Nawierzchnie drogowe z betonu siarkowego

ZESZYTY N A U K O W E POLITEC H NIK I ŚLĄ SKIEJ Seria: BU DOW N ICTW O z. 104

2005 N r kol. 1695

Andrzej SMAGA*

Politechnika K rakow ska

NAWIERZCHNIE DROGOWE Z BETONU SIARKOWEGO

Streszczenie. W niniejszej pracy przedstaw iono inform acje na tem at technologii wykonywania naw ierzchni z betonu siarkow ego (BS), a także rezultaty w łasnych badań własności m echanicznych betonu siarkow ego oraz w yniki badań płyty z BS o w ym iarach 0,16x1,0x3,6 m sprężonej dw om a cięgnam i bezprzyczepnościow ym i 7o5 mm.

SULFUR CONCRETE ROAD PAVEMENT

Sum m ary. In the paper there are presented som e inform ation dealing w ith preparation o f subbase or surface to receive sulfur concrete, batching, transporting placing and finishing.

Additionally the m echanical properties o f sulfur concrete resulted o f ow n investigations:

compressive strength, tensile strength, m odulus o f elasticity in com pression and sulfur concrete to sulfur concrete jo in t capacity in direct tension are also given. M oreover the results of experimental investigations carried out on prestressed sulfur concrete slab 1,0 x 3,6 x 0,16m with tw o unbonded tendons 705m m type are sum m arized.

1. Warunki w ykonania i układania betonu siarkow ego

Beton siarkow y nie je s t now ym m ateriałem . Już w początkach XX w ieku prowadzono badania nad zastosow aniem siarki ja k o spoiw a w iążącego kruszyw o. K orzystnym i cecham i betonu siarkow ego są: w ysokie w ytrzym ałości, szybkość w iązania, niska nasiąkliwość, wysoka odporność na szeroką gam ę kw asów i soli oraz m ożliw ość recyklingu.

Najważniejszym w ym aganiem przy w ykonyw aniu naw ierzchni z betonu siarkow ego je st zapewnienie suchej pow ierzchni kontaktow ej z podłożem , które w inno być pozbaw ione powierzchniowych uszkodzeń, dobrze zw iązane lub zagęszczone. Przy w zględnie suchym podłożu m ożna zastosow ać w arstw ę w yrów naw czą z suchego piasku grubości 50 do 100 mm.

* Opiekun naukow y: D r hab. inż. A ndrzej Seruga

W przypadku w ilgotnego podłoża należy zastosow ać w arstw ę ochronną z polietylenu lub podobnego m ateriału parochronnego ułożonego na piasku, w celu zredukow ania odparowania w ody w m om encie układania gorącej m ieszanki betonowej [1].

Beton siarkow y produkow any je s t przez zm ieszanie kruszyw a podgrzanego do tem peratury 177+204°C ze zm odyfikow anym spoiw em siarkow ym i miałkim wypełniaczem m ineralnym . P odgrzane kruszyw o stapia spoiw o siarkow e i ogrzew a wypełniacz mineralny.

Tem peratura m ieszanki betonu siarkow ego je s t kontrolow ana z uwagi na fakt, że spoiwo siarkow e topi się w tem peraturze 119°C, a powyżej tem peratury 149°C lepkość betonu siarkow ego gw ałtow nie w zrasta, przez co m ieszanka staje się nieurabialna. Beton siarkowy przegrzany pow yżej 149°C sztyw nieje i m a suchy w ygląd. W takim wypadku nie należy popraw iać składu m ieszanki przez dodanie spoiwa, lecz szybko obniżyć temperaturę poniżej 149°C - je śli ilość spoiw a była pierw otnie praw idłow o dobrana, to beton wróci do bardziej płynnej konsystencji. Z dotychczasow ych badań i realizacji w ynika, że temperatura rzędu 132^-141°C je s t optym alna dla uzyskania czasu potrzebnego do transportu i ułożenia m ieszanki oraz w ykończenia pow ierzchni przed stw ardnieniem .

T ypow e urządzenie do układania betonu siarkow ego pow inno zawierać:

- system osuszania kruszyw a,

- w agę do dozow ania składników m ieszanki, - sprzęt do m ieszania i transportu gotowej m ieszanki,

- typow e narzędzia do ręcznego rozprow adzania betonu i w ykończenia powierzchni.

S kładniki BS w inny być dozow ane w następującej kolejności: podgrzany piasek i kruszyw o; spoiw o siarkowe; w ypełniacz m ineralny; w łókna (jeśli są stosowane). Mieszanka betonow a m usi być dokładnie w ym ieszana, tak aby stopione spoiw o siarkowe dokładnie otaczało kruszyw o drobne i grube oraz w ypełniacz m ineralny. N ależy ograniczyć do m inim um segregację kruszyw a. D o betonow ania m ożna stosować zarów no formy drewniane, ja k i m etalow e. W przypadku stosow ania form m etalow ych pow tarzalnych winny być one podgrzew ane w celu uniknięcia w iązania betonu z pow odu błyskaw icznego stygnięcia w kontakcie z zim ną formą.

B eton siarkow y m oże być zbrojony stalą zbrojeniow ą, stalą zbrojeniow ą powlekaną żyw icą lub w łóknem szklanym . Szczegóły dotyczące stosow ania stali zbrojeniowej w betonie portlandzkim ujęte odpow iednim i norm am i są zalecane do stosow ania rów nież w przypadku betonu siarkow ego [1], O tulenie stali w inno być nieznacznie zw iększone, by uniknąć trudności w betonowaniu, spow odow anych oziębieniem betonu przez stal. Innym

Nawierzchnie drogow e z betonu siarkow ego 277

rozwiązaniem je s t podgrzew anie form i stali zbrojeniow ej bezpośrednio przed ułożeniem mieszanki. W łókno szklane w prow adzane do m ieszanki skutecznie zapobiega pow staw aniu rys skurczowych, popraw ia plastyczność i udam ość betonu siarkow ego. W pracy [1] zaleca się stosowanie w łókna szklanego długości 13+-38 m m w ilości 8,5 do 11,4 kg/m 3 betonu siarkowego.

Mieszankę należy w ylać tak szybko ja k to m ożliw e, aby w ykończenie pow ierzchni mogło być wykonane, gdy beton je s t je szc ze dostatecznie gorący. Zagęszczenie i w ykańczanie nawierzchni z betonu siarkow ego m oże być w ykonyw ane za p om ocą narzędzi używ anych do układania betonów cem entow ych. Beton siarkow y w inien być m ieszany w tak dużej m asie, jak to jest tylko m ożliw e, aby utrzym ać ciepło. M aksym alne w ym iary betonowanych nawierzchni (płyt) ograniczone są przez um iejętności i m ożliw ości ekipy w ykonującej płytę z mieszanki betonu siarkow ego, dopóki je s t ona jeszcze dostatecznie gorąca. Przy w łaściw ie zaprojektowanej m ieszance w ibratory buław ow e nie s ą konieczne, do zagęszczania m ieszanki w zupełności w ystarcza sztychow anie. W celu uzyskania szczelnej i w ygładzonej pow ierzchni zaleca się stosow anie listwy w ibracyjnej D uży w pływ na postęp prow adzonych prac m ają panujące w arunki otoczenia. W przypadku układania naw ierzchni grubości 50 mm pozostaje 2+10 minut czasu na jednorazow e w ykończenie pow ierzchni, zanim rozpocznie się jej twardnienie. W przypadku naw ierzchni grubości 100 do 200 mm ten czas w ydłuża się do 5+20 minut. W m om encie pow stania skorupy na pow ierzchni górnej nie należy kontynuow ać zacierania. M ożna użyć palnika gazow ego do szybkiego roztopienia pow ierzchni i ponownego jej w ykończenia.

W związku z ograniczonym i m ożliw ościam i układania m ieszanki konieczne je st stosowanie przerw roboczych, które um ożliw iają odkształcenia term iczne i skurczowe.

Przerwy robocze o szerokości 6-+9 mm pow inny sięgać na głębokość ok. 20-+25% grubości płyty. Stosowane są także przerw y dylatacyjne szerokości 10+-13 mm w celu ograniczenia naprężeń term icznych. M aksym alna odległość m iędzy dylatacjam i nie pow inna przekraczać 18 m przy praw idłow o w ykonanej m ieszance betonowej. Jeśli zaw artość siarki je s t w iększa niż 18% (w agow o), to odległość ta w inna być odpow iednio zm niejszona. Jak w ynika z przeprowadzonych badań [2,3], podczas w ykonyw ania płyty o w ym iarach 3,1x17,0x0,089 m całkow ite skrócenie płyty w ynosiło 19 mm.

2. Badania doświadczalne i otrzym ane wyniki

C elem badań było opracow anie technologii w ykonania odcinka próbnego nawierzchni z zastosow aniem sprężenia. N a podstaw ie przeprow adzonych badań opracowano skład m ieszanki z betonu siarkow ego na kruszyw ie granitowym , o krzyw ej uziam ienia do 16 mm.

Jako spoiw o zastosow ano siarkę m odyfikow aną w ilości w agow ej 19%. Określona dośw iadczalnie gęstość pozorna betonu siarkow ego w ynosi 2373 kg/m 3. W yliczona zawartość pustek pow ietrznych w betonie w ynosi 3,44%.

Ś rednia w ytrzym ałość betonu na ściskanie (kostki 150x150x150 m m ) wynosi 54,9 MPa i 64,4 M P a odpow iednio po 1 i 28 dniach. Średnia w ytrzym ałość betonu na rozciąganie osiow e (w alce o 150x300 m m ) w ynosi odpow iednio 2,35 M Pa i 4,22 M Pa. Średnia w ytrzym ałość na rozciąganie przy zginaniu (belki 150x150x600 m m ) wynosi 7,0 MPa i 8,80 M Pa (po 1 i 28 dniach). M oduł sprężystości przy ściskaniu (w alce) na poziom ie obciążenia 0,4oc w ynosi odpow iednio 24,0 G Pa i 27,4 GPa. B adania zespolenia betonu siarkowego z betonem siarkow ym pod obciążeniem statycznym przeprow adzono na próbkach walcowych w ykonanych w dw óch seriach, różniących się czasem zespolenia (po 2h i 4h). Średnie naprężenie przyczepności przy osiow ym rozciąganiu w ynosiło 2,69 M P a dla czasu zespolenia 2h i 3,16 M P a dla 4h. M ożna stąd w nioskow ać, że układanie naw ierzchni z betonu siarkow ego z zachow aniem dłuższych przerw roboczych korzystniej w pływ a na nośność zespolenia. Styk je s t bow iem poddany m niejszym naprężeniom rozciągającym wynikającym z procesu schładzania obu segmentów.

Poniżej przedstaw iono w yniki badań dla płyty o grubości 0,16 m, szerokości 1,0 m i długości 3,6 m od m om entu jej sprężenia do rozprężenia i fazy po rozprężeniu. Betonowanie zrealizow ano etapam i w ykonując 3 poprzeczne styki na ca łą grubość płyty w rozstawie co 1,0 m. K olejne segm enty płyty układane były po przerw ie l,5h. N ie stosowano żadnej obróbki term icznej pow ierzchni zespolenia. Po upływ ie 24 godzin od rozpoczęcia form ow ania płytę sprężono dw om a cięgnam i bezprzyczepnościow ym i 7o5 mm w rozstawie co 0,5 m, na m im ośrodzie 0,01 m w kierunku spodu płyty. N aciąg przeprowadzono jednocześnie za pom ocą agregatu firm y PAUL, w każdym cięgnie w prowadzono siłę

Po=190,0 kN .N aprężenie ściskające w płycie od sprężenia w ynosiło 2,35 M Pa. N a obu cięgnach zainstalow ano siłom ierze pałąkow e o zakresie do 200 kN. Schem at stanowiska badaw czego przedstaw iono na rys. 1. Pom iar tem peratury tw ardniejącego betonu przeprow adzono za pom ocą czujników w topionych w 3 stykach płyty oraz w środku jednego segm entu płyty na głębokości cięgien sprężających. M aksym alną tem peraturę mieszanki

Nawierzchnie drogow e z betonu siarkow ego 279

zarejestrowano na czujniku 2 (w środku płyty) w m om encie je g o zabetonow ania (64,5°C). Po dwóch dobach tem peratura betonu zrów nała się z tem peraturą otoczenia. Przebieg zm ian temperatury w czasie pokazano na rys. 5. N a górnej pow ierzchni płyty naklejono repery w osiach cięgien sprężających w rozstaw ie 0,20 m. Ponadto, na pow ierzchniach bocznych naklejono punkty pom iarow e poprzez styki na w ysokościach 0,045 i 0,145 m od spodu płyty.

Pomiar zerow y w ykonano przed sprężeniem płyty. Zm iany odkształcenia poprzecznego styku 1 w czasie przedstaw iono na rys. 2. Zm iany odkształcenia betonu poza stykami w funkcji czasu przedstaw iono na rys. 3. Zm iany odkształceń betonu w bazach pom iarowych na długości płyty w przekroju 1-1 przedstaw iono na rys. 4. Po 31 dniach utrzym yw ania obciążenia p łyta została rozprężona.

3. Wnioski

Beton siarkow y m ożna sprężać po 24 godzinach ju ż pełną w artością docelow ej siły, co nie jest m ożliwe w przypadku betonów cem entow ych. W ynika to z bardzo szybkiego początkowego przyrostu w łasności m echanicznych betonu (w ytrzym ałość na ściskanie, moduł sprężystości itp.) oraz charakteru przebiegu procesu skurczu. Skutkuje to obniżeniem strat siły sprężającej w porów naniu do betonu cem entow ego. Szczególną uw agę należy zw rócić na zmiany odkształceń w czasie (rys. 3.). O dkształcenia sprężyste w m om encie sprężenia różnią się nieznacznie od odkształceń w chw ili rozprężania, w ynika to z faktu, że m oduł sprężystości w chwili sprężenia niew iele różni się od m odułu w chw ili rozprężenia (10% ). Trw ałe odkształcenia na poziom ie 15-10 '5 w yw ołane s ą zjaw iskiem pełzania betonu. Jak w ykazały badania, odkształcenia skurczow e w yw ołane są tylko ochładzaniem betonu i zachodzą w pierwszych kilkunastu godzinach stygnięcia betonu, osiągając w artości rzędu 50-10’5.

Po stabilizacji tem peratury w czasie 24 h dalsze odkształcenia skurczow e są m inim alne ( 1 T 0 '5). A nalizując rys. 4., m ożna zauw ażyć, że najw iększe odkształcenia w ystąpiły w stykach. W ynika to z faktu, że sprężenie m iało m iejsce, gdy skurcz betonu zanikał.

W prowadzenie siły sprężającej spow odow ało zaciśnięcie się styków , a dopiero potem ich sprężenie. Po rozprężeniu nastąpiło cofnięcie się odkształceń, ale tylko o w artość w ynikającą z naprężenia ściskającego, pozostała część odkształcenia je s t odkształceniem trw ałym , wynikającym z zam knięcia się styków . C ałkow ity spadek siły sprężającej w czasie utrzymywania obciążenia nie przekroczył 3% siły początkowej. N a podstaw ie analizy

odkształceniestyku&*10

w yników m ożna stw ierdzić, że sprężenie naw ierzchni z betonu siarkowego wpłynie korzystnie na ich w alory eksploatacyjne.

ST1 ST2 ST3

oin

r-i 2

i i i l ł 4 i 4 ł I 2

A

oo

m 1

1 2 3 4 5

łr 1 1 1 1

T T T T T

6 7 8 9 10

4 x x i x

t T T T t

11 12 13 14 15

T T t

16 17 18 ^' Po

A1

250 t t...t

' Po

1000 1000 1000 600

360

G + D +

ST 200

Rys. 1. Schemat badanej płyty Fig. 1. Scheme o f investigated slab

czas t [godzj

Rys. 2. Zmiana odkształcenia styku 1 w funkcji czasu Fig. 2. Change o f first joint strain in function o f time

Nawierzchnie drogow e z betonu siarkow ego 281

czas t [godz]

Rys. 3. Zmiana odkształcenia betonu w płycie poza stykami w funkcji czasu Fig. 3. Change o f concrete strain in slab out o f joints in function o f time

PRZEKRÓJ 1-1

200

180

160

0140

1

ic

J\

— ♦— SPRĘŻENIE

— - PRZED ROZPRĘŻENIEM

• - A - PO ROZPRĘŻENIU

OSTATNIE ODCZYTY

i h

1

/ /

i i \ ¹1 a

1) 1 ' 1 '.

7 h a

A / A N

« » \ V

4 •

l l 1

;

A\V

'■ i / N

' A /

/ ;

/ K *

/ X : ^{_ -} ..-A

* '■ r

I!

'V

" A ' ‘

W

^*

--- 100

1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18

ST1 ST2 ST3

bazy pomiarowe na długości płyty

Rys. 4. Zmiany odkształceń betonu w bazach pomiarowych na długości płyty Fig. 4. Change of concrete strain in measuring bases longways the slab

temperaturaT [°C]

Rys. 5. Zmiany temperatury plyty w funkcji czasu Fig. 5. Change o f slab temperature in function o f time

LITER A TU R A

1. R eport o f A C I C om m ittee 548.2R-93 (reapproved 1998): G uide for mixing and placing sulfur concrete in construction, p. 1-12.

2. Pickard Scott S.: Sulfur concrete: U nderstanding Application. Concrete International:

D esign and Construction, V .3, NolO , O ct.1981, p. 57-67.

3. Pickard Scott S.: Sulfur concrete at A M M A X N ickel - a project case history. Concrete International: D esign and Construction, V.6, NolO , Oct.1984, p. 35-41.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. Antoni Szydło