Разрушение железобетонных шпал и основные причины их вызывающие

Разрушение железобетонных шпал и основные причины их вызывающие

Добшиц Лев Михайлович,

доктор техн. наук, профессор, Российский университет транспорта (МИИТ);

Варвянский Ростислав Игоревич,

аспирант, Российский университет транспорта (МИИТ), varvyanskiy@mail.ru

В статье проанализированы основные причины разрушения железобетонных шпал, возникающие в результате их эксплуатации в пути. Железобетонные шпалы были отобраны с действующего участка пути Саратовского территориального управления Приволжской железной дороги. По всей протяженности участка пути наблюдается разрушение железобетонных шпал на разных стадиях. В результате проведенных испытаний физико-механических и химических свойств элементов бетона, выявлены основные причины разрушения железобетонных шпал, находящихся в пути и на складе, изготовленных в одно временя. На основании экспериментальных данных сделан вывод, что в железобетонные шпалы разрушаются вследствие коррозии бетона III вида. Протекающие процессы коррозии бетона наслаиваются и дополняют друг друга, приводя к лавинообразному нарастанию деформаций и быстрому разрушению бетона. Ключевые слова: железобетонные транспортные изделия, железобетонные шпалы, бетон, коррозия бетона, тепло-влажностная обработка бетона, разрушение бетона, поздний этрингит, реакционноспособный заполнитель, долговечность бетона, прочность бетона.

Развивающаяся сеть железных дорог требует большого количества железобетонных элементов транспортных изделий и конструкций для строительства новых и ремонта старых путей. Однако значительное количество существующих транспортных железобетонных элементов выходит из строя задолго до истечения нормативного срока их эксплуатации, что приводит к большим непредвиденным материальным и финансовым затратам.

Ранее существовало мнение, что бетонные конструкции не требуют ухода, если соблюдаются установленные основные правила технологии изготовления бетона. Однако опыт последних лет доказывает, что даже небольшие отклонения от этих правил, а также неправильно оцененные или ухудшившиеся условия окружающей среды могут привести к значительным повреждениям.

В последнее время отмечаются случаи разрушения предварительно напряженных железобетонных шпал на путях Северо-Кавказской, Горьковской, Приволжской и других железных дорог России вследствие коррозии бетона. В большинстве случаев, это происходит из-за использования сырья и материалов низкого качества или нарушений технологии изготовления шпал. Но совершенно очевидно, что на этом фоне снижению долговечности шпал способствуют несовершенные технологические процессы, обусловленные и разрешенные устаревшими регламентами.

В требованиях к материалам российских нормативов содержатся только ссылки на соответствующие стандарты, а требования к материалам в европейских нормах не просто регламентируют те или иные характеристики, они еще допускают альтернативные сочетания различных компонентов и устанавливают взаимосвязь между технологическими параметрами и свойствами материалов.

Стадии разрушения железобетонных шпал.

Для экспериментального участка был выбран нечётный путь перегона Екатериновка - Салтыковка Аткарской дистанции пути Саратовского территориального управления Приволжской железной дороги с 893 по 704 км. По всей протяженности участка пути наблюдается разрушение

х

X

о го А с.

X

го m

о

ю 4

М О

О)

о

см

О!

О Ш

т

X

3

<

т о х

X

железобетонных шпал на разных стадиях. Последовательность разрушения шпал можно представить себе следующим образом [1]:

На первой стадии на поверхности шпал появляются поверхностные мелкие трещины нечетко ориентированные вдоль и поперек оси шпал, их длина 150-350 мм (рисунок 1).

На второй стадии трещины вдоль шпалы немного раскрываются, становятся более внятными. Часто они начинаются от полости колпачка заглушки концов арматуры торца шпалы и идут к подрельсовой части или боковую поверхность торцевой зоны. Одновременно вдоль шпалы развиваются и другие трещины на верхней поверхности, в том числе и по средней части шпалы, длина этих трещин 300-800 мм (рисунок 2).

На третьей стадии трещины на верхней поверхности шпалы продолжают развиваться, появляются также косые трещины, бетон откалывается от шпалы (рисунок 3). При этом необходимо отметить, что сквозная трещина или откол бетона происходит под углом около 300 к боковой поверхности шпалы и около 600 - к торцевой.

На четвертой стадии предварительно-напряженная арматура обнажается (чаще всего с торцов шпалы), наблюдаются крупные сколы бетона, разрушение бетона в зоне выходных отверстий арматуры (рисунок 4). Механизм разрушения представляется следующим образом: процесс коррозии бетона развивается более или менее длительное время и в зимнее время деструкция бетона усиливается за счет попеременного замораживания и оттаивания. После первых же весенних дождей при смачивании и последующем высыхании поверхности шпал влага в трещинах удерживается дольше и, таким образом, более чётко проявляется рисунок трещин.

Рис. 1. Первая стадия разрушения шпал

Рисунок 3. Третья стадия разрушения шпал

Рисунок 2. Вторая стадия разрушения шпал

Рисунок 4. Четвёртая стадия разрушения шпал

Так или иначе, характер трещин и последующих разрушений предположительно можно отнести к химической коррозии III рода (по В.М.Москвину) [2] и, в частности к сульфатной или к «щелочной» коррозии [3]. Можно также допустить совокупное действие морозного разрушения и коррозию цементного камня.

Анализ возможных причин разрушения железобетонных шпал.

Основные причины, вследствие которых происходит разрушение железобетонных шпал в пути, являются:

- внешние воздействия, включая химическую агрессию, попеременное замораживание и оттаивание, механические нагрузки;

- внутренние напряжения в бетоне, возникающие в результате неблагоприятного течения фазовых превращений в цементном камне, сопровождающихся ростом кристаллов новообразований или взаимодействия реакционноспо-собных компонентов бетона, когда новообразования занимают объем, превышающий первоначальный объём компонентов;

- наличие зон с повышенной концентрацией напряжений и деформаций в зонах заанкерива-ния стержневой арматуры при сочетании с внутренними напряжениями в бетоне;

- одновременное или последовательное сочетание двух или нескольких вышеуказанных причин.

Рассмотрим возможные причины разрушений более подробно, для того, чтобы уточнить задачи аналитических и экспериментальных исследований.

Химическое агрессивное воздействие внешней среды (как причину повреждений) можно исключить, т.к. уложенные в параллельных путях шпалы, изготовленные примерно в те же сроки, описанных выше характерных повреждений не имели, хотя нами отмечены отдельные дефекты в виде небольших трещин.

Можно исключить из рассмотрения возможность повреждения шпал в результате воздействия механических нагрузок, т.к. характер повреждений с ними явно не связан.

Морозное разрушение бетона.

Попеременное замораживание и оттаивание в начальный период протекания морозной деструкции вызывает образование в бетоне шпал характерные дефекты - местные разрушения по ребрам, поверхностное шелушение и пр. Это соответствует первой и второй стадиям разрушения шпал по классификации, указанной выше. В большинстве разрушающихся шпал такие дефекты обнаружены. При этом, шпалы имеют повреждения, характерные для последних стадий разрушения бетона при морозной деструкции.

В связи с этим можно предположить, что процесс коррозии III рода сопровождается морозным разрушением.

Разрушения бетона шпал, вызванные превышением фактических напряжений в бетоне его прочности.

Наличие у большого числа разрушающихся шпал характерного косого скола конца шпалы, характерное для третьей стадии разрушения шпал, свидетельствует о появлении в этом месте шпалы растягивающих напряжений в бетоне, превышающих его фактическую прочность на растяжение.

Разрушение, вызванное коррозией арматуры.

В результате появления в теле бетона шпал путей проникновения коррозионных сред (вода, растворы солей и кислот, кислород и т.п.), образовавшиеся в результате появления микро и макро трещин, начинаются процессы коррозии стальной арматуры. Эти процессы самостоятельно и вместе с морозным воздействием приводят к разрушению шпал, соответствующему четвёртой стадии разрушения шпал по классификации, приведённой выше.

Повреждение шпал в результате образования позднего эттрингита.

Учитывая, что характер разрушения финских шпал в 1970ые - 1980ые годы по внешним признакам близок к характеру рассматриваемых разрушений, воспользуемся результатами опубликованных исследований [4] для построения гипотезы разрушения обследуемых шпал.

В середине 1970х годов в Финляндии были проведены первые исследования на шпалах, не бывших в эксплуатации, и на шпалах, уложенных в железнодорожный путь. Результаты показали, что основной причиной повреждения шпал была низкая морозостойкость бетона. Чтобы решить эту проблему в бетонную смесь стали вводить воздухововлекающую добавку и снизили температуру среды при тепловлажностной обработке бетона с 80°С до 60°С, при этом скорость подъема температуры осталась 12-16°С в час.

В начале 1980ых годов обнаружились признаки дальнейшего развития проблемы, показавшие, что причиной повреждений может быть не только низкая морозостойкость бетона. На основании последовавших исследований процесс повреждения шпал объясняется следующим: короткое время предварительной выдержки перед тепловлажностной обработкой бетона и высокая температура изотермической выдержки приводят к появлению микротрещин в бетоне, которые являются первопричиной дальнейших разрушений железобетонных шпал. Этому способствовал высокий градиент температуры среды и бетона. Во время тепловой обработки температура бетона достигала 80°С, что привело, по мнению авторов исследования, к большому количеству рекристаллизованного («вторичного») эттрингита. В результате воздействия температуры свыше 70°С на начальных стадиях протекающих в цементе реакций, в бетоне образуется неустойчивый моносульфат, который при снижении температуры стремится перейти в эттрингит.

Образование эттрингита, сопровождающееся увеличением его объёма, в сформировавшейся структуре цементного камня бетона, вызывает возникновение значительных внутренних напряжений, превышающих прочность бетона на растяжение и раскалывание. В результате возникают микротрещины, которые начинают быстро расти, что и приводит к растрескиванию бетона и его разрушению. Условием рекристаллизации эттрингита является наличие в бетоне достаточного количества влаги и реакционно-способного СаЭ04. Если реакции гидратации С3А в цементе протекают слишком быстро или если отношение С3А - Б03 получается слишком низким, то вполне возможно, что в цементной матрице останется реакционноспособный СаЭ04, что приведет к рекристаллизации эттрингита.

Эксперименты показали, что в образцах, подвергшихся тепловой обработке, при цементах с высоким молярным отношением Б03 -А1203 образуется большее количество рекри-сталлизованного эттрингита, чем при цементах с низким отношением Б03 - А1203.

х

X

о

го А

с.

X

го m

о

ю 4

М О

О)

о

см

О!

О Ш

т

X

3

<

т о х

X

До недавнего времени считалось, что низкое содержание алюминатной фазы (как в нашем случае) в цементах является основным способом защиты бетонов от сульфатной коррозии. Последние исследования показали недостаточность этого условия вследствии образования наряду с эттрингитом (гидросульфоалюминат кальция 3Са0А!203-3Са804-32И20) таумасита (гидросульфокарбосиликат кальция

3Са0-8102-803 С02-14,5И20), оказывающего действие аналогичное действию эттрингита.

Щелочное разрушение бетона.

Внешне течение процесса щелочного разрушения подобно тому разрушению шпал в результате образования позднего эттрингита.

Щелочное разрушение бетона транспортных сооружений известно и описано около 50 лет назад [3] и представляет собой объемное разрушение аналогичное разрушению в результате сульфатной коррозии. Происходит данный вид коррозии из-за того, что в результате реакции щелочей цемента (№20 и К20) и аморфного кремнезема (т8Ю2пИ20), который может содержаться в материале заполнителей, образуются комплексные соли, занимающие объем, значительно превышающий объем исходных материалов. Такие разрушения почти не связаны с взаимодействием бетона с внешней средой, не считая температуры и влажности бетона, которые могут ускорять или замедлять процесс. Разрушение бетона происходит через различные промежутки времени - от нескольких месяцев до нескольких лет. При этом процессы коррозии происходят «через раствор», в связи с чем, в сухом бетоне они либо не происходят вообще, либо идут очень медленно.

Разрушение, вызванное тепловлажностной обработкой бетона.

Тепловлажностная обработка играет (наряду с выбранными материалами) первую роль в твердении бетона, наборе его механической прочности, фазовых превращениях цементного геля и цементного камня и, в конечном счете, получении бетона надлежащего качества.

Благоприятными условиями твердения бетона шпал без образования вторичного (позднего, рекристаллизованного) эттрингита и температурных микротрещин, например, в Германии в 80-ые годы был принят следующий режим теп-ловлажностной обработки [4]: - длительность предварительной выдержки - 3 часа; скорость подъема температуры -10-15°С в час; максимальная температура изотермической выдержки - 65-70°С/час.

В результате обобщения опыта европейских стран еще в 1996 году Европейскими нормами БЫ13230-1 [5] предусмотрены более жесткие требования к режимам тепловлажностной обработки, чем принятые ранее. Сравнительная таб-

лица режимов тепловлажностной обработки принятых в ЕС [5] и РФ [6], приведена в табл.1.

Таблица 1.

о| 1= 2 Показатель Европейские нормы Российские нормы

1 Максимальная температура тепловой обработки <60°С <85°С

Температуру следует снизить при содержании 803 >2% массы цемента до 50-55°С Подобных требований не содержится

2 Максимальная скорость подъема температуры 15°С/час 25°С/час

3 Разность температур в середине бетона и на его поверхности <20°С Не регламентируется; реально >20°С в течении первых 3 часов

Как следует из вышесказанного и анализа таблицы 1, риск образования позднего эттрингита и микротрещин в шпалах, изготовленных по российским регламентам, значительно выше, чем в европейских.

Нужно отметить, что на европейских заводах по производству шпал (в Италии, Швеции, Испании) в последние годы в летнее время практикуется охлаждение заполнителей (Швеция) или паровоздушной среды (Италия, Испания) для обеспечения требуемой температуры, т.к. за счет экзотермии цементного теста температура бетона может подняться выше 55-60°С.

Принятый на заводе режим тепловой обработки соответствует, в основном, действующим технологическим регламентам [6], но по современным представлениям является абсолютно рискованным по уровню температуры изотермического прогрева - 70°С (при этом в теле бетона вследствие экзотермии цемента температура может достигать 75°С) и скорости подъема температуры, которая в зимнее время может достигать 25°С/час.

Принятые экстремальные условия твердения неминуемо приводят к таким негативным последствиям, как деструкция бетона (микротрещины, крупные поры) и неблагоприятные условия образования раннего эттрингита, и предпосылки для образования позднего (рекристалли-зованного) эттрингита, что в дальнейшем, при длительной эксплуатации, приводит к снижению морозостойкости бетона и может привести к постепенному саморазрушению бетона за счет прорастания эттрингита.

Кроме этого, в период охлаждения бетона после тепловлажностной обработки, когда изделия перемещают из пропарочных камер на склад, расположенный на открытом воздухе, происходит резкое понижение температуры поверхностного слоя бетона шпал (особенно в зимнее время). При этом возникает большой градиент температур

между внутренними и наружными слоями бетона, приводящий к возникновению растягивающих напряжений в поверхностных слоях (особенно в угловых местах изделия) и появлению в них трещин. После остывания шпал, выравнивания температур между слоями бетона и исчезновения градиента, пропадают температурные напряжения, и образовавшиеся трещины закрываются, становятся невидимы без значительного увеличения и поэтому визуально трудно определимы. Образование и последующее закрытие (но не исчезновение) таких трещин в железобетонных изделиях после тепловлажностной обработки наблюдается при изготовлении многих изделий, в частности, мостовых конструкций (пролётных строений и т.п.). Возникшие трещины в дальнейшем являются концентраторами напряжений, возникающих в бетоне, увеличивая их величину в десятки и сотни раз. В связи с этим, реальное значение напряжений в бетоне может значительно превысить его прочность на растяжении даже при относительно небольшой величине среднего значения возникающего напряжения и привести к росту трещины и разрушению бетона.

Если следовать Европейским нормам на заводах железобетонных изделий необходимо снизить температуру изотермического прогрева до 40+5°С, т.к. содержание Б03 доходит в Себ-ряковском цементе до 3% и более. В этом случае может быть отменена предварительная выдержка, а время подъема температуры 2,5...3,0 часа обеспечит скорость подъема температуры 10...15°С в час. Безусловно, для сохранения продолжительности изотермического прогрева понадобится применение современных химических добавок. Итак, можно утверждать, что экстремально жесткий режим тепловлажностной обработки может быть одной их причин резкого снижения долговечности шпал.

Результаты исследований железобетонных шпал на физико-механические и химические свойства.

Для определения причин разрушения железобетонных шпал были проведены испытания на определение физико-механических и химических свойств. Все исследуемые шпалы были разделены на три серии «Ц», «Т» и «С». Шпалы серии «Ц» и «Т» были уложены в путь в 2010г. и эксплуатировались вплоть до испытаний в 2015 г. Шпалы серии «Ц» («целые»), эксплуатировавшиеся на пути, не имели видимого разрушения бетона, шпалы серии «Т» («с трещинами»), эксплуатировавшиеся на пути, имели видимые поверхностные трещины и крупные околы торцов. Шпалы серии «С» («складские») - 2010 г. выпуска, хранившихся на складе завода до начала испытаний.

На основании выполненных лабораторных исследований бетона шпал различных серий (как эксплуатировавшихся в пути, так и хранив-

шихся на складе) установлены следующие свойства бетона обследуемых шпал (табл. 2).

Таблица 2.

Свойства бетона Серия шпал

«Т» «Ц» «С»

Прочность, МПа 47,35 56,75 66,55

Класс В35 В45 В50

Морозостойкость Р 100 Р 100 Р 100

Водонепроницаемость W 0 W 0 W14.16

Водопоглощение, % 3,10 3,28 2,85

Средняя плотность, г/см2 2,442 2,384 2,414

Реакционная способность к щелочам цемента Реакционно способен Свойства не определялись Реакционно способен

Деформация образцов Превышает допустимые ГОСТ значения Свойства не определялись Превышает допустимые ГОСТ значения

Содержание в щебне кремнезема БЮ2, растворимого в щелочах, ммоль/л, 109,30

Устойчивости структуры щебня против распадов Соответствует требованиям ГОСТ 8267 Свойства не определялись Соответствует требованиям ГОСТ 8267

Общее содержание хлоридов в бетоне, % массы цемента 0,41-0,49 Свойства не определялись 0,41-0,49

Содержание водорастворимых хлоридов, % массы цемента 0,09-0,10

Испытание песка в бетоне По ГОСТ 8269.0 песок является потенциально реакционно-способным к щелочам цемента Свойства не определялись По ГОСТ 8269.0 песок является потенциально реакцион-носпособным к щелочам цемента

Заключение.

Результаты визуального осмотра шпал, находящихся в пути и проведённых исследований свойств бетона шпал показал следующее:

- большое число однотипного разрушения бетона шпал, идущего по одной и той же схеме, указывает на системные причины этого явления;

- недостаточная набранная передаточная прочность бетона шпал при неравномерном пропаривании шпал в пропарочной камере может ухудшить состояние зоны заанкеривания и привести к отслоению части арматуры от бетона в торцевой зоне, и привести к сдвигу опасной зоны вглубь шпалы с возможностью заполнения водой отслоившегося участка;

- разрушение шпал, находящихся в пути, и отсутствующее разрушение шпал, хранившихся

X X

о

го А с.

X

го т

о

ю 4

М О

на складе, свидетельствует о том, что условия эксплуатации являются первопричиной разрушения бетона шпал;

- разрушение бетона шпал, находящихся в пути, является результатом комплексного воздействия различных факторов и низкими эксплуатационными свойствами бетона (морозостойкость, водонепроницаемость и т.п.);

- исследованные свойства бетонов шпал подтверждает наличие реакционноспособных компанентов как щебня, так и песка, низкую морозостойкость бетона и низкую водонепоницае-мость бетона, что приводит к разрушению шпал;

- существующие методы изготовления железобетонных шпал в недостаточной мере учитывают конструктивные особенности и условия эксплуатации железобетонных транспортных изделий, что вызывает их преждевременный выход из строя;

- учитывая, что выбор цемента и заполнителей и взаимосвязь между технологическими параметрами и свойствами материалов решительным образом влияет на долговечность шпал, подобные требования необходимо внести в российские нормативы, требования по допустимому суммарному количеству вредных примесей в заполнителях;

- протекающие процессы коррозии наслаиваются и дополняют друг друга, приводя к лавинообразному нарастанию деформаций и быстрому разрушению бетона.

Destruction of reinforced concrete sleepers and the main reasons of their calling

Dobshits L.M., Varvyanskiy R.I.

Russian University of Transport

The article analyzes the main causes of the destruction of reinforced concrete sleepers resulting from their operation on the way. Reinforced concrete sleepers were selected from the current section of the Saratov Territorial Administration of the Privolzhskaya Railway. Over the entire length of the section of the path, the destruction of reinforced concrete sleepers is observed at different stages. As a result of the tests carried out on the physicomechanical and chemical properties of concrete elements, the main causes of the destruction of reinforced concrete sleepers on the way and in stock, made at one time, were identified. On the basis of experimental data, it was concluded that reinforced concrete sleepers are destroyed due to corrosion of type III concrete. The ongoing processes of corrosion of concrete are layered and complement each other, leading to an avalanche-like increase in deformations and rapid destruction of concrete.

Keywords: reinforced concrete transport products, reinforced concrete sleepers, concrete, concrete corrosion, heat and moisture treatment of concrete, concrete destruction, late etringite, reactive aggregate, durability of concrete, concrete strength.

References.

1. Varvyansky R.I., Dobshits L.M. Investigation of corrosion processes in operating concrete sleepers. The collection of works with international participation "Engineering structures for transport", Issue 7, M.: Ed. AISNT, 2016

2. Moskvin V.M. Korroziya betona. - M.: Gosstroyizdat, 1952.

3. Shestoperov S.V. The durability of concrete transport struc-

tures. - M.: Publishing "Transport", 1966.

4. Shestoperov S.V. The durability of concrete transport struc-

tures. - M.: Publishing "Transport", 1966.

5. Tikhonko A.M. Modern solutions in the field of modified con-

crete mixes. - City construction site №19, 2006

6. EN13230-1: Railway application - Track. Concrete sleepers

and bearers. Part 1: General requirement. 2002

o>

о

СЧ

Ol

О Ш

m

X

Литература

1. Варвянский Р.И., Добшиц Л.М. Исследование процессов коррозии эксплуатируемых железобетонных шпал. Сборник трудов с Международным участием «Инженерные сооружения на транспорте», Выпуск 7, М.: изд. АИСнТ, 2016

2. Москвин В.М. Коррозия бетона. - М.: Гос-стройиздат, 1952.

3. Шестоперов С.В. Долговечность бетона транспортных сооружений. - М.: Издательство «Транспорт», 1966.

4. Bo-Erik Erriksson, Pirjo Tepponen. Damages in concrete railway sleepers in Finland. - Nordic Concrete Research. Publication no.6, 1987.

5. Тихонко А.М. Современные решения в области применения модифицированных бетонных смесей. - Городская стройплощадка №19, 2006

6. EN13230-1: Европейские нормы: Железная дорога. Верхнее строение пути. Бетонные рельсовые шпалы и брусья стрелочных переводов. Часть 1: общие требования, 2002.

3

<

m о х х