapodczasmontażusztywnośćwiększa•odsztywnościbetonumożepowodowaćuszkodzeniapowierzchnidybli

Staloweprętypokrytepowłokąplastikową

Prętzestaliwęglowejpowleczonycienkąwarstwą(około0,5mm)plastiku,np:polietylenu

odpornośćnakorozję•umiarkowanacena•brakprzyczepnoścido•betonu(niewymagastosowaniapokryćzapobiegającychprzywieraniu)zachowujemałą•wytrzymałośćnaodrywanie

wrażliwośćna•uszkodzeniapodczastransportuimontażusztywnośćwiększa•odsztywnościbetonumożepowodowaćuszkodzeniapowierzchnidybli

Prętyzestaliwęglowejzosłonkązestalinierdzewnej

osłonkazestalinierdzewnej(najczęściejtypu316iogrubości1,8–2,3mm)jestmetalurgiczniepołączonazkonwencjonalnymrdzeniemzestaliwęglowej

silnaodpornośćna•korozjętrwałość•wysokawytrzymałość•narozciąganiedługażywotność•(50–75lat)tańszezarównood•dyblifrP,jakipełnychzestalinierdzewnejspecjalistyczny•transportniewymagany

droższeniżstalowe•prętypowlekaneepoksydowo(jednaknietakdrogiejakpełnezestalinierdzewnej)trudniejszedo•transportowanianiżprętyfrPwzględniewyższa•sztywnośćniżprętówfrP

Pełneprętyzestalinierdzewnej

Staleniskowęglowe(mniejniż1%zawartościwęgla)zawierającewagowoprzynajmniej10,5%chromuwceluzapewnieniaodpornościnakorozję,typ316jestnajczęściejstosowanywprodukcjidybli

silnaodpornośćna•korozjętrwałość•wysokawytrzymałość•narozciąganiedługażywotność•(50–75lat)specjalistyczny•transportniejestwymagany

droższeniżstalowe•prętypowlekaneepoksydemtrudniejszedo•transportowanianiżprętyzfrPrelatywniewyższa•sztywnośćniżdyblifrP

123

Tulejezestalinierdzewnejwypełnionezaczynemcementowym

Tulejazestalinierdzewnejwypełnionazaczynemcementowymwysokiejwytrzymałościwceluuzyskaniaodpowiedniejsztywnościinośności

silnaodpornośćna•korozjętrwałość•wysokawytrzymałość•narozciąganiedługażywotność•(50–75lat)tańszezarówno•oddyblifrP,jakipełnościennychzestalinierdzewnejspecjalistyczny•transportniejestwymagany

droższeniżstalowe•prętypowlekaneepoksydowo(jednaknietakdrogiejakpełnezestalinierdzewnej)trudniejszedo•transportowanianiżprętyfrPwyższasztywnośćniż•prętówfrP

KompozytoweprętyfrP

Prętpełnywykonanyzmateriałukompozytowegozawierającegomatrycęspoinową(jak:poliester,winyl,czyepoksyd),elementyzbrojące(jak:włóknoszklane,lubwęglowe)iwypełniacze

niepodatnośćna•korozjętrwałość•wysokawytrzymałość•narozciąganiemałyciężar/łatwość•transportowaniaichsztywnośćjest•relatywniebliższasztywnościbetonuniżprętówstalowych,coredukujeuszkodzeniapowierzchniprętów

droższeniżstalowe•prętypowlekaneepoksydemniższymoduł•sprężystościiwytrzymałośćnaścinanieniżstalowychprętówpowlekanychepoksydemmniejszyciężar/•gęstość(prętyniezabezpieczonemogą„wypływać”napowierzchniępodczaswibrowania)

KompozytowetulejefrPwypełnionezaczynemcementowym

TulejakompozytowazfrP,wypełnionazaczynemcementowymwysokiejwytrzymałościwceluuzyskaniaodpowiedniejsztywnościinośności

niepodatnośćna•korozjętrwałość•tańszeod•pełnościennychprętówkompozytowychfrPichsztywnośćjest•relatywniebliższasztywnościbetonu,niżprętówstalowych,coredukujeuszkodzeniapowierzchniprętów

droższeniżstalowe•prętypowlekaneepoksydemniższymoduł•sprężystościiwytrzymałośćnaścinanieniżstalowychprętówpowlekanychepoksydem

WartościLTE,otrzymanewwynikuprzeprowadzonychbadańwramachprojektu IL2(Ilinois)przedstawionona rys.1.zprzedstawionychdanychwynika,żewartościLTE na odcinkach,naktórychzastosowanodyblewpostaciprętówzkompozytówfrP,sąniższei bardziej zmienne niż na odcinkach próbnych, na których zastosowano konwencjonalnedyblezprętówstalowychzpowłokąepoksydową.

cdtab.2

124

rys.1.WynikipomiarówwskaźnikaLTEwramachprojektuIL2,gawedzinski2000,wg[8,9]

fig.1.TheresultsofLTEmeasurementsforIL2project,gawedzinski2000,wg[8,9]

rys.2.WynikipomiarówwskaźnikaLTewramachprojektuWI2,Smith2002,wg[8,9]

fig.2.TheresultsofLTemeasurementsforWI2project,Smith2002,wg[8,9]

rys.3.WynikipomiarówwskaźnikaLTewramachprojektuWI3,Smith2002,wg[8,9]

fig.3.TheresultsofLTemeasurementsforWI3project,Smith2002,wg[8,9]

125

WstanieWisconsinskonstruowanotrzydoświadczalnenawierzchniebetonowełączone,dyblowane.Dyblezestalinierdzewnej304L,wykonanezpełnychprętów,byłyrozmiesz-czanewariantowopo3lub4prętywpaśmiekółzewnętrznegopasadrogi.Pozostałedyble,wykonanezprętówfrPorazz tulei ze stalinierdzewnej304L,wypełnionychzaczynemcementowym,rozmieszczonownormowymrozstawieco305mm.

WskaźnikiLTE,określonedoświadczalniepokilkulatacheksploatacjidroginaodcin-kachdoświadczalnychWI2 iWI3,przedstawionoodpowiedniona rys.2 i rys.3.Wynikibadańprzeprowadzonychwpaździerniku1997r. i listopadzie1998r.wykazująznaczącąredukcjęwskaźnikaLTEwszystkichdybliwykonanychzprętówkompozytowychfrP.Wy-nikiotrzymanezbadańprzeprowadzonychwczerwcu1998r.niewykazująistotnychróżnic.zdaniemautorówbadań[8,9], jakrównieżautorówniniejszejpracy,fakttenmożnauza-sadnićwiększymudziałemmechanizmuzazębianiasiękruszywanaskutekzamykaniasiępołączeńpoprzecznychwwynikuwyższychtemperaturotoczenia.

5. Proces korozji dybli stalowych

WedługThenationalAssociationofcorrosionengineers(uSA)[7]korozjajesttoznisz-czenie i rozpadmetalu lubstopupoprzezbezpośredniąagresjęchemiczną lubelektroche-miczną.Korozjametalu jestwięczasadniczopowracaniemdoniższegostanuenergetycz-negowpostaci tlenków lubwodorotlenków.Stanmetaliczny jestnajwyższymmożliwymstanemenergetycznymdlawiększościmetali,które–oiletomożliwe–naturalnieutleniająsięwposzukiwaniunajniższegopoziomuenergiipotencjalnej(potencjałuenergetycznego).

Warstewkaściśleprzylegającego tlenkużelaza,produktukorozji,normalniechronistalzbrojeniowąwbetonieprzeddalszymrozwojemkorozji.Tozjawiskoczasemokreślanejestjako„pasywnaochronanaturalna”stali.Pierwszykrokwdepasywacjistalimamiejsce,gdywzględnierozpuszczalnekryształywodorotlenkuwapnia,zwykleobecnewpowierzchnikon-taktowejzaczynuzestalą,sąrozkładaneiusuwane.Pasywnawarstewkatlenkużelaza,którajesttermodynamiczniestabilna,przypoziomachphpowyżej11możeulecuszkodzeniuprzezobniżonąkwasowośćbetonulubmożestaćsięprzepuszczalnawobecnościjonówchlorków.usunięcietejwarstwytlenkużelazaumożliwiarozpoczęcieprocesuszkodliwejkorozji.Ko-rozjawobecnościchlorkówzwykleprzebiegawznacznieszybszymtempieniżkorozjabędą-carezultatemobniżonejalkaliczności(np.karbonatyzacja)otaczającejmieszanki.

Szkodliwakorozjaprzebiegawpostacidziałaniakorozyjnegoogniwaelektrolitycznegoskładającegosięztrzechelementów:katody,anodyorazelektrolitu.Anodajestmateriałemlubmiejscem,wktórymdochodzidokorozjipoprzezutratęelektronówiutlenianie.Katodajestmateriałemlubmiejscem,gdzienadmiarelektronówzanodyjestpochłaniany,atopo-chłanianieokreślanejestjakoredukcjametaluwtymmiejscu.elektrolitjestmediumłączą-cymanodęzkatoda,przewodzącprądpomiędzynimi.

Korozjastalizbrojeniowejwbetoniewystępujewtedy,gdymatrycabetonowapełnirolęelektrolitu, umożliwiając przepływ elektronówpomiędzy anodą i katodą.Anoda i katodaogniwa elektrolitycznego mogą być oddzielnie zlokalizowane na tym samym pręcie lubmogątobyćdwaprętybądźdwametale.Produktreakcjiwytworzonypodczaskorozjianodyjest postacią tlenku żelaza, potocznie nazywaną rdzą.rdza jest odpowiedzialna zawielezniszczeńspowodowanychkorozją,ponieważjejtworzeniejestreakcjąekspansywnąmogą-cąspowodowaćwykruszaniesiębetonuorazzblokowaniepołączeniadyblowanego.ogólnymechanizmkorozjistalijestzilustrowanynarys.4.

126

rys.4.elektrochemicznyproceskorozjistaliosadzonejwbetonie[7]

fig.4.Theelectrochemicalprocessofcorrosioninconcrete�embeddedsteel

Wolnejonychlorkówsągłównymczynnikiemmającymwpływnakorozjęstalizbroje-niowej.Wnawierzchniachbetonowychźródłemchlorkówmogąbyćśrodkiodladzająceorazskładnikimieszankibetonowej(np.kruszywo,cement,wodazarobowa,dodatkichemiczne).Jonychlorków,jeślisąobecnewodpowiedniejilości,wobecnościwilgociitlenuprzyspie-szająkorozje.Korozjastaliwbetoniejestinicjowana,gdykoncentracjachlorkówrozpusz-czalnychwkwasieprzekroczy0,2%.Jeślikoncentracjachlorkówjestodpowiedniowysoka,tworzysięchlorekżelaza(lubzwiązkichlorkówżelaza)izastępujeochronnąwarstwętlen-kużelazanormalnieobecnąnastalizbrojeniowej.Wzwiązkuzwiększąrozpuszczalnościąchlorkówniżtlenków,jonychlorkówprzemieszczająsięodstali,odsłaniającczysteżelazonadziałanielokalnegośrodowiskakorozyjnegoorazwywołującpowstanieogniwaelektro-chemicznego.

Karbonatyzacjajestreakcjązachodzącąpomiędzywodorotlenkiemwapniawstwardnia-łymzaczynie cementowym idwutlenkiemwęglaobecnymwatmosferze.reakcja, którejproduktami sąwęglanwapnia iwoda, obniża phbetonuw związku z usuwaniemgrupyhydroksylowejohz roztworuwodnegozawartegowporach.zaczyncementowymaphowartościconajmniej12,5,akarbonatyzacjajestwstanieobniżyćphnawetdo8lub9.

6. Wpływ korozji dybli na zachowanie się połączeń w nawierzchniach betonowych

Możnawyróżnićdwieformykorozjidybladoprowadzającedorozwojuuszkodzeńna-wierzchnibetonowych:

redukcja poprzecznego przekroju dybla w rejonie połączenia nawierzchni (środkowa –częśćdybla),akumulacjaekspansywnychproduktówkorozjiwzdłużdyblaprowadzącadozablokowa- –nia(zamknięcia)połączenia.

127

6.1.redukcjapoprzecznegoprzekrojudybla

Korozjaśrodkowejczęścidyblajestprzeważnieinicjowanawmiejscupołączeniapłyt,ponieważjesttolokalizacjaznajczęstszymdostępemtlenu,wodyichlorków.Dodatkowopowtarzalneruchypłytzazwyczajuszkadzająpowłokęochronnąwłaśniewtejczęścidybla.niejestrzadkościąstandyblinawierzchniowych,którychkońcesąniemalbezuszkodzeńpodczasgdyprzekrójprętawczęściznajdującejsięwnajbliższymsąsiedztwiestykupłytuległznacznemuzredukowaniuwskutekkorozji,jaknarys.5[7].Taredukcjapolaprzekrojuprętamożepowodowaćuszkodzenianawierzchninaconajmniejdwaróżnesposoby.

Popierwszeubytekmasyprętapowodujepowstaniewolnejprzestrzenipomiędzydy-blemapodpierającymbetonem,coograniczaskutecznośćprzenoszeniaobciążeńpomiędzypłytamiwmiejscupołączenia.Abyzamknąćlukęizainicjowaćpracędybla,musząwystąpićwiększeprzemieszczeniapłyty,jakrównieżwiększejejugięcia(któremogąrozpocząćpro-cespompowaniaorazklawiszowania)iwzrostnaprężeńwpłycie.

Ponadto,redukcjapolaprzekrojuobniżasztywnośćpołączeniapłyt,wzwiązkuzczymobniżasięrównieżichodpornośćnasfalowanieispaczenie.Możetorównieżwpłynąćnie-korzystnienaczęśćnaprężeńwpłycieorazmożezwiększyćugięciapłyty.

rys.5.WidokdyblazpowłokąepoksydowąznawierzchniwstanieMinnesota[7].

fig.5.viewofepoxy�coateddowelretrivedfromMinnesotapavement[7]

6.2.zblokowaniepołączenia(uciąglenie)

zblokowaniepołączenianastępujewskutekdeponowanialubprzyrostuekspansywnychproduktówkorozji(m.in.tlenkówżelaza,którezajmująobjętościkilkakrotniewiększeniżstalnieskorodowana)nadługościwzdłużobetonowanejczęścidybla.

Jednązformuszkodzenianawierzchnispowodowanąbrakiemprawidłowopracującychpołączeńrozszerzaniajestrozwarciesąsiadującychpołączeńwnawierzchni(wrazztowa-rzyszącymuszkodzeniemwypełnieniauszczelniającego)iryswpołowierozpiętościpłyty(któranastępnieuleganiszczeniuwskutekdalszegowykruszaniaiklawiszowania).

Drugąformąuszkodzeńnawierzchnijestodłupywaniezblokowanegopołączeniapłyt,cojestzwiązanezwytwarzaniemprzezekspansjęproduktówkorozjiwystarczającegociśnienia(wpołączeniuznaprężeniamirozciągającymiwpłyciespowodowanymijejskracaniemsię),abyrozwarstwićbetonwpłaszczyźniedybli.Typowedlatejformyuszkodzeniatospękaneobszarybetonu,widocznepomiędzypołączeniempłytakońcamidybli.

7. Zabezpieczenia przeciwkorozyjne dybli

7.1.Technikiochronne

najbardziejpowszechnąmetodąredukowaniastopniakorozjidyblijeststosowanieba-rier chroniących stalwęglową dybli.najbardziej popularnymi przykładami rozwiązań sąoleje,smary,farby,epoksydy,plastikiiostatniodyblezestaliwęglowejzosłonkązestali

128

nierdzewnejoraztulejezestalinierdzewnej.olejeismaryużywanebyłyrównieżjakośrodkipoślizgowewkombinacjizinnymimateriałamiochronnymi.Produkujesięrównieżdyblezpowłokamiepoksydowymiwosłonach(tulejach)zestalinierdzewnej.efektywnośćtychtechnikzwyklezmieniasięzgrubościąitrwałościąosłon.grubszeitwardszewarstwypo-włokowebędąbardziejodpornenauszkodzeniepodczastransportuiwbudowania.Dyblezestalinierdzewnej(typ316L)mająwysokąodpornośćnakorozjęwmiejscupołączeniapłyt,leczsądrogie.PonadtowuSAodnotowanoprzypadkirozwojukorozjidyblipowlekanychstaląnierdzewnąpodczasskładowanianazewnątrz,najprawdopodobniejwzwiązkuznie-właściwągrubościąpowłokilubjejmateriałem[7].

7.2.Dybleodpornenakorozjęinierdzewne

Dybleobecniesąprodukowanewyłączniezużyciemmateriałów,któresąodpornenakorozję bądź nierdzewne. Przykłady poprzednio stosowanych obejmują dyble wykonanewcałościzestalinierdzewnejoraztulejezestalinierdzewnej(pustychwśrodkulubwypeł-nionychzaczynemcementowymluburetanem).następniewprowadzanodyblefrPztwo-rzywsztucznych(Fiber Reinforced Polymer)opełnychprzekrojach,jakitulejewypełnionezaczynemcementowym.

7.3.ochronakatodowa[7]

Wyróżniasiędwieformyochronykatodowej:wymuszonegoobieguorazgalwaniczna(tracona).Metodyopartenawymuszonymobieguwymagająstałegozewnętrznegoźródłaenergii(np.prostownik)wceludostarczenianapięciazzewnętrznejanodydokorodującejstalizbrojeniowej.Tesystemywymagajązdalnychjednostekmonitorujących,panelikontro-lnych,skomplikowanegookablowaniawceluutrzymaniaprzepływunapięciadlaefektywnejochrony.Koniecznejestutrzymanieidopasowywanienapięciaprostownikawrazzezmie-niającymisięwarunkamiwceluzapewnieniaodpowiedniegopoziomuochronystali.

Systemygalwanicznewykorzystująwłaściwościelektryczneodmiennychmetali,abypa-sywniechronićstalzbrojeniową.Katodowaochronagalwanicznajestzapewniona,gdyelek-tronyzochronnejanodymetalowejostosunkowowysokimpotencjaleelektrochemicznym(np.cynk)płynąwkierunkustali(katody)wobecnościelektrolitu(np.betonnasyconychlorkami).elektronypłynąwtymobiegu,dopókiniezostanieosiągniętystanelektrycznejrównowagi.

utrataelektronówzanodypowodujedegradacjętegometaluwczasie.Trwałośćanodyzmieniasięwrazzprzepływemprąduwobieguizależyodtempaubytkuanodydladowol-negoprzepływuprądu.Tempozużyciajestbezpośrednioproporcjonalnedoróżnicypoten-cjałówelektrochemicznychpomiędzyanodąikatodązestaliwęglowejorazjestodwrotnieproporcjonalnedoopornościobwoduogniwaelektrochemicznego.opornośćbetonuzależyodprojektowanegoskładumieszankibetonowej,warunkówdojrzewania,wiekuizawartościchlorków.

Katodowaochronagalwanicznajestsposobem(środkiem),którywydajesiębyćnajodpo-wiedniejszydozastosowańwdyblachdonawierzchni,ponieważniejestkosztowny(bieżącaaktywnośćautomatyczniedopasowujesiędozmieniającychsięwarunkówśrodowiskowych,byosiągnąćstanrównowagielektrycznejzzakotwionąstalą)iniewymagazewnętrznegoźró-dłaprądu.

129

8. Badania dybli z powłoką ochronną ze stopu cynku

DybelonazwieLifeJacket,chronionywarstwązestopucynku,zostałopracowanyprzezJardenzincProductInc.Dybeltenjestprodukowanyprzezmechanicznezespolenieciągłejwarstwy stopu cynku o grubości 1,2mm z typowymdyblem o średnicy 38mm ze staliwęglowej.Mechanicznezespolenieuzyskujesięprzezwciągnięcierękawazestopucynkunardzeńzestaliwęglowej.grubośćpowłokizestopucynkuzostałatakdobrana,abyza-pewnićochronękatodowąprzezokres100lat(przyzałożeniu90%ubytkupowłokicynko-wej)w5�procentowymroztworzesolnym.Przyjętagrubośćdostosowanazostałarównieżdomożliwościtechnologicznychzwiązanychzprocesemnaciąganiapowłokiochronnej.

Produkowanydybeljestpodwójniechroniony.Popierwszegrubawarstwapowłokicyn-kowej działa jako powierzchniowa bariera dlamechanizmówkorozji. Ponieważ powłokazestopucynkujest5do7razygrubszaodtypowychpowłokchroniącychdybleiznacznietwardsza od powłok epoksydowych i plastikowych, jest znacznie odporniejsza na uszko-dzeniapowierzchnispowodowanezarysowaniemizużyciemprzezścieranie.Pozatymstopcynkuchronikatodowoodkrytąstalwwynikunaturalnejróżnicypotencjałówelektroche-micznychcynkuistali.

Wpracy[7]przedstawionoprzebiegiiwynikibadańodpornościnakorozjęprzeprowadzo-nychnapięciuróżnychtypachdyblioporównywalnychrozmiarach:dybelLifeJacket,niezabez-pieczonydybelzestaliwęglowej,dybelzestaliwęglowejpokrytyzielonąpowłokąepoksydową,dybelzestaliwęglowejwrękawiezestalinierdzewnej316LorazdybelmikrokompozytowyprodukowanyprzezMMfXInc.Wdyblachzpowłokamiochronnymi(LifeJacket,zpowłokąepoksydową,iwrękawiezestalinierdzewnej)nawierconopo4otworysymetrycznierozmiesz-czonenaobwodzie.Jedenzkońcówkażdegodyblapozostawionobezżadnegozabezpieczenia,abyumożliwićpotencjalnąkorozjęodsłoniętejstali.Dodrugiegokońcaprzyczepionomiedzianyprzewódwcelupomiarupotencjałówelektrycznychpółogniwaprzedbadaniamiiwichtrakcie.Stalwsąsiedztwieprzewodówzostałazabezpieczonaepoksydem.

Plastikoweśrubyprzymocowanodokażdegodyblawtensposób,żełbyśrubywystawałyponiżejeksponowanegokońcastalikażdegodybla.następniepróbkizanurzononajedna-kowągłębokośćniezabezpieczonymikońcamiwdółwszklanychzlewkachzawierających5�procentowyroztwórchlorkusodu.Wystającekońceplastikowychśrubmiałynaceluza-pewnienieodstępupomiędzykońcemdyblaadnemzlewki.

Badaniabyłyprowadzoneprzez12tygodni.nakońcukażdegotygodniabadanoroztwórwkażdejzezlewekpodwzględemzawartościżelaza,używającatomowejspektroskopiiabsorp-cyjnej.roztwórspoddyblizpowłokązestopucynkubadanorównieżzewzględunazawartośćjonówcynku.nakońcukażdegotygodniacałkowiciewymienianoroztwórwzlewkach.

narysunku6przedstawionowynikiotrzymanezapomocąatomowejspektroskopiiab-sorpcyjnej,szacującetempoubytkużelazawokresie12tygodni.Możnapowiedzieć,żetem-po rozwijającej się korozji jest stałe dla każdego rodzaju dyblaw analizowanym czasie.znaczne różnicewidoczne sąnatomiastwewzględnym tempie rozwojukorozji.Stężenieżelazapomierzonewpojemnikachzawierającychdyblezpowłokązestopucynkubyłopo-dobnedostężeniażelazawwodziewodociągowej.

Dyblezpowłokązestalinierdzewnejkorodowaływtempieod5do6razywiększymniżdyblezestaliwęglowejchronionepowłokamiepoksydowymiorazod250do400razyszyb-ciejniżdyblezpowłokązestopucynku.zkoleitempokorozjidyblizpowłokąepoksydowąbyłood40do90razywiększeniżwdyblachchronionychpowłokązestopucynku.

130

Jeślichodziodyblezestaliwęglowejzpowłokązestalinierdzewnej,towpołączeniutychmetalitenowyższympotencjaleelektrycznymbędziepełniłrolęanodyibędziekoro-dowałwceluochronymetaluoniższympotencjale.Stalwęglowamawyższypotencjałionapełnirolęanodywpołączeniuzestaląnierdzewną.Tempokorozjitychdyblijestwiększeniżwprzypadkudyblizestaliwęglowejpokrytejpowłokąepoksydową.

Tempokorozjidyblizestalimikrokompozytowejbyłotylkonieznacznieniższeniżdladyblizpowłokązestalinierdzewnej.należypodkreślić,żepowierzchniaeksponowanady-blizestalimikrokompozytowejbyłaznaczniewiększaniżwprzypadkupozostałychdybli.

Badaniauzupełniająceprzeprowadzonotylkonadyblachzestaliwęglowejzpowłokązestopucynku.celembadańbyłookreślenieskutecznościochronykatodowejwzapobieganiukorozjistaliprzydużychuszkodzeniachpowłokiwśrodkowejczęścidybla.nadwóchprób-kachtegotypu,wpołowieichdługościwyciętopowłokęochronnąnacałymobwodzie.najednejpróbcewykonanoszczelinęoszerokości3,2mmigłębokości1,3mm,natomiastnadrugiejpróbcewykonanorowekoszerokości25mmigłębokości6,4mm.Badaniapróbekprzeprowadzonowsposóbanalogicznydopoprzedniego.Po12�tygodniowymokresiebadańniestwierdzonooznakkorozjistali,astężeniejonówżelazawroztworzebyłopodobnedoobserwowanegopoprzedniodladybli zpowłokąze stopucynku (rys.7).okazało się, żeochronakatodowaprzewidzianawpostaci rękawazestopucynku jestwpełniefektywnawmostkowaniudużychprzerwwpowłoceochronnejizapewniacałkowitąochronęprzeciw-korozyjnąpowlekanegostalowegodybla.

ochrona rdzeniaze staliwęglowejdyblaLifeJacket jest częściowo realizowanaprzezkorozjępowłokizestopucynkuwnajbliższejokolicyodsłoniętejstali.Tempakorozjistopucynkubyłyszacowanezapomocąatomowejabsorpcjiprzezpomiarstężeniajonówcynkuwroztworzechlorkusoduwokresie jednego tygodnia.otrzymanewartościzostałyprze-liczonenaszacunkowąutratęgrubościpowłokizestopucynkuwyrażonąwmm/rok,przyzałożeniuwarunków ekspozycji, jakw przeprowadzonych badaniach.otrzymanewynikiprzedstawiono na rys. 8 zarówno dla próbek z nawierconymi otworami, jak i dla próbkizobwodowymrowkiemszerokości25mm.zprzedstawionychwykresówwynika,żetempoubytku cynku gwałtownie spadłow ciągu pierwszego tygodnia ze stosunkowowysokichwartości 0,075–0,090mm/rok do prawie stałego poziomuwynoszącego 0,0127mm/rok.Wysokie tempoubytkucynkuwpoczątkowej fazieodzwierciedlapoczątkowąaktywnośćpasywacyjną,podczasktórejnapowierzchniodsłoniętej stalizostajeutworzonaochronnapowłokazwęglanucynku.

Przyjętewbadaniachdoświadczalnychwarunkioddziaływaniachlorkówitempoubytkucynkubędąwrzeczywistościznacznieniższe.Wkonstrukcjibetonowychnawierzchniłączo-nych,stalodsłoniętawystępujetylkonakońcachdybli,któreznajdująsięnajdalejodźródłaoddziaływaniazarównochlorków,jakitlenu.Małoprawdopodobnejestrównieżwystępo-waniechlorkówotaksilnymstężeniuiprzeztakdługiokres,jakiprzyjętowprowadzonychbadaniachdoświadczalnych.

Wceluokreśleniaskutecznościprzenoszeniaobciążeniaprzezpołączenienawierzchnidy-blowanejzzastosowaniemdyblizpowłokąochronnązestopucynku,przeprowadzonoprzy-śpieszonebadania obciążeniowe,wykorzystującw tymcelu aparat typuMinne�ALf�2 [9].TrzydybleLifeJacketzostaływbudowanewśladzewnętrznegokołanapołączeniupełnowy-miarowychpłytbetonowych.obciążeniesymulowałoprzejściepojedynczegokołaoobciąże-niu40knzjednoczesnympomiaremugięćnaobustronachpołączenia.określonanapodsta-wiepomierzonychugięćwartośćLTEwynosiła80%po4milionachcykliobciążenia.

131

rys.6.Średnietempoubytkużelazawwynikukorozjipodczasbadaniadybli[7]

fig.6.Averageratesofironloss(corrosion)fortestdowel

rys.7.Średnietempoubytkużelazawwynikukorozjidyblizpowlokązestopucynku beznacięciarowkaiznacięciem

fig.7.Averageratesofironloss(corrosion)forzinc�sleeveddowelswithandwithoutcutslots

132

rys.8.Średnietempoubytkucynkuwdyblachzpowlokązestopucynku

fig.8.Averageratesofzinclossforzinc�sleeveddowels

9. Wnioski

Jakwynikazprzedstawionychwpracydanych,istniejądużemożliwościwdoborzero-dzajudyblidlaprojektowanychłączonychnawierzchnibetonowych.Przywyborzewłaści-wegorozwiązanianależyuwzględnićprojektowanyokreseksploatacjinawierzchni,względykonstrukcyjne(ciężardybli,łatwośćwykonania,możliwośćstosowaniastandardowychko-szypodtrzymującychdyble,metodyspawania,koniecznośćsmarowaniadybli)orazwzględyekonomiczne(kosztyzakupu,wykonaniaorazkosztyeksploatacyjne).

napodstawiewynikówotrzymanychzbadańdoświadczalnychzamieszczonychnarys.1,2i3możnastwierdzić,żewskaźnikiLTE(skutecznościprzenoszeniaobciążenia)dladybliwykonanychzprętówstalowychzpowłokąepoksydowąsąnajwyższeinajbardziejstabilne.Bezwzględu na okres prowadzonych badań doświadczalnychwskaźniki te zawierają sięwprzedziale78–95%.WskaźnikiLTedladybliwykonanychzpełnychprętówzestalinie-rdzewnejtypu304Lzawierająsięwprzedziale76–92%.WskaźnikiLTEdladybliwykona-nychzmateriałówfrPwpostaciprętówlubtuleiwypełnionychzaczynemsąnajmniejsze,charakteryzująsiędużązmiennościąizawierająsięwprzedziale62–82%.

zaprezentowanewpracywynikipochodzązbadańdoświadczalnychwróżnychstanachwuSA,naodcinkachnawierzchniwykonanychzbetonuna różnych rodzajachkruszyw.Autorzy badań nie uściślili danych dotyczących rozstawu dybli, ich średnic i warunkówśrodowiskowych(terenowych),którerzutująnawartośćwskaźnikaLTE.Możnarozważać,jakijestrzeczywistywpływmechanizmuzazębianiasiękruszywawwynikuzamykaniasiępołączeńpoprzecznychprzywyższychtemperaturachotoczenia.napewnojestonwiększy

133

wprzypadkudybliwykonanychzmateriałówfrP,cosugerowałobywystępowaniemniej-szychnaprężeńprzyczepnościbetonudotychdybli.Wokresiezimowymwystępująwiększerozwarciapoprzecznychpołączeńwnawierzchniachbetonowych.

WskaźnikLTEokreślonydoświadczalniewwarunkachlaboratoryjnychdladybliwyko-nanychzprętówzestaliwęglowejzpowłokązestopucynkuwynosi80%.WskaźnikLTEdladyblizprętówstalowychzplastikowąpowlokąokreślonypo5�letnimokresieeksploatacjiwynosił70%.naniektórychodcinkachdrógpo19�letnimokresieeksploatacjistwierdzonomniejszeklawiszowaniepołączeńniżwprzypadkuzastosowaniadyblistalowychzpowłokąepoksydową.zkoleinainnychodcinkachpróbnychstwierdzonoodspajaniesięosłonkiodrdzenia dybla po30�letnimokresie eksploatacji.W świetle przytoczonychdanychnależystwierdzić,żewnaszymkrajupowinnosiępodjąćstosownedecyzjewsprawiestosowaniakonkretnegotypudyblizapewniającegoskutecznąpracębetonowychnawierzchniłączonychwokreślonymokresieużytkowania.Projektantniemożepozostawićwykonawcyswobodywsprawiewyborurodzajudybli.

należyprzypuszczać,żedonawierzchnioprojektowanymokresieeksploatacjirzędu20lat,najbardziejefektywnebędąstosowanepowszechniedyblezestaliwęglowejzpowłokamiepoksydowymi(kosztokoło5$/szt.).wprzypadkunawierzchnioznaczniedłuższymokresieprzydatnościeksploatacyjnejnależystosowaćdybleonajwyższejodpornościnakorozję.Do-skonałąodpornośćnakorozjęmajądybletulejowezestalinierdzewnejlubdyblezfrP,którewymagają innego sposobumontażu.Dyble ze staliwęglowej zpowłokamize stopucynkuorazzestalinierdzewnejkształtująsiępodobniecenowo,amająrównieżdobrąodpornośćnaczynnikikorozyjne.Możnazatemwnioskować,żeteczteryrodzajedybliznajdąpraktycznezastosowanie (od9$do14$/szt.).Dybleze stalinierdzewnej sązbytdrogie (27$/szt.), abymogłybyćpowszechniestosowane.

L i t e r a t u r a

[1] Pn�v�83002 Lotniskowe nawierzchnie z betonu cementowego.Wymagania ogólneimetodybadań,PKn,1999.

[2] Katalog typowych konstrukcji nawierzchni sztywnych, Instytut Badawczy Dróg i Mostów,Warszawa2001.

[3] S z y d ł o A.,Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego Polskicement,Kraków2004.

[4] Pn�75/S�96015Drogoweilotniskowenawierzchniezbetonucementowego.[5] Pn�en13877�3nawierzchniebetonowe–część3:Wymaganiadladyblistoso�wanych

wnawierzchniachdrogowychbetonowych,PKn,Warszawa2007.[6] S e r u g a T., S e r u g a A., Wybrane czynniki wpływające na konstruowanie

łączonych nawierzchni betonowych,KonferencjaDniBetonu,2008,753�762,równieżgeoinżynieria:Drogi,Mosty,Tunele,nr1,2009,70�75.

[7] S n y d e r M.B.,An Evaluation of Cathodically Protected Dowels for Concrete Pave-ments,8thInternationalconferenceonconcretePavements,coloradoSprings,uSA,2005,392�414.

134

[8] L a r s o n r.M.,S m i t h K.D.,Alternative Dowel Bars for Load Transfer in Jointed Concrete Pavements,8th InternationalconferenceonconcretePavements.coloradoSprings,uSA,2005,415�438.

[9] S e r u g a T., S e r u g a A., Nowe rozwiązania dybli do betonowych nawierzchni łączonych w świetle badań doświadczalnych,Drogi,nr10,2009,25�35.

[10] AAShToT�253:Standard metod of test for coated dowel bars.[11] K h a z a n o v i c h L.,yu t I.,To m p k i n s D.,S c h u l t z A., The second genera-

tion of Minnesota Accelerated Loading Facility-Minne-ALF-2,Proceedingof the8th International conference on concrete Pavements, colorado Springs, uSA, 2005, 1013�1029.