BADANIA PŁYT SPRĘŻONYCH PRZEZNACZONYCH NA NAWIERZCHNIE DROG I LOTNISK

Rafał SZYDŁOW SKI*

Politechnika K rakow ska

BADANIA PŁYT SPRĘŻONYCH PRZEZNACZONYCH NA NAWIERZCHNIE DROG I LOTNISK

Streszczenie. W niniejszej pracy przedstaw iono w yniki badań laboratoryjnych 3 płyt o w ym iarach 1,0 x 3,6 x 0,16 m. D w ie z nich zostały sprężone bezprzyczepnościow ym i cięgnami stalow ym i 7<))5 do 50% pełnej siły po 20 godzinach od zabetonow ania oraz doprężone do siły docelow ej 20 godzin później. P rzez 28 dni m ierzono odkształcenia betonu oraz siłę sprężającą. R ów nocześnie w ykonano zestaw próbek betonow ych, na których określono rozw ój w łasności m echanicznych betonu w czasie.

RESEARCH OF PRESTRESSED CONCRETE PLATES FOR ROADS AND AIRPORT PAVEMENTS

Sum m ary. In this paper results o f laboratory investigation o f three 1,0 x 3,6 x 0,16 m concrete slabs have been presented. Tw o o f them w ere prestressed by unbounded steel tendons 7<|>5 to 50% o f full prestressed force o f 20 hours after concreting and prestressing force w as im proved to full value 20 hours later. The concrete strains and prestressed force were m onitoring over 28 days. S et o f concrete sam ples w as cast in the sam e tim e, and development o f concrete m echanical properties in day-tim e w as determ ined.

1. Geneza problemu

N ośność oraz dopuszczalne obciążenie naw ierzchni betonowej m oże być skutecznie zwiększone przez jej sprężenie. Sprężenie w yw ołuje w płycie betonow ej naprężenia ściskające, które w znaczący sposób zm ien iają charakter pracy naw ierzchni oraz p odnoszą jej rysoodpom ość. Z astosow anie sprężenia pozw ala projektow ać niezarysow ane, długie, ciągłe płyty o znacznie m niejszej grubości i w iększej długości niż podobne w w ersji żelbetow ej.

' Opiekun naukowy: Dr hab. inż. Andrzej Seruga, prof. Politechniki Krakowskiej

396 R. Szydłowski

W naw ierzchniach betonow ych w ykonyw anych z kilku bądź kilkunastom etrowej długości płyt zdecydow anie najsłabszym punktem całej konstrukcji s ą styki. W iele uszkodzeń, takich ja k nierów nom ierne osiadanie, erozja podłoża, zgniatanie i odłupyw anie krawędzi ma miejsce w łaśnie w stykach płyt. U szkodzenia te w znaczący sposób o b niżają komfort ruchu.

Skutecznie p odnoszą rów nież koszty zw iązane z utrzym aniem naw ierzchni. Jednym ze sposobów zm niejszenia uciążliw ości wyżej w ym ienionych problem ów je st zastosowanie betonu sprężonego. P opraw ne projektow anie pow inno prow adzić do otrzym ania gładkiej, niezarysow anej naw ierzchni z niew ielką liczb ą dylatacji.

Pom im o w yżej w ym ienionych zalet naw ierzchnie z betonu sprężonego nie znalazły w św iecie szerokiego zastosow ania z kilku pow odów :

■ niew ielu projektantów w dostatecznym stopniu poznało problem projektowania i konstruow ania naw ierzchni z betonu sprężonego,

■ brak je s t odpow iednich rozw iązań w ykonaw czych dla różnych obciążeń, uw zględniających różne w arunki atm osferyczne,

■ zastosow anie w zględnie w ysokiego poziom u sprężenia w dw óch kierunkach (podłużnym i poprzecznym ) okazało się zbyt drogie, co skutecznie ograniczało stosowanie betonu sprężonego w naw ierzchniach drogow ych i lotniskow ych.

W artość naprężeń sprężających i odpow iadającą im ilość stali m ożna zredukować w stosunku do ilości używ anej dotychczas, je śli uw zględni się dw a następujące czynniki:

■ zastosow anie w arstw poślizgow ych na styku naw ierzchni z podłożem redukujących tarcie pow stające w w yniku term icznej rozszerzalności płyty pozw oli znacząco zmniejszyć siłę oraz ilość stali sprężającej,

■ rozkład naprężeń skurczow ych na grubości płyty w w yniku różnicy w ilgotności betonu na obu pow ierzchniach płyty redukuje naprężenia w yw ołane obciążeniem kołem pojazdu.

N aprężenia ściskające n a dole są przeciw ne rozciągającym pow stającym w wyniku lokalnego obciążenia płyty.

Jednym z problem ów w projektow aniu je s t określenie docelow ych naprężeń i odkształceń w przekroju płyty, uw zględniających działanie sprężenia, zaw artości w ilgoci, czynników atm osferycznych i czasu. Jak pow szechnie w iadom o, m oduł sprężystości betonu jest w ielkością zależną od w ielu czynników , m iędzy innym i zaw artości w ilgoci oraz wartości i czasu trw ania obciążenia. W tym celu należy uw zględnić w analizie skorygow aną wartość m odułu sprężystości betonu. ACI C om m ittee 209 w swojej interpretacji zagadnienia skurczu i pełzania próbuje uprościć problem , w prow adzając efektyw ny m oduł sprężający, którego

wartość zależy od siecznego m odułu sprężystości E c, w spółczynnika i współczynnika starzenia i w ahającego się w granicach od 0,6 do 0,9.

E c = E °- ■

1 + z - ł

Pełzanie betonu zależy od zaw artości w ilgoci w betonie. W ilgotność betonu w głębszych warstwach z uw agi n a ograniczenia w odparow yw aniu w ody je s t na ogół znacznie w iększa niż przy górnej pow ierzchni płyty. Z godnie z pow yższym , w obliczeniach efektyw nego modułu sprężystości do w yznaczania naprężeń w ym uszonych należy stosow ać zm ienny rozkład w spółczynnika pełzania n a w ysokości przekroju płyty.

2. Program badań

W L aboratorium Instytutu M ateriałów i K onstrukcji B udow lanych Politechniki Krakowskiej przeprow adzono w stępne badania poprzedzające w ykonanie sprężonej, ciągłej płyty w skali naturalnej. P rzedm iotem badań były stany odkształceń i naprężeń w przekroju poprzecznym płyty betonowej o w ym iarach 0,16 x 1,0 x 3,6 m przy różnym stopniu sprężenia. W ykonano 3 płyty betonow e bez zbrojenia zw ykłego. W celu zm inim alizow ania sił tarcia użyto dw óch w arstw folii PE pom iędzy p ły tą a podkładem stalow ym . D w ie z trzech płyt zostały sprężone stalow ym i cięgnam i bezprzyczepnościow ym i 7<|>5. P łyta 1 sprężona została dw om a cięgnam i w odstępie 0,5 m. W przypadku płyty 2 zastosow ano 4 cięgna w rozstawie 0,25 m . W idok ogólny płyty 1 przedstaw ia rysunek 1. P łyta 3 była niesprężona w celu m onitorow ania odkształceń skurczow ych i term icznych, co pozw oliło odseparow ać odkształcenia od pełzania z odkształceń pom ierzonych w płycie 2. Sprężenie realizow ano w dwóch etapach: etap I - około 50 % docelow ej siły sprężającej w prow adzono 20 godzin po zabetonowaniu, etap II — siła sprężająca została zw iększona do w artości docelow ej po upływie kolejnych 20 godzin. Średnie w artości siły sprężającej oraz odpow iadające im wartości naprężeń w betonie zestaw iono w tablicy 1. Do w ykonania płyt użyto napowietrzonej m ieszanki betonowej zaprojektow anej specjalnie dla konstrukcji sprężonych.

Użyto cem entu portlandzkiego C EM I M S R N A 42,5 w ilości 440 kg/m 3, w /c = 0,37.

Poniew aż niezbędne było podniesienie m odułu sprężystości betonu, zastosow ano kruszyw o bazaltowe. Zarów no przed, ja k rów nież podczas testów płyt prow adzono badania w łasności m echanicznych betonu i ich rozw ój w czasie.

pełzania §

O )

398 R. Szydłowski

Tablica 1 Średnie w artości siły sprężającej oraz odpow iadające im naprężenia obliczone

dla dolnej ( a c,d ) i górnej ( a c>g) pow ierzchni

N um er płyt I etap sprężenia II etap sprężenia

Poi [kN] a c.d [MPa] *T.g [MP - . P 02 [kN] CTc.d TMPal CTc.s [MPa]

P łyta 1 100,1 1,72 0,78 189,9 3,26 1,48

P łyta 2 99,0 3,40 1,55 189,4 6,61 2,96

Po 12, 18, 24, 36 i 48 godzinach oraz 3, 7 i 28 dniach badano: w ytrzym ałość n a ściskanie na kostkach sześciennych o boku 150 m m oraz w alcach o średnicy <j)150 i w ysokości 300 mm, w ytrzym ałość na zginanie przy dw upunktow ym obciążeniu belek 150 x 1 5 0 x 600 mm, m oduł sprężystości betonu określany n a w alcach <j>l50 x 300 m m oraz skurcz betonu na beleczkach 100 x 100 x 500 mm. W yniki badań przedstaw iono n a rysunku 2.

W trakcie testów płyt badano następujące w ielkości:

■ siłę w cięgnach,

■ odkształcenia oraz tem peraturę betonu na trzech głębokościach: w środku wysokości, 20 m m poniżej górnej i 20 m m pow yżej dolnej pow ierzchni płyty,

■ odkształcenia betonu n a górnej pow ierzchni w trzech liniach w kierunku podłużnym,

■ skrócenie płyty na w ysokości środka ciężkości sprężenia.

Siła sprężająca została zw olniona po 28 dniach od zabetonow ania, lecz pomiary prow adzono jeszcze przez kilka dni. W artości siły początkowej i końcow ej oraz straty siły sprężającej zestaw iono w tablicy 2. Po oznacza początkow ą siłę w cięgnie, Pt siłę w cięgnie po 20 godzinach (dla I etapu) i po 28 dniach (dla II etapu). C ięgna sprężające zostały usytuowane n a m im ośrodzie 10 m m (rys. 1 i 4).

W ytrzym ałość betonu n a ściskanie w trakcie pierw szego etapu sprężania wynosiła 18,6 M Pa (na próbkach w alcow ych), a w czasie drugiego (ostatecznego) 26,9 M Pa.

Rys. 1. Widok ogólny płyty 1 Fig. 1. General view o f slab 1

[edOl njuBMspę Azjd nuojaq pęojsAz&jds tnpotN

[edlAll

B ju e B fe p z o j e u 050( b u iA z jjA m

O

o o o o o o o o

CD 1 0 Tj- CO CM T -

[BdlAl]

ajUB^spę eu 9§0|BluAzjj/m

o

o o o o o o o

CO m TJ- c o CM T -

s0 l X ^ 9M0Z0Jn>jS B|U90|B|ZSMPO

Rys.2.Rozwój własności mechanicznych i odkształceńskurczowychbetonuw czasie Fig. 2.Development ofmechanical propertiesand shrinkage strains ofthe concrete in day-time

400 R. Szydłowski

Tablica 2 P oczątkow e i końcow e w artości siły oraz straty sprężenia

I etap sprężenia II etap sprężenia

N um er Start K oniec Straty Start K oniec Straty

płyty (20h) (40h) siły (40h) (28 dni) siły

Po [kN] P. [kN] \ P i-o] Po[kN ] P, [kN] AP \%]

P łyta 1 100,1 98,9 1,3 189,9 183,3 3,5

P łyta 2 99,0 96,7 2,3 189,4 182,9 3,4

Sieczny m oduł sprężystości w ynosił 23 G Pa, 28 G P a i 37,5 G P a po odpow iednio 24,48 godz.

i 28 dniach.

3. Omówienie wyników i wnioski końcowe

R ozkład odkształceń od skurczu i tem peratury m ierzonych na trzech głębokościach płyty 3 przedstaw ia dolna część rysunku 3. N atom iast kom pletne odkształcenia wywołane skurczem , tem peraturą i pełzaniem przedstaw ia górna część rysunku 3 (płyta 2). Rysunek ten prezentuje rów nież odkształcenia od pełzania, obliczone ja k o różnicę odkształceń mierzonych na płytach 2 i 3 (linie grube). W oparciu o w artości odkształceń (doraźnych i opóźnionych) w trzech punktach w yznaczono ich rozkład w przekroju poprzecznym w każdym etapie sprężania i pom iędzy nim i (rys. 4).

W spółczynnik pełzania <|> (rów nanie (1)) zależy od zaw artości w ilgoci w betonie, która jest różna n a obu pow ierzchniach. N iestety, w badaniach nie było m ożliw ości pom iaru wilgot­

ności betonu do oszacow ania efektyw nego m odułu sprężystości. W artość modułu w yznaczono zatem znając naprężenia i odkształcenia betonu w czasie. Przyjmując do obliczeń naprężenia na górnej pow ierzchni płyty rów ne 2,96 M Pa i odkształcenie (po 28 dniach) rów ne 2 8 ,7 x l0 '5 (rys. 4), w yznaczono w artość efektyw nego m odułu sprężystości, otrzym ano 10,3 GPa. Podobnie na dolnej pow ierzchni dla naprężeń 6,61 M Pa i odkształceń 3 1,0x10 '5 otrzym ano m oduł rów ny 21,3 GPa. O trzym ane w artości efektyw nego modułu sprężystości są niższe niż sugerow ane przez A CI C om m ittee 325 dla określania rozkładu naprężeń w przekroju w czasie w w yniku sprężenia i odkształceń wymuszonych, w projektow aniu betonow ych naw ierzchni sprężonych. N ależy podkreślić, że badania laboratoryjne nie uw zględniają czynników atm osferycznych.

B adania pokazały, że m ożliw e je s t sprężanie betonu ju ż po 20 godzinach po zabetonow aniu. W przypadku tak w czesnego sprężenia betonu z w ysokim siecznym modułem

Rys.3.Rozwój odkształceńbetonuw czasie Fig. 3.Development ofconcrete strains in day-time

402 R. Szydłowski

£ ( |).i „ £i|).i i „

U

⁺

—■ -Vito

8.8

=

^11.5

(114.9

12.9

15.7

I e ta p o b cią że n ia

Rys. 4. Odkształcenia doraźne oraz odkształcenia od pełzania betonu w wyniku sprężenia Fig. 4. Instantaneous and creep strains due to prestressing o f Slab 2

sprężystości m ożliw e je s t utrzym anie m ałych odkształceń doraźnych. W badanym przypadku skrócenie płyty w w yniku sprężenia w yniosło 1,2 m m w pierw szym etapie i 0,62 mm w drugim etapie.

D la oceny w pływ u fałdow ania, w pływ ów term icznych oraz dw ukierunkow ego sprężania n a deform ację w czasie oraz straty siły sprężającej niezbędne s ą dalsze badania „in situ” .

LITER A TU R A

1. Sargious M ., G hałi A.: Stresses in Prestressed and N onprestressed pavem ents and Slabs O n G rade D ue to D ifferential Shinkage and Creep. A CI Journal, September-October 1986, p. 772-776.

2. A C I C om m ittee 325: R ecom m endations for D esigning Prestressed C oncrete Pavements.

A C I Structural Journal, July-A ugust 1988, p. 451-471.

3. K uś S., Ludera P., Ł ukaszyński J., P ietrzyk A ., B ajorek G.: Sprężanie m łodego betonu ja k o m etoda elim inacji zarysow ań term icznych i skurczow ych ścian zbiorników żelbetow ych. X LIV K N K ILiW PA N i K N PZITB, P oznań-K rynica 1998, s. 121-128.

4. O ’B rien J. S., Burns N . H , M cC ullough B F.: V ery E arly P ost-tensioning o f Presteressed C oncrete Pavem ents. A CI Structural Journal, N ovem ber-D ecem ber 1993, p. 658-665.

5. Kuś S., W oliński Sz.: Sprężanie m łodego betonu ja k o m etoda elim inacji zarysowań term icznych i skurczowych. Inżynieria i B udow nictw o nr 6/99, s. 327-330.

6. A ltoubath S. A ., Lange D. A.: T ensile B asic C reep: M easurem ents and B ehavior at Early A ge. S eptem ber-O ctober 2001, p. 386-393.

R ecenzent: D r hab. inż. A dam Zybura, prof. w Politechnice Śląskiej