CC BY
68
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
ТРАНСПОРТНЕ БУД1ВНИЦТВО
УДК 691.3:625.142.42
В. В. КОВАЛЕНКО1*, Ю. Л. ЗАЯЦЬ2*, П. О. ПШ1НЬКО3*
1 Каф. «Управлшня проектами, будшл1 та будавельт матер1али», Дншропетровський нацюнальний ушверситет зал1зничного транспорту 1мет академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дшпропетровськ, Укра1на, 49010, тел. +38 (050) 489 07 72, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-1196-7730 2*Каф. «Безпека життед1яльност1», Дншропетровський нацюнальний уншерситет зал1зничного транспорту 1меш академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Укра1на, 49010, тел. +38 (056) 373 15 81, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-9213-1790
3*Каф. «Будшельне виробництво та геодезш», Дншропетровський нацюнальний ушверситет зал1зничного транспорту 1меш академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дшпропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (095) 742 04 34, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-4187-5340
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПРИЧИН ПЕРЕДЧАСНОГО РУЙНУВАННЯ ЗАЛ1ЗОБЕТОННИХ ШПАЛ НА ЗНАМ'ЯНСЬК1Й ДИСТАНЦП КОЛИ ПЧ 10 ОДЕСЬКО1 ЗАЛ1ЗНИЦ1
Мета. Наукова робота мае за мету дослщження фактор1в, як1 призвели до передчасного руйнування бетону зал1зничних шпал. Методика. В робот застосована експрес-методика визначення морфологи та х1мь чного складу структурных складових бетону, що запатентована Дншропетровським нацюнальним ушверси-тетом зал1зничного транспорту. Методика дае можливють оперативно контролювати морфолопю та х1м1ч-ний склад кристал1в цементного каменю, як найбшьш слабко! ланки в структур! композитного матер1алу-бетону. А також прогнозувати, у вщповвдносп з рекомендациями шмецьких вчених, ймов1ршсть структур-них перетворень цементного каменю в твердому сташ, що визначае довгов1чшсть цього композитного мате-р1алу. Результата. Масов1 руйнування зал1зобетонних шпал на зал1зницях Укра!'ни частшають !з кожним роком. Причому, якщо так1 руйнування в 2010 рощ виявляли тсля 4-5 рок1в експлуатаци, то в 2015 рощ -тшькн тсля 2-3 рок1в установки шпал на мапстральних зал1зничних колеях. За характером руйнувань бетону шпал можна ввдзначити багатофакторшсть вплив1в на нього. Парти цементу та шших сировинних матерь ал1в перед використанням були дослщжет стандартними методами в акредитованш лаборатори ПАТ «Укр-геолбудм» (Ки!в) 1 отримали позитивт ощнки для використання у виробнищта зал1зобетонних шпал. Однак, значна помилка в експериментальних даних за стандартними методиками не дозволила виявити критичт характеристики матер1ал1в, як1 згубно впливають на довгов!чшсть бетону пвдрейкових основ. За результатами дослвджень було встановлено, що причинами масового передчасного руйнування шпал е: 1) неоднорщ-шсть макроструктури бетону, як наслщку застосування щебеню фракци 5-25 мм; 2) вплив агресивного сере-довища на бетонну поверхню шпал; 3) наявшсть у структур! середньо! частини шпал крупних етрингггних кристал1в, схильних до реструктуризации, та присутшсть продукпв лужнокремшевокисло! реакцп навколо аморфних або тих, що м1стять аморфний кремнезем, тсочних часток; 4) перевищення нормативного коефь щенту приведено! лужносп щшьно! та пористо! складових цементного каменя вщповвдно у 3,6 та у 3,2 рази; 5) насичешсть поверхш тсочних часток атомами хлору, яш додатково пришвидшують та шщшють лужно-кремшевокислу реакщю. Наукова новизна. Дослвдниками вперше була застосована запатентована авторська експрес-методика дослвдження морфологи та х1м1чного складу структурних складових бетону. Практична значимкть. Застосування пропоновано! методики дослщження сировинних матер1ал1в та
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
структуры бетону в виробничому цикл шдприемств дасть змогу запоб1гти передчасному руйнуванню бетону внаслвдок дп внутршшх фактор1в.
Ключовi слова: зал1зобетонш шпали; бетон; щебшь; тсок; цемент; лужнокремшевокисла реакщя; м1кро-структура; цементний камшь
Вступ
MacoBi руйнування зашзобетонних шпал на за-лiзницях Укра!ни чacтiшaють з кожним роком. Причому, якщо так руйнування в 2010 рощ вияв-ляли пicля 4-5 роив експлуатацл, то в 2015 рощ ■ильки шсля 2-3 роив установки шпал на мапст-ральних зaлiзничних кoлiях. За характером руйну-вань бетону шпал можна зробити висновок про багатофакторносп впливiв на нього. Дoвгoвiчmcть бетону i структура цементного каменю е об'ектом дослщження багатьох закордонних та вггчизня-них aвторiв, а саме: S. W. Tang, Y. Yao, C. Andrade, Z. J. Li, Scrivener K. L., Пш^ко О. M., Плугiн А. А., Саницький М. А. та ш. [1-3, 8-13, 15-24].
Зaлiзoбетoннi шпали, як основш елементи верхньо! будови коли, витримують знaчнi ди-нaмiчнi навантаження в кoрoзiйнo-aктивнoму cередoвищi у комплекс з впливом потоку ви-хрового електричного струму та температур-ними коливаннями близько 0°С у мiжcезoнний перioд. Тaкi cклaднi умови експлуатацп вима-гають суворо! технолопчно! диcциплiни пiд час виготовлення та використання шпал.
Пaртii цементу та шших сировинних матер> aлiв перед використанням !х заводами були до-cлiдженi стандартними методами в акредитова-нiй лaбoрaтoрii ПАТ «Укргеолбудм», м. Ки!в i отримали пoзитивнi ощнки для використання у вирoбництвi зaлiзoбетoнних шпал. Однак, значна помилка в експериментальних даних за стандартними методиками не дозволила вияви-ти критичнi характеристики мaтерiaлiв, якi згу-бно впливають на дoвгoвiчнicть бетону пiдрей-кових основ.
Об'ектом дослщження в цiй рoбoтi були зра-зки передчасно зруйнованих зaлiзoбетoнних шпал виробництва одного з укра!нських зaвoдiв у кiлькocтi 34 шт., що не вiдcлужили трирiчний термш i бiльшicть з яких розсипалися на частки рoзмiрoм з фракци дрiбнoгo заповнювача бетону з оголенням кородовано! арматури.
На дшянщ 314 км ПК8-324 км ПК1 перегону Чорнолюька-Трешвка Знaм'янcькiй дистан-цii кoлii виконана мoдернiзaцiя коли в довго-
тривалi «вшна» в перiод вiд 26.03 до 04.04.2012 року з укладанням рейко-шпально! решiтки на залiзобетонних шпалах типу Ш1-3 зi скршлен-ням типу КБ. Дана дiлянка коли експлуатуеться з довгими плiтями довжиною в перегiн, якi за-кршлеш при температурi + 32 °С, угону колii немае, плече баластно! призми достатне. З кв№ ня 2012 року (дата встановлення шпал на мапс-тральну дiльницю) по квтень 2015 року цi кь лометри оцiнювали на «вщмшно».
Анатз пошкоджених та зруйнованих шпал на данш дiлянцi у кiлькостi близько 1896 оди-ниць показав, що шпали були вкрип сiткою мшких трiщин, через якi iнтенсивно всмокту-ються атмосфернi осади та пiдrрунтовi води. Такi шпали проблематично перенесуть мiжсе-зоннi коливання температур з тдвищеною во-логiстю повiтря та грунту та зруйнуються про-тягом 1-2 роюв. Необхiдно вiдмiтити, що пов-ного руйнування протягом трьох роюв зазнали лише 1,8 % загально! кiлькостi пошкоджених шпал.
Проблемою для безпечно! експлуатацii зал> зобетонних шпал е наявшсть вiльних кислот у спчних водах промислових шдприемств, як попадають у грунтовi води та атмосферш осади пiд час атмосферних викидiв сiрчаних газiв, хлору та хлористого водню. Для втизняних залiзниць характерно використання пасажирсь-кого вагонного парку з туалетами, шд час кори-стування якими продукти випорожнень вики-дають та виливають разом з дезiнфiкуючими та миючими засобами з вмiстом хлору безпосере-дньо на колiю. Органiчнi кислоти, як i неорга-нiчнi, швидко руйнують цементний камiнь. Велика агресившсть е у оцтово!, молочно! та вин-но! кислот. Жирш насиченi i ненасиченi кислоти (оле!нова, стеаринова, пальмiтинова та шш^ руйнують цементний камiнь, оскiльки при вза-емодii з гiдрооксидом кальщю вони обмилю-ються. Крiм того, шкiдливi i масла, що мютять кислоти жирного ряду: льняне, бавовняне, а також риб'ячий жир. Нафта та нафтовi продукта (керосин, бензин, мазут, нафтовi масла) не несуть небезпеки, якщо вони не мютять наф-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
тових кислот та з'еднань шрки. Однак, необхщ-но враховувати, що нафтопродукти легко про-никають крiзь бетон. Продукти розгону кам'яновугшьного дьогтю, що мiстять фенол, можуть агресивно впливати на бетон.
Виявлеш i класифiкованi дефекти, якi знач-но знижували термiн експлуатаци залiзничних шпал i в низцi випадюв призводили до виник-нення аваршних ситуацiй на залiзницях, наведет у вiдповiдних класифiкаторах. До таких дефекпв можна вiднести як дефекти, що вини-кли внаслiдок силових та динамiчних наванта-жень на шпалу, так i ri, що виникли через не-вiдповiднi фiзико-механiчнi характеристики матерiалiв, що використовувалися при виготов-леннi залiзобетонних шпал (недостатш морозо-стiйкiсть i довговiчнiсть бетону внаслщок ви-користання складових матерiалiв, непридатних для шпального бетону, неправильного шдбору складу бетонно! сумiшi та поганого ущшьнення !! пiд час виготовлення шпал) вiдповiдно до класифшаци, що наведена у Технiчних вказiв-ках з використання старопридатних матерiалiв верхньо! будови коли на затзницях Укра!ни (ЦП-0150) [14].
Мета
Метою роботи було дослщження факторiв, що призвели до передчасного руйнування бетону затзничних шпал.
Методика
Вiзуальнi дослщження макроструктури та характеру руйнувань та забруднення шпально-го бетону виконували за допомогою камери мобiльного Android 4.4.2 Lenovo S898t+.
Трiщини залiзобетонних шпал фшсували на камеру безпосередньо на мющ !х попередньо! (якщо шпали були знятi з мапстрально! коли) та поточно! експлуатаци. Макроструктурнi характеристики шпального бетону (однорщшсть розподшу щебеню) дослiджували пiд час вид> лення окремих зруйнованих частин шпал.
Для виконання електронно-мшроскошч-них, мiкрорентгеноспектральних та фрактографiч-них дослiджень зразки матерiалiв напилювали електрострумопровiдним шаром золота товщи-ною 3-5 нм на установщ iонного напилювання JFC-1100 JEOL Fine Coat ion sputter (Япошя).
Дослiдження виконували за допомогою растрового аналiтичного сканiвного електронного mî-кроскопа (Analytical Scanning Electron Microscope) JSM 6060LA, JEOL, Япошя з енергодис-персiйним спектрометром EDS detector Ex-54175 Jmu Jeol (OXFORD Instruments) та пер-сональним комп'ютером в режимi прискорюю-чо! напруги - 10-30 кВ, сили електричного струму - 3х10-10 А, збiльшеннi х100...х30000 при контраст у вторинних (SEI) та вщображе-них (ВЕ1) електронах.
Виклад основного матер1алу. Попередш до-слiдження характерних зломiв та областей руй-нування шпал та хiмiчного складу сировинних матерiалiв для виробництва бетону зроблеш в рамках договору № ЦУПП-04/0035/10-53.2007.10.10 вiд 31.05.2010 р. «Проведення дослiджень по встановленню причин руйну-вання залiзобетонних шпал та розробка реко-мендацiй по пiдвищенню мщност бетону» Днiпропетровським нацiональним ушверсите-том залiзничного транспорту за участю сшвро-бiтникiв I II I «Лопя», м. Дшпропетровськ [11] показали необхiднiсть ретельного контролю за яюстю пiску, щебеню та цементу. Реакцшна спроможнiсть означених складових впливае на структуру, що утворюеться в процесi довготри-вало! лужно-кислотнокремшево! реакцiï, яка протiкае в бетонах шпал протягом 2-5 роюв та бшьше. В ходi реакцiï видшяеться нова структурна складова, що мае свш об'ем та з середини руйнуе бетон. Крiм того, при експлуатаци шпал в природних умовах Украши, при знакопере-мшних циклiчних температурних та мехашч-них навантаженнях, при змiнi сезонiв року, при шдвищенш вологостi нестабiльнi структурш складовi бетону рекристалiзуються зi збшь-шенням об'ему бiльше нiж у 2 рази. Виявленню нестабiльних та новоутворених в твердому сташ структурних складових присвячено цю роботу.
Перевiрка мщносп шпального бетону на стиск на 28 добу показала мщшсть у 88,45 МПа. Усi укладенi шпали на ПЧ-10 вщ-повiдали вимогам техшчних умов за глибиною укладання арматури та iншим технiчним характеристикам [4-6]. Отже, очевидно, що вихщш характеристики продукци заводу-виробника задовольняють вимогам нормативних докумен-тв та значно ïx перевищують. Тому причини
Наука та прогрес транспорту. Вюннк Дншропетровського нацюнального ушверситету зaлiзничнoгo транспорту, 2015, № 6 (60)
передчасного руйнування необхiдно шукати в твердо-фазових структурних перетвореннях, як вщбуваються пiд час температурних цикт-чних змiн в iнтервалi —5...+3 °С при пщвище-нiй вологосп, або у зовнiшнiх забрудненнях шпал в перюд !х експлуатацii [5, 7, 17]. На жаль, дос заводи не можуть контролювати структурний стан шпального бетону для запо-бтання рекристалiзацiйних процесiв в шпалах, що експлуатуються, хоча необхiднiсть таких дослщжень пiдтверджено вимогами Свропей-ських стандарт, наприклад стандартом ЕК 1504 [7]. Таю дослщження могли запобiгти не тшьки випуску недовговiчного бетону, а i гара-нтувати об'ективнi характеристики поставлено-го та експлуатованого бетону при експертних дослщженнях передчасних руйнувань, яю, мо-жливо, виникли за рахунок зовшшшх факторiв.
Характер масових руйнувань залiзобетон-них шпал наведено на рис. 1.
Рис. 1. Характер масових руйнувань шпал на ПЧ10 «Знам'янка» Одесько! зал1знищ
Fig. 1. Mass destruction nature of sleepers on IF 10 «Znamianka» on Odessa railway
З рис. 1 видно, що cизo-фioлетoвo-гoлубi плями на поверхш бетону вказують на прохо-дження структурних перебудов усередиш бетону. Пoдiбнi плями е ознакою перебудов цементного каменю етрингiт-тaумacит, що вщбува-ються iз змiнoю об'ему структурних складових [17]. Причиною таких перебудов е не тшьки мшроструктурний стан цементних криcтaлiв, a i, вiрoгiднo, зoвнiшнi та внутрiшнi фактори, як прискорили тaкi перетворення.
1ншою причиною швидкого руйнування за-лiзобетонних шпал е макроструктурна неодно-рщшсть бетону шпал. На рис. 2 наведено характер руйнування з формуванням трщин уздовж вше! шпали з багатьма трщинами, якi парале-льнi армуючим вставкам. Трiщини безпереш-кодно, тобто не огинаючи щебеневi включення, iдуть по цементному розчину, який нижчий за мщшстю, шж сусiдня частина бетонно! шпали. Але попередне напруження бетону шпали роз-раховуеться не на цементний розчин мiж струнами арматури, а на мщшсш характеристики бетону. Причому, як ми з'ясували рашше, його характеристики досить висок Лст = 88,45 МПа.
Рис. 2. Формування повздовжшх трiщин в рoзчиннiй чacтинi макронеоднорщносп бетону мiж арматурними прутами, яш збiдненi щебеневим заповнювачем
Fig. 2. The formation of longitudinal cracks in macronutrient soluble part of the concrete between reinforcing bars that were depleted by the crushed stone filler aggregate
Пщвищення однорщносп макроструктури бетону можливо досягти при застосуванш щебеню фракци 5-20 мм, вшьного вщ пилoпoдiб-них часток та фракци вище шж 20 мм. Таких характеристик щебеню можливо досягти при застосуванш прошваючих поверхонь нового поколшня виробництва ПП «Лoгiя». Вкaзaнi пoверхнi також дозволять економити витрати до 50 % електрично! енерги на прociвaння оди-ницi маси щебеню.
Фрaктoгрaфiчнi дослщження злoмiв бетону у cерединi шпал наведеш на рис. 3, свщчать
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
про щшьну макроструктуру бетону з д1аметра-ми мшропор вщ 1 до 1,5 мкм. В структур! при-сутн кристали лшзопод!бно!, голкопод1бно! морфологи та плескат кристали портландиту. Наявшсть пдрогранатних часток вказуе на над-лишок вологи в цементному камеш. Цей над-лишок сформовано за рахунок використання велико! кшькост цементу (500 кг) на куб бетону та вщсутносп пластиф!катор!в, як! знижу-ють водопотребу бетонно! сум!ш!.
Пдрогранат(СэА1.хРх82Иб.22), де 0<X<1,0<Z<3 фаза AFt етрингiт (3СаО-А12Оз-3Са8О4-32Н2О)
Рис. 3. Структура цементного каменю середньо! частини передчасно зруйнованих залiзобетонних шпал
Fig. 3. Cement stone structure of the middle part of prematurely destroyed concrete sleepers
В середнш частит шпал, як експлуатували-ся не повних три роки, знайдено продукт лужнокремшевокисло! реакци (рис. 4). При вщсут-ност прямого контакту з навколишн!м середо-вищем та обмеженим доступом вологи швид-кiсть реакцi! становила 5-10 мкм у 3 роки, тобто 1,67-3,34 мкм в рш.
Xiмiчний склад цементного каменю рiзно! морфологи та продукту лужнокремшевокисло! реакцi! наведено на рис. 5-7.
З рис. 4 видно, що продукт лужнокремшевокисло! реакци за приведеним коефщентом лужност перевищуе нормативний порiг 0,6 % (мас.) [5] у 3,5 разу та становить 2,12 % (мас.). У шарi розтрюканого цементного каменю -продукт лужнокремнiевокисло! реакци — наяв-нi атоми хлору у кшькосп 0,65 % (мас), що 6i-льше нiж у 6 разiв перевищуе максимально до-пустиму кiлькiсть хлору в 0,1 % (мас) [5].
Цемешкш Продукт Пкок Продукт Оголена Есверхня
каишь лужнокреыгсмозжлот лужнокреыгсеЕозжлот тсояно! яастки
реакщ реакщ
Рис. 4. Структура продукту лужнокремшевокисло! реакци, утвореного в твердому сташ в середнш частит передчасно зруйнованих залiзобетонних шпал
Fig. 4. Product structure of alkali silicic acid reactions formed in the solid state in the middle part of prematurely destroyed concrete sleepers
i
0.00 OSD 1.60 2.40 3.20 4.00 4.BO 5.60 6.40 720
XiM ел., Ka Мас. % Похибка, % ввдн. Ат. % З'еднання Мас.%
O 32,9 72,46
Mg 1,85 4,28 4,55 MgO 3,06
Al 6,77 4,9 7,51 Al2O3 12,8
Si 4,3 6,03 9,17 SiO2 9,2
K 3,14 5,03 2,4 K2O 3,78
Ca 50,4 7,63 75,28 CaO 70,51
Cl 0,65 1,09 3,01 Cl 0,65
Всього 100,00
Рис. 5. Xiмiчний склад продукту лужнокремнiевокисло! реакцi!, утвореного в твердому стат в середнш частиш передчасно зруйнованих залiзобетонних шпал
Fig. 5. The chemical composition of the product alkali silicic acid reactions formed in the solid state in the middle part of prematurely destroyed concrete sleepers
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
Наявшсть хлору лише в продукт лужнок-ремнieвокислоï реакцiï на межi пiсочних часток та масиву цементного каменю доводить, що атоми хлору в обмеженш кiлькостi дифундува-ли на поверхню пiсочних часток та надалi при-скорили реструктуризации процеси безпосе-редньо мiж кремшевою кислотою аморфних пiсочних часток та лужним цементним каме-нем.
Вiрогiдно, у зимовий час вiдвантаження др> бних заповнювачiв для попередження грудку-вання пiсочних мас (змерзання тску у емнос-тях вагонiв) та безпроблемного вивантаження з вагона затзничники додали малу кiлькiсть повареноï соль Ця сiль, вiрогiдно, i стала ката-лiзатором зазначеноï реакцiï.
З рис. 6 та 7 видно, що приведений коефщ> ент лужност щшьно1" складово1' цементного каменю - портландиту (2,19 % (мас.)) незначною частиною вище нiж у пористих складових (1,92 % (мас.)), але вiдповiдно у 3,6 та у 3,2 разу перевищуе нормативний показник приведе-но1' лужносп.
Пiдвищена лужнiсть цементу дiе як катат-затор рестуктуризацiйних процесiв для великих етринптних кристалiв цементного каменю. Процеси рекристатзаци починаються вже на стади термоволого1' обробки, де при досягненш температури 50-60 °С за шдвищено1' концент-рацiï лужних метатв етрингiт (трисульфат) ре-кристалiзуеться у моносульфат:
C3A3CSH32
■ C3A CS H12
2CSH2 + 16H.
Ця реакщя зворотна залежно вiд темпера-турних умов:
C3A3CSH32
4NaOH^ C3ACSH12 + +2Na2SO4 + 2Ca ( OH)2 + 20H2O.
При цьому утворення етрингiту з моносульфату пов'язане з специфiчним збiльшенням об'ему до 2,3 разу.
Зазначеш процеси менш небезпечнi та менш вiрогiднi в дрiбнопористiй частинi цементного каменю, збагаченого магшем, та вiдповiдно значно небезпечнiшi та, на жаль, прогнозовано здiйснюються пiд час рекристалiзацiï великих етринптних кристатв.
Х1м ел., Ka Мас. % Похибка, % в1дн. Ат. % З'еднання Мас.%
O 32,9 72,46
Mg 1,85 4,28 4,55 MgO 3,06
Al 6,77 4,9 7,51 AI2O3 12,8
Si 4,3 6,03 9,17 SiO2 9,2
K 3,14 5,03 2,4 K2O 3,78
Ca 50,4 7,63 75,28 CaO 70,51
Всього 100,00
Рис. 6. Хiмiчний склад щiльного портландиту в середнш частинi передчасно зруйнованих залiзобетонних шпал
Fig. 6. The chemical composition of dense portlandite in the middle part of prematurely destroyed concrete sleepers
Х1м ел., Ka Мас. % Похибка, % в1дн. Ат. % З'еднання Мас.%
O 31,07
Na 0,21 1,91 0./26 Na2O 0,28
Mg 0,54 1,88 1,29 MgO 0,9
Al 1,35 2,1 1,44 AI2O3 2,54
Si 4,38 2,46 8,98 SiO2 9,37
K 2,43 2,06 1,79 K2O 2,93
Ca 60.02 3,2 86,25 CaO 83,98
Всього 100,00
Рис. 7. Хiмiчний склад дрiбнодисперсноï пористш AFt- та ертрингiтноï фази в середнiй частиш передчасно зруйнованих залiзобетонних шпал
Fig. 7. The chemical composition of the fine
porous AFt phase in the middle part of prematurely destroyed concrete sleepers
Застарший ЕДС-спектрометр та детектор х1М1чних елеменпв застосованого приладу не дозволив проанал1зувати вмют азоту та
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
в деяких випадках срки в структурних складо-вих цементного каменю, але зрозумшо, що ii кiлькiсть у великих етрингiтних кристалах повинна бути максимальною. А тдвищений вмiст азоту сприяе утворенню в бетонi з портландиту Ca (OH ) розчинно1 кальцieвоi селтгри
Ca (NO3 ), яка вилуговуе вапно з втратою гус-
тини-мiцностi цементного каменю.
Найбiльш характерш структури поверхонь руйнування залiзобетонних шпал наведено на рис. 8. З рисунку видно, що на дшянках щшь-ного портландиту вщбуваеться рекристалiзацiя цементного каменю з утворенням великих ет-рингiтних кристалiв, та на поверхш пiсочних часток утворенi продукти лужнокремшевокис-лоi реакцii. Також наявнi далянки цементного каменю з розчинними солями кальщю, що утворюють гелеподiбнi структури.
На рис. 9-11 наведено хiмiчний склад рiзних морфологiчних типш цементного каменю на зруйнованш поверхш залiзобетонних шпал.
щщ щ
зеки. xie,e0i£> . №
Рис. 8. Морфологiя структурних складових цементного каменю в верхнш частинi передчасно зруйнованих залiзобетонних шпал
Fig. 8. Morphology of structural components of cement stone in the upper part of prematurely destroyed concrete sleepers
Хiм ел., Ka Мас. % Похибка, % вщн. Ат. % З'еднання Мас.%
O 35,72
Mg 0,91 1,58 2,29 MgO 1,51
Al 5,08 1,79 5,76 Al2O3 9,61
Si 1,49 2,16 3,24 SiO2 3,18
S 6,19 2,25 11,81 SO3 15,46
Cl 1,09 1,12 1,88 Cl 1,09
K 0,69 1,87 0,54 K2O 0,83
Ca 48,83 2,79 74,49 CaO 68,32
Всього 100,00
Рис. 9. Хiмiчний склад продукту лужнокремнiевокислоi реакцп в верхнш частит передчасно зруйнованих залiзобетонних шпал
Fig. 9. The chemical composition of the product alkali silicic acid reactions in the upper part of prematurely destroyed concrete sleepers
Хiм ел., Ka Мас. % Похибка, % вщн. Ат. % З'еднання Мас.%
O 34,05
Mg 0,89 11,38 2,24 MgO 1,48
Al 8,32 12,91 9,39 Al2O3 15,73
Si 5,43 16,17 11,76 SiO2 11,61
Cl 0,58 8,12 1,00 Cl 0,58
K 1,93 13,51 1,3 K2O 2,33
Ca 48,79 20,38 74,10 CaO 68,27
Всього 100,00
Рис. 10. Хiмiчний склад цементного каменю в верхнш частит передчасно зруйнованих залiзобетонних шпал
Fig. 10. Chemical composition of cement stone in the upper part of prematurely destroyed concrete sleepers
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
Х1м ел., Ka Мас. % Похибка, % вщн. Ат. % З'еднання Мас.%
O 35,12
Na 0,43 8,51 0,57 Na2O 0,58
Mg 0,76 8,48 1,90 MgO 1,26
Al 8,95 9,62 10,12 Al2O3 16,92
Si 7,16 12,14 15,55 SiO2 15,31
Cl 1,07 6,15 1,84 Cl 1,07
K 1,06 10,26 0,83 K2O 1,28
Ca 45,44 15,31 69,18 CaO 63,68
Всього 100,00
Рис. 11. Хiмiчний склад цементного каменю в верхнiй частит передчасно зруйнованих залiзобетонних шпал
Fig. 11. Chemical composition of cement stone in the upper part of prematurely destroyed concrete sleepers
Як видно з рис. 9-11, в обласп руйнувань цементного каменю на поверхш шпал спостер> гаються локальш об'еми з шдвищеним вмютом оксиду сiрки SO3 -15,46 % (мас.), що переви-щуе максимальний допустимий рiвень 3,5 % (мас.) у 4,4 разу. Приведений коефщент луж-ностi цементного каменю перевищуе нормати-вний показник у 0,6 % (мас.) у 2,17 разу та ся-гае 2,33 % (мас.). Вмют алюмiнатiв стабiльно перевищуе нормативний показник у 8 % (мас) в 1,2+2,1 разу та максимально сягае 16,92 % (мас.). Вмют хлору стабшьно перевищуе нормативний показник у 0,1 % (мас.) у 5,8... 11 ра-зiв та максимально сягае 1,09 % (мас.). Саме таке поеднання хiмiчних елемеипв сприяе при-скореному формуванню вторинних етрингiтних кристалiв та таумаситу в бетонi в процес екс-плуатацii залiзобетонних шпал. Застосування аморфного кремнезему як дрiбного запов-нювача у комплексi з насиченням цементу тд-вищеноi лужносп хлором в концентрацii, яка перевищуе 1 % (мас.), максимально пришвид-шуе лужнокремшевокислу реакцiю, яка розд>
ляе цементний камшь вiд дрiбних заповнюва-4iB. При цьому в CTpyKTypi зберiгаються мiцнi структурш складовi плескатих кристалiв цементного каменю з вщношенням CaO/SiO2 - 4,1 та для голкоподiбних кристалiв - 5,8.
За протоколами перюдичних випробувань портланд цементу в акредитованш лаборатори ПАТ «Укргеолбудм», м. Кшв зпдно з вимогами ДСТУ Б В.2.7-46:2010 виявлено пiдвищений рiвень приведено! лужносп цементу ПЦ1-500 виробництва як ВАТ «1вано-Франювськ-цемент», так i ПАТ «Волинь-цемент». Реакцш-на здатнiсть теку та щебеню за результатами випробувань не! ж лаборатори вщповщае ви-могам дiючих стандартiв.
Досл1дження впливу агресивних зовтштх фактор1в на бетон в процес експлуатацИ' шпал. Традицшно зовшшш фактори впливу на руйнування бетону залiзничних шпал вщгра-ють не останню роль у корозшних процесах. Шпали у процесi експлуатаци насичуються рiз-номанiтними реагентами, здатними значно при-скорити як будь-яю реакци, так i повнiстю роз-чинити цементний камiнь. На рис. 12 та 13 наведено стан залiзничних шпал на дшьнищ, де вони експлуатувалися. З рисунюв видно, що шпали забруднеш вуглемюними речовинами та у мiсцях крапельного забруднення прискорено проходять процеси руйнаци цементного каменю.
Рис. 12. Формування корозiйних каверн в забрудненому 6eTOHi шпал
Fig. 12. The formation of corrosion cavities in filthy concrete sleepers
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
Рис. 13. Кшцевий стан бетону впродовж перюду менше шж 3 роки експлуатацп
Fig. 13. The final state of the concrete during the period less than 3 years of operation
З аналiзу хiмiчного складу продукпв корози бетону (рис. 14) видно, що основною речови-ною, що сприяе руйнаци бетону, е вуглеводш з'еднання фропдно, з вмютом фенолу) та роз-чини солей соляноi кислоти (NaCl). Зазначенi речовини сприяють розчиненню Ca(OH)2 або
безпосередньо сприяють корозii бетону з утво-ренням водорозчинного CaCl2 .
З рисунюв 14, 15 видно, що кальцш в струк-турi забрудненого бетону вимитий з цементного каменю, сшввщношення його оксиду з оксидом кремшю майже дорiвнюе одиницi. Крiм того, необхiдно зауважити, що слабкий детектор приладу не зм^ iдентифiкувати сiрку в продуктах корози забрудненого вуглеводнями бетону, але навггь невелика ii кiлькiсть в мше-ралiзованiй водi спричиняе рiзнi види корози, коли анюн SO2- взаемодiе з катiоном Ca2+, утворюючи в присутносп води CaSO4 2H2O. Кристалiчний двоводний гiпс, слабко розчине-ний у водi, але внаслщок зростання кристалiв, в порах створюеться мехашчне напруження i трщини. Якщо у водi мало анюшв SO2-, то можна очiкувати шшу реакцiю:
3CaOAl2O3 6H2O + 3 (CaSO4 2H2O) + 19H2O =
= 3CaOAl2O3 3CaSO431H2O.
Х1тчний елемент, Ka Мас. % Похибка, % в1дн. Ат. %
C 11,18 1,05 19,48
O 36,5 2,98 47,73
Na 1,52 1,59 1,38
Mg 1,02 1,32 0,88
Al 3,16 1,32 2,45
Si 16,49 1,42 12,28
Cl 0,33 1,68 0,19
K 4,25 2,37 2,27
Ca 25,56 2,98 13,34
Всього 100,00
Рис. 14. Хiмiчний склад структурних складових зруйнованого цементного каменю тд дieю хiмiчних речовин на верхнш забрудненiй частинi шпал
Fig. 14. Chemical composition of structural components of destroyed cement stone under chemical substances action on the top of the contaminated part of sleepers
Нова кристалiчна речовина називасться ет-ринптом i вiдрiзняeться в 3 рази бшьшим об'емом, нiж кристали вихщного пдроалюм> нату кальцiю 3CaO Al2O3 6H2O , що призводить до ще бiльш iнтенсивного зростання напруження усередиш цементного каменю i мшротрщи-ноутворення та розсипання монолiтного блоку на окремi цементнi кристали (рис. 16). При цьому необхщно вщм^ити, що сiрка виявлена в продуктах корози на поверхш розтрюканого бетону шпал. Крiм того, зрозумiло, що вуглеводш речовини типу фенол не щентифшуються мшрорентгеноспектральним аналiзатором, але на його присутнють вказують окремi кристали цементного каменю, в яких розчиненi границi та вимитi у виглядi «кальцieвого молочка».
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
Х1м ел., Ka Мас. % Похибка, % вщн. Ат. % З'еднання Мас.%
C 10,23 0,81 36,4 C 10,23
O 36,02
Na 0,53 1,65 0,5 Na2O 0,72
Mg 0,44 1,67 0,77 MgO 0,72
Al 3,62 1,9 2,87 Al2O3 6,84
Si 17,65 2,32 26,85 SiO2 37,76
K 1,85 2,17 1,01 K2O 2,23
Ca 29,65 3,17 31,61 CaO 41,49
Всього 100,00
Рис. 15. Х1м1чний склад структурних складових зруйнованого цементного каменю шд д1ею х1м1чних речовин на верхнш забрудненш частиш шпал
Fig. 15. Chemical composition of structural components of destroyed cement stone under chemical substances action on the top of the contaminated part of sleepers
Рис. 16. Структура забрудненого цементного каменю залiзобетонних шпал
Fig. 16. The structure of the contaminated cement reinforced concrete sleepers
Таким чином, одшею з причин передчасного руйнування затзобетонних шпал е ix забруд-нення вуглеводнями з вмютом активних фено-лiв, а також вiдходами з вмютом мшеральних солей на основi хлорищв натрiю та магнiю з малим вмiстом сiрки. Це викликае розтрюку-вання цементного каменю та вимивання каль-цiю по границях цементних кристалтв шляхом утворення з ним водорозчинних солей.
Наукова новизна та практична значимкть
Наукова новизна та значимють роботи поля-гае в застосуванш запатентовано! авторсько! експрес-методики дослщження морфологiï та хiмiчного складу структурних складових бетону у виробничому цикл пiдприемств, що дасть змогу запоб^ти передчасному руйнуванню бетону внаслщок дiï внутрiшнiх факторiв.
Результати та висновки
Анатз причин руйнування залiзобетонних шпал на Знам'янськiй дистанци колiï на 320 км ПК 1-4 непарноï колiï перегону Чорнолюька-Трепiвка у кiлькостi 1 896 шт., як прогнозова-но не вщпрацюють 5 % експлуатацiйного ресурсу, показав, що вихщна мщнють заводського бетону вiдповiдае вимогам ддачих ДСТУ.
Макроструктурний аналiз руйнування зал> зобетонних шпал показав наявнiсть нас^зних трiщин вздовж арматурних струн, як прохо-дять виключно по цементному розчину, мщ-нiсть якого е значно нижчою, шж у бетоннш складовiй шпали та такою, що не витримуе на-вантажень попередньо напружено1' арматури.
У структурi та хiмiчному складi середньо1' частини цементного каменю бетону шпал, де е мшмальний вплив оточуючого середовища, виявлено як наявнють великих етрингiтних кристалiв, схильних до реструктуризации так i присутнють продуктiв лужнокремнiевокислоï реакцiï навколо аморфних або тих, що мютять аморфний кремнезем, пюочш частки. Приведений коефщент лужностi щiльноï складово1' цементного каменю - портландиту (2,19 % (мас.)) незначною частиною вище, нiж у пористих складових (1,92 % (мас.)), але вiдповiдно у 3,6 та у 3,2 разу перевищуе нормативний по-казник. Поверхня тсочних часток насичена
атомами хлору, яю додатково пришвидшують та iнiцiюють лyжнокремнiевокислy реакщю. Таким чином, рестрyктyризацiйнi процеси всередиш шпал е наслiдком як вщсутност вхь дного контролю сировинних матерiалiв пiскy та цементу, так i тдвищено1 температури термо-волого! обробки (70° С), яка сприяе зростанню великих етрингiтних кристалiв, що спричиняе розтрiскyвання цементного каменю.
На дшянщ руйнувань цементного каменю на поверхш шпал спостертаються локальнi об'еми з тдвищеним вмiстом оксиду сiрки SO3 -15,46 % (мас.), що перевищуе максималь-ний допустимий рiвень 3,5 % (мас.) у 4,4 разу. Приведений коефщент лужносп цементного каменю перевищуе нормативний показник у 2,17 разу та сягае 2,33 % (мас.). Вмют алюм> напв стабшьно перевищуе нормативний показник у 8 % (мас), максимально 1х концентращя тдвищуеться у 2,1 разу до 16,92 % (мас.). Вмют хлору стабшьно перевищуе нормативний показник у 5,8+11разiв та сягае 1,09 % (мас.). Саме таке поеднання хiмiчних елеменпв сприяе прискореному формуванню вторинних етринп-тних кристалiв та таумаситу в бетош в процес експлyатацiï залiзобетонних шпал [17]. Засто-сування аморфного кремнезему як дрiбного заповнювача у комплексi з насиченням цементу пiдвищеноï лyжностi хлором в концентраций яка перевищуе 1 % (мас.), максимально при-швидшуе лужнокремшевокислу реакцiю, яка вiддiляе цементний камшь вiд дрiбних запов-нювачiв.
Одшею з причин передчасного руйнування затзобетонних шпал е ï^ забруднення в процес експлyатацiï вуглеводнями з вмютом активних фенолiв, а також вщходами з вмiстом мшера-льних солей на основi хлоридiв натрiю та маг-нiю з малим вмютом шрки. Це викликае розтр> скування цементного каменю та вимивання кальщю по границях цементних кристалiтiв шляхом утворення з ним водорозчинних солей.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Деяш аспекти технолопчних прийом1в ви-робництва та контролю експлуатацшного ресурсу зал1зобетонних шпал в Украш та свт / В. В. Рибкш, В. В. Коваленко, Ю. Л. Заяць [та ш] // Зал1зн. трансп. Украши. - 2012. - № 3/4. - С. 76-81.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
2. Дослвдження експлуатацшно! стшкосл заль зобетонних шпал та основш технолопчш прийоми ii покращення / В. В. Рибк1н, В. В. Коваленко, Ю. Л. Заяць [та ш] // Буд-во Украши. - 2011. - № 4. - С. 19-23.
3. Дослвдження ф1зико-х1м1чних властивостей др1бних заповнювач1в для виробництва зал1зобетонних шпал / В. В. Рибкш, В. В. Коваленко, Ю. Л. Заяць [та ш] // В1сн. Дшпро-петр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. iM. акад. В. Ла-заряна. - Дншропетровськ, 2012. - Вип. 40. -С. 140-145.
4. ДСТУ Б В.2.7-46-2010. Будiвельнi матерюли. Цементи загальнобудiвельного призначення. Технiчнi умови. - Ки'в : Укрархбудiнформ, 2011. - 14 с.
5. ДСТУ Б В.2.6-145:2010 (ГОСТ 31384:2008, NEQ). Конструкци будинюв та споруд. Захист бетонних i залiзобетонних конструкцiй ввд корози. Загальнi технiчнi вимоги. - Ки!в : Укрархбу-дшформ, 2010. - 52 с.
6. ДСТУ Б В.2.6-57-2008. Шпали залiзобетоннi попередньо напруженi для залiзниць коли 1520 мм. Техшчш умови. - Ки'в : НД1БК, 2009. -28 с.
7. Свропейський стандарт EN 1504. Мат^али i системи для ремонту i захисту бетонних конс-трукцш [Електронний ресурс]. - 2009. - Режим доступу: http ://emaco26. ru/d/180619/d/evropey-skiy_standart_en_1504.pdf. - Назва з екрана. -Перевiрено: 26.10.2015.
8. Железобетонные шпалы для рельсового пути / А. Ф. Золотарский, Б. А. Евдокимов, Н. М. Исаев [и др.]. - Москва : Транспорт, 1980. - 270 с.
9. Мощанский, Н. А. Представление о природе минеральных вяжущих на основе периодического закона Менделеева и учения о метаста-бильных состояниях : В кн. Тр. совещания по химии цемента / Н. А. Мощанский ; под ред. П. П. Будникова. - Москва : Госстройиздат, 1956. - 518 с.
10. Пат. 99426 Укра'на. МПК G 01 N №33/38 (206.01), С 04 B 28/00. Особливошвидкотверд-нучий безпропарювальний бетон / Плупн А. А., Плугш А. М., Романенко О. В. [та ш.] (Укра'на) ; заявник та патентовласник Укр. держ. акад. за-лiзн. трансп. - № а 2011 14838. ; заявл. 14.12.2011 ; опубл. 10.08.2012, Бюл. № 15. -20 с.
11. Проведення дослвджень по встановленню причин руйнування залiзобетонних шпал та розро-бка рекомендацiй по тдвищенню мiцностi бетону : Звгт за договором № ЦУПП-04/0035/10-53.2007.10.10 в1д 31.05.2010 р. з Дншропетр.
нац. ун-том зал1зн. трансп. - Дшпропетровськ, 2011. - 168 c.
12. Пунагин, В. Н. Бетон в условиях повышенных температур : монография / В. Н. Пунагин,
A. Н. Пшинько, Н. Н. Руденко. - Днепропетровск : Арт-Пресс, 1999. - 292 с.
13. Саницкий, М. А. Некоторые вопросы кристаллохимии цементных минералов / М. А. Саницкий. - Киев : УМК ВОЮ, 1990. - 60 с.
14. Техтчт вкаавки з використання старопридат-них матер1атв верхньо! будови коли на залзницях Украши : ЦП-0150 : затв. наказом Укрзалзниц ввд 24.03.2006 р. №112-Ц. - Кшв : НКТБ ЦП УЗ, 2006. - 56 с.
15. Умань, Н. И. Твердение цементных минералов при пониженных температурах / Н. И. Умань, Л. Б. Сватовская, В. П. Овчинникова // Цемент и его применение. - 1998. - № 5-6. - С. 26-28.
16. Физико-химические основы формирования структуры цементного камня / Л. Г. Шпынова,
B. И. Чих, М. А. Саницкий [и др.]. - Львов : Вища шк., 1981. - 160 с.
17. Штарк, И. Долговечность бетона / И. Штарк, Б. Вихт. - Киев : Оранта, 2004. - 295 с.
18. Changes in portlandite morphology with solvent composition: Atomistic simulations and experiment / S. Galmarini, A. Aimable, N. Ruffray, P. Bowen // Cement and Concrete Research. -2011. - Vol. 41. - Iss. 12. - P. 1330-1338. doi:10.1016/j. cemconres.2011.04.009.
19. Hooto, R. D. Current developments and future needs in standards for cementitious materials / R. D. Hooto // Cement and Concrete Research :
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з^зничного транспорту, 2015, № 6 (60)
Keynote papers from 14th Intern. Congress on the Chemistry of Cement (13.10.-16.10.2015). -2015. - Vol. 78, p. A. - P. 165-177. doi: 10.1016-/j.cemconres.2015.05.022.
20. Klein, D. H. Homogeneous nucleation of calcium hydroxide / D. H. Klein, M. D. Smith // Talanta. -1968. - Vol. 15. - Iss. 2. - P. 229-231. doi:10.-1016/0039-9140(68)80227-9.
21. Ramachandran, V. S. Mechanism of Hydration of Calcium Oxide / V. S. Ramachandran, P. J. Se-reda, R. F. Feldman // Nature. - 1964. - Vol. 201. - Iss. 4916. - P. 288-289. doi:10.1038/201288a0.
22. Recent durability studies on concrete structure / S. W. Tang, Y. Yao, C. Andrade, Z. J. Li // Cement and Concrete Research : Keynote papers from 14th Intern. Congress on the Chemistry of Cement (13.10.-16.10.2015). - 2015. - Vol. 78, p. A. - P. 143-154. doi: 10.1016/j.cemconres.-2015.05.021.
23. Scrivener, K. L. Advances in understanding hydration of Portland cement / K. L. Scrivener, P. Juilland, P. J. M. Monteiro // Cement and Concrete Research : Keynote papers from 14th Intern. Congress on the Chemistry of Cement (13.10.16.10.2015). - 2015. - Vol. 78, p. A. - P. 38-56. doi: 10.1016/j.cemconres.2015.05.025.
24. Trend to the Production of Calcium Hydroxide and Precipitated Calcium Carbonate with Defined Properties / H. Lohmus, A. Rani, U. Kallavus, R. Reiska // The Canadian J. of Chemical Engineering. - 2002. - Vol. 80. - Iss. 5. - P. 911-919. doi: 10.1002/cjce.5450800514.
В. В. КОВАЛЕНКО1*, Ю. Л. ЗАЯЦ2*, П. А. ПШИНЬКО3*
1 Каф. «Управление проектами, здания и строительные материалы», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (050) 48 90 772, эл. почта уа1шИа.коу@уаМех.иа, ОЯСГО 0000-0002-1196-7730
2*Каф. «Безопасность жизнедеятельности», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 81, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-9213-1790
3*Каф. «Строительное производство и геодезия» , Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. + 38 (095) 742 04 34, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-4187-5340
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ПРЕЖДЕВРЕМЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ НА ЗНАМЕНСКОЙ ДИСТАНЦИИ ПУТИ ПЧ 10 ОДЕССКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ
Цель. Научная работа своей целью имеет исследование факторов, приведших к преждевременному разрушению бетона железнодорожных шпал. Методика. В работе использована экспресс-методика определения морфологии и химического состава структурных составляющих бетона, запатентованная Днепропетровским национальным университетом железнодорожного транспорта. Методика дает возможность оперативно
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
контролировать морфологию и химический состав кристаллов цементного камня, как наиболее слабого звена в структуре композитного материала-бетона. А также прогнозировать, в соответствии с рекомендациями немецких ученых, вероятность структурных преобразований цементного камня в твердом состоянии, определяющих долговечность этого композитного материала. Результаты. Массовые разрушения железобетонных шпал на железных дорогах Украины учащаются с каждым годом. Причем, если такие разрушения в 2010 году происходили после 4-5 лет эксплуатации, то в 2015 году - лишь после 2-3 лет установки шпал на магистральных железнодорожных путях. По характеру разрушений бетона шпал можно отметить многофакторность воздействий на него. Партии цемента и других сырьевых материалов перед использованием были исследованы стандартными методами в аккредитованной лаборатории ПАО «Укргеолбудм» (Киев) и получили положительные оценки для использования в производстве железобетонных шпал. Однако значительная ошибка в экспериментальных данных по стандартным методикам не позволила выявить критические характеристики материалов, которые пагубно влияют на долговечность бетона подрельсовых оснований. По результатам исследований было установлено, что причинами массового преждевременного разрушения шпал являются: 1) неоднородность макроструктуры бетона, как следствие применения щебня фракции 5-25 мм; 2) влияние агрессивной среды на бетонную поверхность шпал; 3) наличие в структуре средней части шпал крупных эттрингитных кристаллов, склонных к реструктуризации и присутствие продуктов щелочнокремниевокислой реакции вокруг аморфных или содержащих аморфный кремнезем, песочных частиц; 4) превышение нормативного коэффициента приведенной щелочности плотной и пористой составляющих цементного камня соответственно в 3,6 и в 3,2 раза; 5) насыщенность поверхности песочных частиц атомами хлора, которые дополнительно ускоряют и инициируют щелочнокремниевокислую реакцию. Научная новизна. Исследователями впервые была применена запатентованная авторская экспресс-методика исследования морфологии и химического состава структурных составляющих бетона. Практическая значимость. Применение предлагаемой методики исследования сырьевых материалов и структуры бетона в производственном цикле предприятий позволит предотвратить преждевременное разрушение бетона вследствие действия внутренних факторов.
Ключевые слова: железобетонные шпалы; щебень; песок; цемент; щелочнокремниевокислая реакция; микроструктура; цементный камень
V. V. KOVALENKO1*, Y. L. ZAYATS2*, P. O. PSHINKO3*
1 Dep. «Management of Projects, Construction and Construction Materials», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (050) 489 07 72, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-1196-7730
2*Dep. «Life Safety», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 81, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-9213-1790 3*Dep. «Construction Manufacture and Geodesy», Dnipropetrovsk National University named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. + 38 (095) 742 04 34, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-4187-5340
THE CAUSES STUDY OF THE PREMATURE DESTRUCTION OF THE CONCRETE SLEEPERS ON THE ZNAMENKA TRACK OF THE IF10 OF THE ODESSA RAILWAY
Purpose. The aim of the paper is to study the factors that led to the premature destruction of concrete sleepers. Methodology. The express-method of determining the morphology and chemical composition of structural components in concrete, patented by Dnipropetrovsk National University of Railway Transport was used in the paper. Methodology makes it possible to control the morphology and chemical composition of cement crystals as the weakest link in the structure of composite material - concrete, and to predict, in accordance with the recommendations of the German Scientists, the possibility of structural transformation of cement in the solid state, which determines the durability of the composite material. Findings. The mass destruction of concrete sleepers on railways of Ukraine is becoming more frequent every year. Moreover, if such destruction in 2010 appears after 4-5 years of operation, in 2015 it is only after 2-3 years of installing the sleepers on the main railways. The nature of the destruction of concrete sleepers can be noted as malty factors influence on it. The batches of cement and other raw materials
HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BicHHK ^mnponeTpoBctKoro Ha^oH&ntHoro ymBepcureTy 3&ni3HHHHoro TpaHcnopTy, 2015, № 6 (60)
have been investigated before using with the standard methods in accredited laboratories of PAC «Ukrgeolbudm» (Kyiv) and received a positive evaluation for use in the production of concrete sleepers. However, a significant error in experimental data by standard methods not allowed revealing the critical properties of materials that adversely effect on the durability of rail base concrete. According to the research it was determined that the causes of mass destruction of sleepers are: 1) the inhomogeneity of the macrostructure of the concrete, as a consequence of the use of crushed rock of fraction 5-25 mm; 2) the impact of aggressive environment on the surface of the concrete sleepers; 3) the presence of a secondary structure of sleepers of large ettringite crystals prone to restructuring and the presence of alkaline silicic acid reaction products around the amorphous or those containing amorphous silica sand particles; 4) the exceeding of regulatory factor of the reduced alkalinity of dense and porous components of cement stone is respectively to 3.6 and 3.2 times; 5) saturation of the surface of sand particles of chlorine atoms, which are further accelerate and initiate the alkaline silicic acid reaction. Originality. The scientists firstly applied the author's proprietary express-method of studying the morphology and chemical composition of the structural components of concrete. Practical value. The application of the proposed research methodology and structure of raw materials in the concrete production cycle of enterprises will help to prevent the premature deterioration of concrete as a result of internal factors.
Keywords: reinforced-concrete slippers; crushed ballast; sand; cement; alkaline silicic acid reaction; microstructure; cement brick
REFERENCES
1. Rybkin V.V., Kovalenko V.V., Zaiats Yu.L., Pshinko P.O., Kovalenko S.V., Yakovliev V.O. Deiaki aspekty tekhnolohichnykh pryiomiv vyrobnytstva ta kontroliu ekspluatatsiinoho resursu zalizobetonnykh shpal v Ukraini ta sviti [Some aspects of technological methods of production and control the service life of concrete sleepers in Ukraine and the world]. Zaliznychnyi transport Ukrainy - Railway Transport of Ukraine, 2012, no. 3/4, pp. 76-81.
2. Rybkin V.V., Kovalenko V.V., Zaiats Yu.L., Pshinko P.O., Kovalenko S.V., Yakovliev V.O. Doslidzhennia ekspluatatsiinoi stiikosti zalizobetonnykh shpal ta osnovni tekhnolohichni pryiomy yii pokrashchennia [A study of the operational stability of concrete sleepers and basic technological methods of its improvement]. Budivnytstvo Ukrainy - Construction of Ukraine, 2011, no 4, pp. 19-23.
3. Rybkin V.V., Kovalenko V.V., Zaiats Yu.L., Pshinko P.O., Lysniak V.P., Yaryshkina L.O., Vasylieva S.V. Doslidzhennia fizyko-khimichnykh vlastyvostei dribnykh zapovniuvachiv dlia vyrobnytstva zalizobetonnykh shpal [Research of physical and chemical properties of small fillers for producrion of ferro-concrete sleepers]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2012, issue 40, pp. 140-145.
4. DSTU B V.2.7-46-2010. Budivelni materialy. Tsementy zahalnobudivelnoho pryznachennia. Tekhnichni umovy [State Standart B V. 2.7-46-2010. Building materials. Cements for General construction purposes. Specifications]. Kyiv, Ukrarkhbudinform Publ., 2011. 14 p.
5. DSTU B V.2.6-145:2010 (HOST 31384:2008, NEQ). Konstruktsii budynkiv ta sporud. Zakhyst betonnykh i zalizobetonnykh konstruktsii vid korozii. Zahalni tekhnichni vymohy [State Standart B V. 2.6-145:2010 (GOST 31384:2008, NEQ). Design of buildings and structures. Protection of concrete and reinforced concrete structures from corrosion. General technical requirements]. Kyiv, Ukrarkhbudinform Publ., 2010. 52 p.
6. DSTU B V.2.6-57-2008. Shpaly zalizobetonni poperedno napruzheni dlia zaliznyts kolii 1520 mm. Tekhnichni umovy [State Standart B V. 2.6-57-2008. The prestressed reinforced concrete sleepers for railway track 1520 mm. Technical specifications]. Kyiv, NDIBK Publ., 2009. 28 p.
7. Yevropeiskyi standart EN 1504. Materialy i systemy dlia remontu i zakhystu betonnykh konstruktsii [European standard EN 1504. Materials and systems for repair and protection of concrete structures], 2009. Available at: http://emaco26.ru/d/180619/d/evropeyskiy_standart_en_1504.pdf (Accessed 20 November 2015).
8. Zolotarskiy A.F., Yevdokimov B.A., Isayev N.M. Zhelezobetonnye shpaly dlya relsovogo puti [Concrete sleepers for railway track]. Moscow, Transport Publ., 1980. 270 p.
9. Moshchanskiy N.A. Budnikova P.P. Predstavleniye o prirode mineralnykh vyazhushchikh na osnove periodi-cheskogo zakona Mendeleyeva i ucheniya o metastabilnykh sostoyaniyakh: V knige Trudy soveshchaniya po khimii tsementa [The idea of the nature of mineral binders on the basis of the periodic law of Mendeleev and the teachings of metastable states: Book Proc. of the meeting on the chemistry of cement]. Moscow, Gosstroy-izdat Publ., 1956. 518 p.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
10. Pluhin A.A., Pluhin A.M., Romanenko O.V. Osoblyvoshvydkotverdnuchyi bezpropariuvalnyi beton [Especially rapidly solidified concrete without the steam curing], no. а 2011 14838. 2011.
11. Provedennia doslidzhen po vstanovlenniu prychyn ruinuvannia zalizobetonnykh shpal ta rozrobka rekomen-datsii po pidvyshchenniu mitsnosti betonu [The research conducting on establishment of the reasons of concrete sleepers destruction and the development of recommendations to improve the strength of concrete]. Dni-propetrovsk, 2011. 168 p.
12. Punagin V.N., Pshinko A.N., Rudenko N.N. Beton v usloviyakh povyshennykh temperatur [The concrete under the elevated temperatures]. Dnipropetrovsk, Art-Press Publ., 1999. 292 p.
13. Sanitskiy M.A. Nekotoryye voprosy kristallokhimii tsementnykh mineralov [Some problems of the crystal chemistry of cement minerals]. Kyiv, UMK VOYu Publ., 1990. 60 p.
14. Tekhnichni vkazivky z vykorystannia staroprydatnykh materialiv verkhnoi budovy kolii na zaliznytsiakh Ukrainy: TsP-0150 [Technical guidance on the use of used materials of the permanent way on Railways of Ukraine: TsP-0150]. Kyiv, NKTB TSP UZ Publ., 2006. 56 p.
15. Uman N.I., Svatovskaya L.B., Ovchinnikova V.P. Tverdeniye tsementnykh mineralov pri ponizhennykh tem-peraturakh [The hardening of cement minerals at low temperatures]. Tsement i ego primeneniye - Cement and its Application, 1998, no. 5-6, pp. 26-28.
16. Shpynova L.G., Chikh V.I., Sanitskiy M.A. Fiziko-khimicheskiye osnovy formirovaniya struktury tsementnogo kamnya [Physico-chemical principles of cement stone structure formation]. Lviv, Vyshcha shkola Publ., 1981. 160 p.
17. Shtark I., Vikht B. Dolgovechnost betona [Durability of concrete]. Kyiv, Oranta Publ., 2004. 295 p.
18. Galmarini S., Aimable A., Ruffray N., Bowen P. Changes in portlandite morphology with sol-vent composition: Atomistic simulations and ex-periment. Cement and Concrete Research, 2011, vol. 41, issue 12, pp. 1330-1338. doi:10.1016/j. cemconres.2011.04.009.
19. Hooto R.D. Current developments and future needs in standards for cementitious materials. Cement and Concrete Research: Keynote papers from 14th Intern. Congress on the Chemistry of Cement (13.10.-16.10.2015), 2015, vol. 78, рart A, pp. 165-177. doi: 10.1016/j.cemconres.2015.05.022.
20. Klein D.H., Smith M.D. Homogeneous nucleation of calcium hydroxide. Talanta, 1968, vol. 15, issue 2, pp. 229-231. doi:10.1016/0039-9140(68)80227-9.
21. Ramachandran V.S., Sereda P.J., Feldman R.F. Mechanism of Hydration of Calcium Oxide. Nature, 1964, vol. 201, issue 4916, pp. 288-289. doi:10.1038/201288a0.
22. Tang S.W., Yao Y., Andade C., Li Z.J. Recent durability studies on concrete structure. Cement and Concrete Research: Keynote papers from 14th Intern. Congress on the Chemistry of Cement (13.10.-16.10.2015), 2015, vol. 78, рart A, pp. 143-154. doi: 10.1016/j.cemconres.2015.05.021.
23. Scrivener K.L., Juilland P., Monterio P.J.M. Advances in understanding hydration of Portland cement. Cement and Concrete Research: Keynote papers from 14th Intern. Congress on the Chemistry of Cement (13.10.16.10.2015), 2015, vol. 78, рart A, pp. 38-56. doi: 10.1016/j.cemconres.2015.05.025.
24. Lohmus H., Rani A., Kallavus U., Reiska R. Trend to the Production of Calcium Hydroxide and Precipitated Calcium Carbonate with Defined Properties. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2002, vol. 80, issue 5, pp. 911-919. doi: 10.1002/cjce.5450800514.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. М. М. Нетесою (Украта); д.т.н., проф.
М. В. Савицьким (Украта)
Надшшла до редакцп: 8.10.2015
Прийнята до друку: 30.11.2015
