Details

Degradation of rock and shotcrete due to ice pressure and frost shattering

by Andrén, Anna

Abstract (Summary)
På senare år har Banverket märkt en ökning av inrapporterade nedfall av berg och sprutbetong i sina järnvägstunnlar. I och med detta så startades en rad forskningsprojekt kring problemen med vattenläckage och isbildning i tunnlar. Detta projekt "Nedbrytning av berg och sprutbetong på grund av istryck och frostsprängning" är ett av dessa. Syftet med detta licentiatprojekt var att samla erfarenhet och information om hur is bildas samt hur istryck påverkar krosszoner, sprickor och framför allt skiktet mellan berg och sprutbetong. Vidare testas hypotesen från litteraturstudien och resultaten från laborationsförsök redovisas.När vatten fryser till is sker en 9 % volymsutvidgning och denna expansion kan orsaka att ett tryck uppstår mot det omgivande materialet. Det omgivande materialet kommer att utsättas för brott om trycket från isen överstiger materialets draghållfasthet eller vidhäftningshållfasthet i skiktet mellan berg och sprutbetong. Storleken på skadan är bland annat beroende av materialets vattenmättnad. Ett delvis vattenmättat material kan klara sig från brott, trots att dess draghållfasthet är låg, genom att expansionen av isen och omfördelning av porvatten kan ske i de porer som från början var fyllda med luft. Ett helt vattenmättat material ger istället efter för frostsprängningen oberoende av sin draghållfasthet, på grund av att materialet inte har något fritt utrymme som kan ta upp expansionen.Det är inte bara isens volymsutvidgningen som orsakar frostsprängning. Forskning visar att om berg har tillgång till fritt vatten under nedkylningen sker en process som liknar den i jord, där vatten vandrar fram mot frysfronten och bildar islinser. På ett liknande sätt vandrar vatten i berg och orsakar tillväxt av isskikt i exempelvis en por eller spricka, vilket kan orsaka att istrycket ökar. Vattenvandringen sker på grund av att det finns en tunn vattenfilm av adsorberat vatten längs mineralkornens ytor och i denna vattenfilm finns möjlighet för vatten att vandra mot frysfronten. Experimentellt arbete har visat att en betydande del av det adsorberade vattnet förblir ofruset vid negativa temperaturer, inte bara i jord utan även i berg och detta möjliggör vattenvandringen.Vattenvandring och istillväxt är inte bara beroende av tillgången till vatten och frystemperatur, utan även av fryshastighet och varaktighet av köldgrader. Om berg och sprutbetong utsätts för snabb nedkylning minskar vattenfilmens tjocklek och vattenvandringen förhindras, vilket begränsar frostsprängningen av materialet. Om istället berget kyls ned långsamt, tillåts vattenvandringen att ske under en längre period, vilket kan resultera i större frostsprängning. I de utförda fältundersökningarna visade det sig att varaktigheten och förändring av frysperioderna var av stor vikt för tillväxten av isformationer. Om frysperioden hade lång varaktighet frös vissa av sprickorna och läckagepunkterna. Om läckagen istället utsattes för kortare perioder av frysning och tining frös aldrig sprickorna och vatten fortsatte att läcka med växande isformationer som följd. För kalla områden, som i de norra delarna av Sverige, uppstår dessa problem även långt in i tunnlarna. Problemen uppstår på grund av att läckagevatten transporterar fram värme från bergmassan till den kalla tunnelytan. Värmen från läckagevattnet håller bergmassan kring spricköppningen ofrusen trots att tunnelluften är kall. Därför fortsätter sprickan att föra fram vatten med konsekvensen att det bildas is när vattnet väl kommer ut i den kalla tunnelluften. En annan erfarenhet från fältundersökningarna var att utfallen av berg och sprutbetong ofta förekom i sektioner som hade problem med vattenläckage.Resultaten från laborationsförsöken utförda i det här licentiatprojektet visar också att vatten i kombination med negativa temperaturer kan orsaka nedbrytningsproblem. De utförda dragtesterna visade att vidhäftnings-hållfastheten minskar med ungefär 50 % när sprutbetong/bergproverna hade utsatts för frysning. Vidare visade mätningarna av akustisk emission (AE) att fler AE-händelser skedde när sprutbetong/bergproverna hade tillgång till vatten under frysningen. Litteraturstudien, fältundersökningarna i järnvägstunnlarna och laborationsförsöken pekar på att tillgången på vatten under frysning kan orsaka skador på skiktet mellan berg och sprutbetong. Detta bekräftar hypotesen att utfall av berg och sprutbetong kan uppstå på grund av att istryck i en spricka eller i skiktet mellan berg och sprutbetong överskrider draghållfastheten för materialet eller vidhäftningshållfastheten mellan berg och sprutbetong. En sak som laborationsförsöken inte kunde ge ett bra svar på var ifall utfallen kunde ske på grund av spridning av en liten yta som redan från början hade dålig vidhäftning runt en spricköppning. Men försöken visade att det förekom mycket aktivitet under frysningen i de områden som preparerats med dålig vidhäftning. Så det verkar som att små områden med dålig vidhäftning kan påverkar försämringen av vidhäftningen mellan berg och sprutbetong.
Bibliographical Information:

Advisor:

School:Luleå tekniska universitet

School Location:Sweden

Source Type:Master's Thesis

Keywords:

ISBN:978-91-86233-31-0

Date of Publication:01/01/2009

© 2009 OpenThesis.org. All Rights Reserved.