Czym są pręty dyblowe w złączach nawierzchni betonowej?

Definicja

Pręt dyblowy to gładki stalowy pręt, który przecina złącze w nawierzchni betonowej i przenosi obciążenie z jednej płyty na następną. FAA nazywa płytę betonową panelem. AC 150/5320-6G mówi, że dyble zapewniają przenoszenie obciążenia przez złącze i zapobiegają pionowemu przemieszczeniu względnemu sąsiednich krawędzi płyt (3.16.10.2).

Pręt jest gładki, nie żebrowany. Gładki pręt może przesuwać się w betonie, więc złącze może się otwierać i zamykać. Pozycja P-501 wymaga gładkich prętów stalowych zgodnych z ASTM A615, bez zadziorów, które ograniczają poślizg. Każdy pręt ma powłokę epoksydową zgodną z ASTM A1078 typu 1, grubszą niż 10 mils, oraz środek rozdzielający od producenta. Tulei i wkładek dyblowych nie dopuszcza się (501-2.7). Inżynier może zażądać prętów chromowanych (ASTM A1035) lub ze stali nierdzewnej (ASTM A955), po uzgodnieniu z FAA.

Jak działa pręt dyblowy

Gdy koło obciąża jedną płytę, dybel przenosi część obciążenia na następną płytę. FHWA mówi, że pręty dyblowe zapewniają dodatnie przenoszenie obciążenia przez złącze. Znacznie to zmniejsza ugięcia i naprężenia w złączu, a tym samym ryzyko pompowania, uskoków i pękania płyt (FHWA-HIF-07-021, s. 1).

Badania pokazują, że głównym mechanizmem przenoszenia obciążenia przez dybel jest ścinanie. Zginanie pręta ma niewielkie znaczenie, zwłaszcza tam, gdzie złącze otwiera się mniej niż 1/4 in (Snyder, s. 2). Snyder podaje, że krytyczny dybel w złączu drogowym zwykle przenosi mniej niż 3 000 lb. Ścinanie i zginanie nie decydują więc o średnicy stalowego pręta. Średnica ma znaczenie z innego powodu. Sztywniejszy dybel obniża naprężenie docisku między prętem a betonem, a to spowalnia narastanie uskoków (Snyder, s. 2 do 3).

Pręt musi też pozwalać na ruch złącza. Temperatura i skurcz przy wysychaniu otwierają i zamykają złącza. Dla płyt o długości 15 ft (4,6 m) FHWA podaje typowy ruch złącza 2 do 3 mm (0,08 do 0,12 in). Dotyczy to nawet chłodniejszych rejonów (FHWA-HIF-07-021, s. 3). Środek rozdzielający na pręcie pozwala mu ślizgać się w betonie podczas tego ruchu. Snyder zaleca środek rozdzielający na co najmniej połowie długości każdego pręta. Powłoka półstała musi być cienka, ponieważ gruba warstwa może wyglądać jak utrata przenoszenia obciążenia (Snyder, s. 11).

Stalowe dyble to stara technologia. Pierwsza zarejestrowana instalacja w USA miała miejsce w zimie 1917 do 1918 roku, a do 1930 roku prawie połowa stanów wymagała ich stosowania (Snyder, s. 1).

Pręty dyblowe i pręty wiążące

Pręt wiążący to inna część. Jest to żebrowany pręt, który utrzymuje zamknięte podłużne złącze. AC 150/5320-6G mówi, że pręty wiążące nie działają jako urządzenia do przenoszenia obciążenia (3.16.10.1). Trzymają one powierzchnie płyt w bliskim kontakcie, dzięki czemu zazębienie kruszywa może przenosić obciążenie. Oba elementy różnią się następująco:

• Dybel to gładka stal powlekana epoksydem i środkiem rozdzielającym. Pręt wiążący to żebrowana stal zgodna z ASTM A615 (501-2.7).
• Dybel leży równolegle do powierzchni nawierzchni i ślizga się w betonie (FHWA-HIF-07-021, s. 2). Pręta wiążącego nigdy nie maluje się, nie smaruje i nie umieszcza w tulei, a trzyma się go w połowie grubości płyty (501-4.10).
• Dybel przenosi obciążenie przez złącze skurczowe lub robocze. Pręt wiążący trzyma zamknięte złącze podłużne. AC 150/5320-6G podaje pręty wiążące w podłużnych złączach skurczowych oddalonych od wolnej krawędzi o 20 ft (6 m) lub mniej, gdy płyta ma 9 in (225 mm) grubości lub mniej. Płyta o grubości 6 in (150 mm) lub mniejszej dostaje pręty nr 4 o długości 20 in (510 mm), w rozstawie 36 in (900 mm). Grubsza płyta dostaje pręty nr 5 o długości 30 in (762 mm), w rozstawie 30 in (3.16.10.1).

Gdzie lotniska stosują dyble

• Ostatnie trzy poprzeczne złącza skurczowe od wolnej krawędzi (3.16.10.2.1). AC twierdzi, że stabilizowana podbudowa zapewnia podparcie płyt, więc większa liczba dybli przynosi niewielką korzyść.
• Wszystkie złącza robocze, podłużne lub poprzeczne. Pogrubiona lub zbrojona krawędź może zastąpić dyble (3.16.10.2.2). W przypadku statków powietrznych o masie 30 000 lb (13 610 kg) lub większej AC stosuje złącze z dyblami typu E. Złącze czołowe (typ F) nie ma dybli. Może służyć nawierzchniom dla statków powietrznych o masie poniżej 30 000 lb, które leżą na stabilizowanej podbudowie lub są nakładką betonową na nawierzchni podatnej (3.16.9.5).
• Podłużne złącza skurczowe oddalone od wolnej krawędzi o 20 ft (6 m) lub mniej, w płytach grubszych niż 9 in (Tabela 3-5, typ złącza C).

Tam, gdzie spotykają się złącze podłużne i poprzeczne, AC w razie potrzeby usuwa dybel lub pręt wiążący z części podłużnej. Pozostały pręt znajduje się 12 in (300 mm) od końca poprzecznych dybli (rysunek 3-5, uwaga 1).

Dyble w złączach izolacyjnych i dylatacyjnych

Złącza izolacyjne nie otrzymują dybli. P-501 mówi, że złącze izolacyjne służy głównie do oddzielania konstrukcji o różnych fundamentach oraz nawierzchni o różnych układach złączy. Nie zakłada ono dylatacji przez ściskanie materiału. Pozwala złączu na poślizg, więc rzadko zachodzi potrzeba dyblowania. Preferowaną metodą przenoszenia obciążenia jest tam pogrubiona krawędź (501-4.10).

Praktyka drogowa jest inna. Przewodnik Iowa State zaleca nasadki dylatacyjne na końcach dybli w nowej budowie tylko w złączach dylatacyjnych. Nasadkę zakłada się na nieprzyspawany koniec każdego dybla w koszu. Przewodnik podaje, że nasadki nie są potrzebne w złączach skurczowych i roboczych (Snyder, s. 11). Lista kontrolna FHWA do modernizacji wymaga też plastikowych nasadek końcowych na obu końcach pręta modernizacyjnego, aby uwzględnić rozszerzanie się nawierzchni.

Rozmiar i rozstaw

Tabela 3-6 AC 150/5320-6G podaje średnicę, długość i rozstaw stalowych dybli w zależności od grubości płyty.

AC mówi, aby wymiarować dyble na naprężenia ścinające i zginające od obciążenia. Mówi też, aby stosować długość i rozstaw, które zapobiegają zniszczeniu betonu od naprężenia docisku (3.16.10.2.3). Uwaga redakcyjna w P-501 dodaje ograniczenie przy linii złącza. Dybla lub pręta wiążącego nie umieszcza się bliżej linii złącza niż na 0,6 jego długości. Jeśli ostatni regularny pręt leży bliżej, przesuwa się go na tę odległość, ale nie bliżej niż 6 in (150 mm) od sąsiada (501-4.10).

Praktyka drogowa jest podobna, ale nie identyczna. Od lat sześćdziesiątych XX wieku obowiązuje zasada: średnica dybla w ósmych częściach cala jest równa grubości płyty w calach. Pręty mają długość 18 in i rozstaw 12 in. Komitet ACI 325 zalecił tę długość i rozstaw w 1956 roku. Agencje różnią się obecnie. W ankiecie Snydera z 2009 roku średnice stosowane przez stany dla płyty 10 in mieszczą się w zakresie od 1 1/4 in do 1 1/2 in (Snyder, s. 1 do 3).

Układanie

Wyrównanie i rzędne decydują o tym, jak działa złącze z dyblami (3.16.10.2.4). AC utrzymuje dyble w koszu z drutu, mocno zakotwionym w podbudowie. Dopuszcza też układarkę z automatycznym wstawiaczem prętów dyblowych.

P-501 ustala te granice (501-4.10):

• Rozstaw w poziomie w granicach 3/4 in (19 mm).
• Położenie w pionie w granicach 1/2 in (12 mm).
• Wyrównanie w poziomie i w pionie nie więcej niż 1/4 in na stopę (6 mm na 0,3 m).

Ruchomą część każdego dybla smaruje się cienką warstwą oleju lub lekkiego smaru, zanim układarka położy beton. Wykonawca może wprowadzać dyble w beton plastyczny. Przedstawiciel projektu na miejscu (RPR) zatwierdza tę metodę na podstawie pasa kontrolnego, na którym rdzenie lub nieniszczące urządzenia do lokalizacji zbrojenia wykażą, że dyble są w tolerancji. P-501 jako przykłady podaje skaner MIT, pachometr i R-metr. W stwardniałym betonie dyble wchodzą w wywiercone otwory i są mocowane żywicą epoksydową. Otwory są o 1/8 in (3 mm) większe od dybla. Przed rozpoczęciem wiercenia beton musi mieć 7 dni lub osiągnąć wytrzymałość określoną w specyfikacji.

Niewspółosiowość

FHWA wymienia cztery rodzaje niewspółosiowości (FHWA-HIF-07-021, s. 2):

• Skos poziomy: pręt skręca się w płaszczyźnie poziomej, więc nie jest równoległy do złącza podłużnego.
• Pochylenie pionowe: pręt pochyla się w płaszczyźnie pionowej, więc nie jest równoległy do powierzchni nawierzchni.
• Przesunięcie podłużne: pręt jest przesunięty względem środka, więc z jednej strony ma mniejsze zakotwienie.
• Przesunięcie pionowe: pręt leży powyżej lub poniżej połowy grubości, więc z jednej ściany ma mniejszą otulinę.

Ogólnie skos i pochylenie wpływają na swobodny ruch złącza. Przesunięcie wpływa na to, jak dobrze każdy pręt przenosi obciążenie. Krytyczny poziom skosu lub pochylenia to poziom, przy którym złącze może się zablokować lub beton wokół pręta może odpryskiwać. Typowy limit w USA dla skosu lub pochylenia to 6 do 10 mm (0,25 do 0,375 in) na pręcie 18 in. Typowy limit dla przesunięcia to 25 mm (1 in), ponieważ margines dla przesunięcia jest znacznie większy (FHWA-HIF-07-021, s. 2). P-501 ogranicza wyrównanie do 1/4 in na stopę, czyli 3/8 in na pręcie 18 in, co mieści się w tym zakresie.

Wpływ niewspółosiowości jest realny, ale mniejszy, niż sugeruje wiele specyfikacji. FHWA mówi, że wiele pracujących nawierzchni ma kilka mocno niewspółosiowych prętów i nie wykazuje widocznych uszkodzeń. W laboratorium odpryski i pęknięcia pojawiały się dopiero przy przesunięciach kilkakrotnie większych niż ruch złącza w terenie. Jedno zablokowane złącze nie szkodzi nawierzchni, ale wiele kolejnych zablokowanych złączy nie jest pożądane, ponieważ narasta naprężenie od ograniczenia odkształceń (FHWA-HIF-07-021, s. 3). Poważna niewspółosiowość może koncentrować naprężenia, co prowadzi do wgniatania betonu wokół pręta (socketing, funneling) i utraty przenoszenia obciążenia.

Badanie FHWA z 2020 roku użyło skanowania MIT na odcinkach testowych Long-Term Pavement Performance. Wykazało, że większość dybli była dobrze wyrównana. Stwierdziło, że niewspółosiowość miała największy wpływ na przenoszenie obciążenia w złączach poprzecznych, a wpływ na uskoki zależy od innych czynników. Nie znaleziono jednoznacznego związku między niewspółosiowością a pękaniem lub odpryskami, z wyjątkiem pewnego wpływu w trzech stanach. FHWA zaznacza też, że nie oznacza to braku wpływu silnie niewspółosiowych dybli, zwłaszcza na lokalne uszkodzenia (FHWA-HRT-20-070). Są to wyniki dotyczące dróg. Dokumenty FAA ustalają własne tolerancje dla lotnisk.

Korozja i luzowanie

Dyble ze stali węglowej łatwo korodują, zwłaszcza tam, gdzie środki do odladzania docierają do złącza. Snyder opisuje dwie szkody. Gdy korozja zaczyna się w złączu i przenosi się do płyt, szczelina między dyblem a betonem się powiększa. Ugięcia i naprężenia rosną, przenoszenie obciążenia spada, a po nim następują pompowanie i uskoki. Produkty korozji rozszerzają się wokół pręta, co może powodować silne odpryski złącza lub pęknięcia w środku płyty (Snyder, s. 6).

Powłoka epoksydowa jest najszerzej stosowaną ochroną. Działa jako bariera. Jej długoterminowa skuteczność była różna. Tam, gdzie stosuje się sole odladzające, drobny defekt powstały podczas produkcji, transportu lub montażu może zapoczątkować korozję (Snyder, s. 6 do 7). Alternatywą są dyble ze stali nierdzewnej. P-501 pozwala inżynierowi zażądać prętów chromowanych lub ze stali nierdzewnej po uzgodnieniu z FAA (501-2.7).

Efektywność przenoszenia obciążenia

Efektywność przenoszenia obciążenia (LTE) pokazuje, jaką część obciążenia złącze przekazuje na następną płytę. AC definiuje LTE przez ugięcie jako ugięcie płyty nieobciążonej podzielone przez ugięcie płyty obciążonej, razy 100% (wzór C-3). Badania FWD i HWD w złączach mierzą ją (C.8.3). Wielkość przenoszenia obciążenia zależy od konfiguracji podwozia, powierzchni styku opony, temperatury nawierzchni, dybli i stabilizowanej podbudowy (C.15.3).

Projekt FAA zakłada, że przenoszenie obciążenia zmniejsza naprężenie na wolnej krawędzi płyty o 25%. Zależność między LTE przez ugięcie a LTE przez naprężenie nie jest liniowa, dlatego AC wymaga dodatkowej analizy (C.15.5). AC mówi też, że pogorszenie złącza i spadek LTE podnoszą ugięcia w narożach płyt, co może tworzyć pustki pod płytą (C.5.3).

Agencje drogowe często działają według progu. Snyder podaje typowe progi działania 50 do 70 procent LTE dla przywrócenia przenoszenia obciążenia, podbijania (undersealing) lub wymiany złącza. Ostrzega też, że sam LTE nie opowiada całej historii. Dobrze podparta nawierzchnia może pokazywać 40 procent LTE przy bardzo małych ugięciach. Słaba może pokazywać 70 procent przy dużych ugięciach i dużej różnicy po obu stronach złącza. Badanie LTE wykonuje się, gdy płyta ma 70 stopni F (21 stopni C) lub mniej. Ciepła płyta zamyka złącze i daje wysokie wartości LTE (Snyder, s. 20).

Dyble w inspekcji

Dyble znajdują się wewnątrz płyty, więc inspektor widzi objawy. AC 150/5380-6C wymienia je (3.2.2):

• Odpryski w złączu, które powstają też wtedy, gdy dyble są źle ustawione.
• Pęknięcia narożne, gdy utrata podparcia wynika z pompowania lub z utraty przenoszenia obciążenia w złączu.
• Osiadanie lub uskok, czyli różnica poziomów w złączu lub pęknięciu.
• Pompowanie, czyli wyrzucanie wody i podłoża przez złącza lub pęknięcia. Pompowanie w pobliżu złączy wskazuje na słabe przenoszenie obciążenia w złączu, słabe uszczelnienie złącza lub wodę gruntową.

Podręcznik PAVER ocenia uskok według różnicy poziomów w złączu. Na pasach startowych i drogach kołowania różnica mniejsza niż 6 mm (1/4 in) oznacza niski stopień nasilenia. Różnica od 6 do 13 mm (1/4 do 1/2 in) to stopień średni, a powyżej 13 mm (1/2 in) to stopień wysoki. Na płytach postojowych stopień niski to 3 do 13 mm (1/8 do 1/2 in), a średni 13 do 25 mm (1/2 do 1 in). Powyżej 25 mm (1 in) to stopień wysoki. Różnicę mierzy się łatą lub poziomicą.

Aby zobaczyć same dyble, inspektor potrzebuje narzędzia, które zagląda w płytę:

• Rdzenie pokazują pręt, jego powłokę i szczelinę wokół niego, ale uszkadzają płytę.
• Nieniszczące lokalizatory zbrojenia, takie jak skaner MIT, pachometr i R-metr. P-501 używa ich do kontroli montażu (501-4.10). FHWA mówi, że skanowanie MIT mierzy wyrównanie dybli bez uszkodzeń. W 2007 roku FHWA podał, że dwuosobowa ekipa może zbadać 400 lub więcej złączy w ciągu 8-godzinnego dnia przy użyciu MIT Scan-2 (FHWA-HIF-07-021, s. 1).
• Georadar (GPR) może lokalizować zbrojenie w betonie, a wysokie częstotliwości dają najlepszą rozdzielczość na małej głębokości (AC 150/5320-6G, E.1).

Modernizacja prętów dyblowych

AC 150/5320-6G mówi, że modernizacja z wymianą dybli lub przebudowa może być potrzebna, gdy na dużych obszarach występuje pompowanie lub wykruszanie (4.10.2). Przy modernizacji ekipy nacinają równoległe bruzdy w poprzek złącza i osadzają w nich powlekane dyble. Następnie wypełniają bruzdy materiałem naprawczym i ponownie formują złącze. Lista kontrolna FHWA podaje następujące punkty do sprawdzenia:

• Bruzdy są równoległe do siebie i do osi, zwykle w granicach 1/4 in na 12 in długości pręta.
• Zwykle wykonuje się trzy lub cztery bruzdy na ścieżkę koła.
• Na każdym końcu dybla są plastikowe nasadki końcowe, a związek rozdzielający zapobiega przyleganiu łaty do pręta.
• Podpórki (chairs) utrzymują dybel w bruździe, zwykle z luzem 1/2 in pod prętem, tak aby materiał łaty otaczał pręt.

Naprawa pełnogłębokiego pęknięcia narożnego to inna praca. AC 150/5380-6C podaje dwie możliwości (dodatek A). Ekipy mogą zachować odsłonięte dyble, przecinając płytę tuż za ich końcami. Mogą też przeciąć złącze i zamontować nowe dyble tego samego typu i rozmiaru w wywierconych i zaklejonych epoksydem otworach.