Rel. n
•ÜCD Rapportnr. CL 77/53 METINGEN VAN DE STERKTE VAN DETECTIELUSSEN T.B.V. RIJKSWATERSTAAT door J.L. den Otter J.L.B, de Groot
centraal laboratorium tno schoemakerstraat 97 - postbus 217 - delft - telefoon 015-569330 - telex 31453
centraal laboratorium tno delft Rapport
Titel
Rapportnr. : CL 77/53 Opdrachtnr.: 6428 Datum : 11-05-1977
METINGEN VAN DE STERKTE VAN DETECTIELUSSEN T.B.V.
RIJKSWATERSTAAT
Opdrachtgever
Technisch Physische Dienst TNO-TH
D e l f t
Auteurs
: J.L. den Otter J.L.B, de Groot
Inhoud
: SAMENVATTING 1. INLEIDING 2. BEPALING VAN DE KWALITEIT VAN DE KABELS DOOR DE FABRIKANT
3. CHEMISCHE EN THERMISCHE BESTENDIGHEID 4. MECHANISCHE STERKTE
5. DISCUSSIE CONCLUSIES
mk
Werkzaamheden ten behoeve van opdrachtgevers worden slechts uitgevoerd op voorwaarde, dat de opdrachtgever afstand doet van ieder recht op aansprakelijkstelling en zich verplicht tot vrijwaring voor iedere aansprakelijkheid jegens derden, een en ander behalve indien en voor zover grove schuld en/of opzet wordt aangetoond. Dit rapport mag slechts woordelijk en m zijn geheel worden gepubliceerd; voor reclame alleen na schriftelijke toestemming.
CENTRAAL LABORATORIUM TNO - DELFT
Rapportnr. CL 77/53
Blz. l
SAMENVATTING
Metingen van de chemische, thermische en mechanische stabiliteit werden verricht aan 5 typen kabels bestemd voor detectielussen. Alle kabels hadden tot circa 170°C een redelijke chemische en thermische stabiliteit; het onderzoek werd daarom geconcentreerd op de mechanische sterkte. Omdat het niet mogelijk was informatie over de krachten in het wegdek te verkrijgen, werd het onderzoek
gericht op een vergelijking tussen de verschillende kabels. Bij lage temperatuur is kabel D (met klein verschil) de beste, bij temperaturen boven 150°C kabel C. Kabel C heeft echter een zeer
grote spreiding in sterkte. Omdat voor het gebruik de (onbekende) minimale waarde bepalend is, heeft het gebruik van deze kabel dus grote nadelen. Bij hoge temperatuur, 100-250°C, neemt de sterkte van alle polymere ommantelingen sterk af, zodat bij toepassing van de combinatie van grote belasting en hoge temperatuur
vermoedelijk gewapende
draden gebruikt moeten worden.
Waarschijnlijk ligt het knelpunt bij de toepassing van de draden
in de legprocedure, waarbij deze combinatie van omstandigheden (hoge temperatuur en grote krachten) kan voorkomen.
CENTRAAL LABORATORIUM TNO - DELFT
Rapportnr. CL 77/53
Blz. 2
l . INLEIDING
Voor het meten van diverse parameters van het verkeer worden detectielussen in het wegdek van het Rijkswegennet gebruikt. Deze detectielussen bestaan uit buigzame kabels met koperen kern en een isolerende kabelommanteling, die in sleuven in het wegdek gelegd worden. Deze sleuven (van circa 5 cm diepte en een breedte van 4-6 mirOworden met diamantzagen aangebracht; de draden worden daarin gelegd en met houten pennen vastgezet. Tenslotte wordt de kabel ingegoten met een gietmassa, die net
als het wegdek uit een asfaltproduct bestaat. De temperatuur van inbrengen van deze gietmassa is circa 180°C, zodat de meetlus korte tijd op een vrij hoge temperatuur
verhit wordt. Bovendien volgt de meetlus later de temperatuur-
schommelingen van het wegdek, die naar schatting variëren van -20°C tot
+90°C, over een jaar. De gewenste levensduur van de lussen is circa 5 jaren (de gebruiksduur van
de toplaag van het wegdek). In de praktijk blijken enkele lussen een kortere levensduur te hebben; bij opgegraven draden bleek veelal de isolatie bezweken te zijn; de koperen kern komt dan in aanraking met het wegdek. Ons onderzoek aan de draden betreft de mogelijke oorzaken van beschadiging van deze kabels, waarbij we ons geconcentreerd hebben op de mechanische en de chemische aantasting van de kabels onder omstandigheden die lijken op
de gebruiksomstandigheden. In het kader van de opdracht werden bezoeken gebracht aan de Technisch Physische Dienst TNO-TH en Draka-kabelfabrieken en telefonisch contact opgenomen met het Rijkswegenbouw Laboratorium en de kabelleveranciers. Bij het Rijkswegenbouw Laboratorium werd geïnformeerd naar de krachten, die
bij normaal gebruik in het wegdek optreden, bijv. door deformatie van het wegdek t.g.v. verzakkingen. Het bleek dat hierover geen informatie beschik-
baar was, zodat over een zeer belangrijk punt van het onderzoek, nl. de grootte van de belasting gedurende het gebruik van de detectielussen, gegevens ontbreken. Als gevolg hiervan was het noodzakelijk het onderzoek te
richten op het vergelijken van de sterkte van de kabels als functie van de temperatuur.
CENTRAAL LABORATORIUM TNO - DELFT
Rapportnr. CL 77/53
Blz. 3
De mechanische en chemische bestendigheid van de kabelommanteling moet voldoende zijn. Een belangrijke rol hierbij speelt ook de variabiliteit, d.w.z. de variatie van de sterkte langs de draad. Het is namelijk duidelijk, dat
bij gebruik de zwakste plaats in de draden de kwaliteit bepaalt. De variatie in eigenschappen is dus mede in ons onderzoekprogramma bekeken.
Bij gebruik van polymere materialen als kabelommanteling is het duidelijk dat deze bij hoge temperaturen geen grote krachten kan doorstaan. Daar de hoge temperaturen (> 150°C) alleen kunnen voorkomen bij het leggen door
aanbrenging van de gietmassa, moet de legprocedure zodanig gekozen worden dat onder deze omstandigheden geen grote krachten voorkomen. Wij hebben daarom bij de mechanische beproeving de nadruk gelegd op metingen bij de
lagere temperaturen, tot 150°C. Gegevens over de onderzochte kabels worden gegeven in Tabel l.
Tabel I : Onderzochte kabel aard ontmanteling
leverancier
2,6
weekgemaakt PVC
onbekend
1,4
2,7
PVA rubber
Draka Amsterdam
1,4
2,25
Jobarko "teflon"* (vermoedelijk FEP) Zoetermeer
Aanduiding
aantal aders
diameter kern mm
totale diameter kabel, mm
A
1
1,4
B
1
C
ca 30
D
7
1,4
2,5
"gecrosslinked" PE (Hoechst)
Fa. v. d. Hof Zwijndrecht
E
KA1)
1,7
3,7
EPDM rubber (Keltan)
DSM Geleen
* geen materiaalgegevens van de fabrikant beschikbaar. Met uitzondering van type E hebben de kabels een koperen kern.
CENTRAAL LABORATORIUM TNO - DELFT
Rapportnr. CL 77/53
Blz. 4
2. BEPALING VAN DE KWALITEIT VAN DE KABELS DOOR DE FABRIKANT Door de fabrikant worden vrijwel uitsluitend metingen gedaan die ontwik-
keld zijn voor het beproeven van polymeren in het algemeen; er zijn geen
mechanische beproevingsmethoden die specifiek zijn voor kabelommanteling. Voorbeelden van zulke metingen zijn:
trekproeven ISO/R527-1967 aan halters; taaiheid (slagsterkte) ISO/R179-1961; hardheidsproeven volgens Shore of Rockwell ISO/R868-1968. Deze proeven geven nuttige informatie over de kwaliteit van de kabelom-
manteling, maar niet over het onderhavige probleem van de mechanische bestendigheid van meetlussen. In de literatuur (ASTM normen, DIN normen, C. Brinkman:"Die Isolierstoffe der Elektrotechnik", Springer 1975) worden een groot aantal beproevingsmethoden voor kabelommantelingen aangegeven. Verrassend hierbij is, dat, met uitzondering van een proef op de flexibiliteit van de ommanteling er geen specifieke kabelproeven zijn. De beproevingen zijn de voor polymeren gebruikelijke methoden zoals treksterkte, rek bij breuk, slagsterkte enz.
De enige proef die relatie heeft met ons probleem zijn de hardheden volgens Shore of Rockwell, waarbij de indrukking onder belasting van een stift
of een kogel gemeten wordt. Deze beproevingsmethode is voor ons probleem niet te gebruiken, zodat door ons een nieuwe testmethode werd ontwikkeld,
waarbij de praktijkomstandigheden beter worden nagebootst.
CENTRAAL LABORATORIUM TNO - DELFT
Rapportnr. CL 77/53
Blz. 5
3. CHEMISCHE EN THERMISCHE BESTENDIGHEID Als eerste punt werd onderzocht of een temperatuurbehandeling
of bewaren
in aceton (voorbeeld van agressief milieu) en de gietmassa de kabels zou
beschadigen. Zelfs na 16 uur in aceton bleek de isolatieweerstand van de vier kabels
A, B, C en D meer dan 108 fi/cm te zijn gebleven. Ook twisten
van de kabel (met een spoed van circa l/cm vergeleken met 1/2,5 cm in de
praktijk) en bewaren gedurende 16 uur bij 100°C boven de gietmassa bleek geen invloed op de isolatie van het omhulsel te hebben. Als gevolg van dit negatieve resultaat hebben wij ons geconcentreerd op de mechanische eigenschappen. Een simpele maar slecht gedefinieerde proef voor de mechanische sterkte bij hoge temperatuur bestaat hieruit, dat de kabel in de vloeibare vulmassa bij circa 180°C gedompeld wordt en daarna
over een scherpe rand wordt afgeschoven. Deze proef is slecht te interpreteren, maar bootst wel na wat er gebeurt als de kabel aan grote krachten wordt blootgesteld terwijl de gietmassa erop gegoten wordt. Het resultaat van deze proef was dat kabels A, D en E kapot gingen, maar C (tefIon) niet (B werd hierbij niet beproefd).
Deze proef bevestigt dat de legprocedure zeer belangrijk is en zodanig moet worden aangepast, dat de combinatie van grote belasting en hoge temperatuur niet kan voorkomen.
CENTRAAL LABORATORIUM TNO - DELFT
Rapportnr. CL 77/53
Blz. 6
4. MECHANISCHE STERKTE
Een groot probleem bij het aanbrengen van de belasting wordt gegeven door de kromming van het oppervlak van de kabel. Dit kan worden opgelost door een belasting loodrecht op de lengte te kiezen.
Figuur l geeft een schets van de door ons ontwikkelde apparatuur. De kabel a wordt, liggend op een vlakke messing plaat b, belast met een metaaldraad c (0,5 tot l mm diameter) door het gewicht g via een hefboom met een overbrengingsfaktor van 2. Gewichten van 0,5 tot 5 kg werden gebruikt, deze geven een belasting op de kabelommanteling van circa 100 tot 1000 bar, (l bar = l O 5 N/m2).
Contragewicht
Frame
Fïg. l
Apparaat voor de bepaling van de levensduur van de omnantelin>j, zie tekst.
CENTRAAL LABORATORIUM TNO - DELFT
Rapportnr. CL 77/53
Blz. 7
De kern van de te meten kabel en de draad c zijn verbonden met een voeding
van 15 V via een zener-diode. Zodra de kabelommantel ing bezwijkt en kort-
sluiting optreedt wordt de zener-spanning op een schrijver geregistreerd, op deze wijze kan de levensduur van de kabel automatisch gemeten worden.
De gehele meetopstelling bevindt zich in een oven, die op temperaturen van 20 tot 200°C geregeld kan worden; de hoogste meettemperatuur was 170°C. De meetresultaten kunnen verschillend worden weergegeven; de meest voor de hand liggende wijze is het uitzetten van de levensduur tegen de belasting op een dubbellogarithmische schaal. Omdat de kabels A en B bij oriënterende proeven al een zeer lage mechanische sterkte toonden, werden de metingen voortgezet met uitsluitend de kabels C, D en E (zie tabel 1).
In Figuren 2 t/m 4 worden de meetresultaten voor kabels D (gecrosslinked polyetheen), C (teflon) en E (EPDM Keltan van DSM) gegeven. o 22° C A 50° C ° 80 "C v WO ° C
10
Belasting
• 120 °C * 750 °C
(kg)
10
10°
M(f
i/ t l ye kt n
Tijd (min }
W
Fig. 2
10
10
10
10
10
Metingen van de levensduur als functie van de belasting bij^ de kabels met gearosslinked polyetheen ontmanteling bij verschillende temperaturen. Een pijl naar rechts bij^ een meetpunt geeft aan dat de levensduur groter is dan de meettijd, een pijl naar links
geeft aan dat de levensduur kleiner is dan de kortste meettijd "(ca. 5 seconden). Bij 2èO°C en l kg belasting is het effekt oan de vervanging van de meeraderige kern door een massieve kern aangegeven.
Rapportnr. CL 77/53
Blz. 8
In alle gevallen is het verloop zeer vlak, d.w.z. dat de levensduur zeer sterk toeneemt met dalende belasting, de helling is maximaal Vs m het dubbellogarithmische diagram. Bij toenemende temperatuur daalt de sterkte voor alle kabels, maar deze daling is veel sterker voor kabels D en E
dan voor C, waar de temperatuur weinig invloed heeft. Dus is kabel D de beste bij lage temperaturen, maar C de beste bij de hoogste temperaturen. Verder is er bij kabels C en E een zeer grote spreiding in de meetresul-
taten: bij gelijke temperatuur en belasting kan de levensduur tot een faktor 90 variëren. Voor kabel D is deze variatie veel kleiner. Ook vonden we voor kabel C (teflon) dat twee verschillende monsters van de in de praktijk gebruikte kabel zeer sterke verschillen (ook in gemiddelden) gaven.
o 22 °C A 50 °C
• 120 °C * 150 °C
D 80 "C v 100 °C
Belasting (kg)
10'
'°' ~
•—--_ r "< """""T—-*—[«
wo"
_J
1 "
'" 100° —--n ~~£-~ a-.-. i w^
l„
v_»
10
Fig
3
Als Fig. 2 voor kabels met teflon ormanteling. De streeplijn geeft het geschatte verloop bij 80 tot 120°C. Met horizontale lijnen is de breedte van de spreiding in levensduur bij gelijke belasting aangegeven bij 80 en 100°C.
CENTRAAL LABORATORIUM TNO - DELFT
Rapportnr. CL 77/53
o 1213 ] A 7279 \22°C
• 1213 ] - 1219 llOO°C
u 7226 j
• 7226 )
Blz. 9
Belasting (kg)
102
10' *-o
L
.A
7~~
o~^————————————————————-I .
X
-f
A D
~
A-
.A
.Kabel "A" bij 120°C
10°
Kabel "B " b/j 100°C'
——————— ————
• 7/yd (m/n ^ J_———, i ff'
Fig. 4
70°
70'
70'
/O'
l 'O*
Als Fig. 2 voor kabels met Keltan (KPDM rubber) ommantelinjen met afnemende vulcanisatiegraad (1213, 1219, 1226). De 1213 en 1219
rubbers hebben vrijwel gelijke mechanische sterkten, rubber 1226 (met de laagste vulcanisatiegraad) is aanzienlijk zwakker. Ook zijn meetpunten bij 100°C en 2 kg belasting voor kabels A en B aangegeven. In de figuren 2 en 4 zijn de resultaten bij verschillende temperaturen als parallelle lijnen getekend. Door de spreiding in de meetresultaten volgt de parallelliteit niet dwingend uit de metingen, maar deze is naar analo-
gie met andere mechanische metingen aan polymeren wel plausibel.
CENTRAAL LABORATORIUM TNO - DELFT
Rapportnr. CL 77/53
Blz. 10
5. DISCUSSIE
Het is duidelijk dat de combinatie van hoge temperatuur en grote mechani-
sche belasting alleen voor kan komen bij het leggen van de meetlussen, dit zijn de gevaarlijkste ogenblikken voor beschadiging van de meetlussen. Het volgt verder uit de experimenten dat.wanneer gedurende het leggen van de meetlus gezorgd wordt dat de kabel niet onder belasting staat, de uit-
gekozen kabels de te verwachten omstandigheden van maximaal circa 90°C en lage deformatiesnelheden (t.g.v. verzakking van het wegdek) veel gemakkelijker zullen kunnen doorstaan. De hoogste temperaturen van 180°C of meer zijn zo hoog, dat van geen enkele polymere isolatie verwacht kan worden dat veel mechanische sterkte over
blijft. Het sterkst zullen nog kabels op basis van teflon zijn, maar zonder wapening met glasvezel zullen ook deze niet tegen grote krachten bestand zijn. Kabels A en B werden na een kort inleidend onderzoek geëlimineerd op grond van hun lage sterkte, het onderzoek werd voortgezet met kabels C, D en E.
Bij toenemende temperatuur wordt de breukbelasting snel kleiner, behalve voor de "teflon" kabel C waar de temperatuur vrij weinig invloed heeft. Wel vonden we voor deze teflonkabel grote spreiding in de meetresultaten. Het gevolg van de verschillen in temperatuurafhankelijkheid is dat de kabels in verschillende temperatuurgebieden een andere volgorde in levens-
duur kunnen hebben. Zo is de teflonkabel C het beste bij de hoogste temperaturen (vanaf 150°C), terwijl de PE-draad D bij lagere temperaturen het beste is. Het is wel mogelijk een kabel te maken die bij hogere temperatu-
ren nog beter is, bijv. door een hogere crosslink-dichtheid, maar vermoedelijk zal zo'n kabelommanteling dan bros worden bij lagere temperaturen.
CENTRAAL LABORATORIUM TNO - DELFT
Rapportnr. CL 77/53
Blz. 1 1
CONCLUSIES
1. Bij lage temperatuur zijn kabels met een ommanteling van gecrosslinked polyetheen het sterkst; deze hebben een levensduur bij 22°C en 1000 bar van meer dan 2\ uur. De kabels met rubberommanteling zijn zwakker. Bij circa 100°C is de teflonkabel ongeveer even sterk als die met gecrosslinked polyetheen;
bij kamertemperatuur is de sterkte iets lager en bij
de hoogste temperaturen (> 150°C) aanzienlijk hoger. De teflonkabel vertoont zeer grote variaties in sterkte. 2. Beproeving van de kabelommanteling onder gelijktijdige rek is niet mogelijk, omdat bij rek de metalen kern de rekeigenschappen bepaalt. 3. Verrassenderwijs vertoonde - bij eenzelfde ommanteling (D) - een kabel met een massieve kern een marginaal gunstiger sterkte dan een met een veeladerige kern. 4. De legomstandigheden zijn zeer belangrijk, omdat alleen dan gelijktijdig een zeer hoge temperatuur (> 180°C) en grote belasting kunnen optreden. Zonder wapening met glasvezel kan een grote toename in sterkte bij hoge temperatuur
niet gerealiseerd worden. De beste oplossing, voor de onderzochte kabels, is de legprocedure zodanig aan te passen dat grote krachten bij hoge temperaturen vermeden worden. Als dit niet mogelijk is zullen de kabels hieraan aangepast dienen te worden door als ommanteling een liefst met glasvezel versterkt teflon toe te passen. In een prospectus van de firma Isolectra te Rotterdam worden dergelijke kabels genoemd, nadere informatie hierover is aangevraagd maar nog niet ontvangen (29-4-1977) . 5. Volgens opgave van Rijkswaterstaat is uit praktijkproeven gebleken dat een 4-aderige kabel met een aparte ommanteling een betere bescherming tegen beschadiging geeft dan de gebruikte 1-aderige kabels, die veelal beschadigd worden.
Delft, 16 mei 1977 JLdO/JLBdG/mk
