УДК 625.844:69.059.4
Коганзон М.С., Феднер Л.А., Ефимов С.Н., Самохвалов А.Б.
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Предложены рациональные конструкции дорожных одежд с цементобетонными покрытиями и основаниями и показаны их преимущества перед дорожными одеждами нежёсткого типа. Рассмотрены требования к цементам и приведены типичные составы и свойства бетонов для дорожного строительства.
В современных условиях всё большее значение приобретает проблема повышения сроков службы дорожных одежд, так как фактический уровень их транспортно-эксплуатационного состояния во многом предопределяет эффективность функционирования во времени всей сети автомобильных дорог общего пользования и, в первую очередь, федеральных дорог, как наиболее нагруженных движением транспортных средств.
Протяжённость федеральных дорог в Российской Федерации составляет около 8% от общей протяжённости сети дорог общего пользования, но по этим дорогам осуществляется около 50% транспортной работы; протяжённость же дорог с наиболее капитальным цементобетонным покрытием составляет менее 2% от общей протяжённости дорог общего пользования. Фактический срок службы дорожных одежд с цементобетонным покрытием в среднем в 3 раза превышает срок службы дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием.
В соответствие с реализуемой в настоящее время программой «Дороги России XXI века» на период 2001-2020 гг. намечено реконструировать около 80% протяжённости сети федеральных дорог, а также увеличить её протяжённость примерно на 26%. По нашему мнению, имеются реальные возможности в процессе реконструкции федеральных дорог существенно (в несколько раз) повысить уровень работоспособности дорожных одежд за счёт применения более прогрессивных конструктивных и технологических решений и получить экономический эффект, сопоставимый по величине с общими затратами на реконструкцию автомобильных дорог.
При соблюдении требований нормативно-технических документов к проектированию и технологии строительства жёсткие дорожные одежды, включающие цементобетонное покрытие или основание, имеют наиболее высокие сроки службы по сравнению с дорожными одеждами других типов. Для обеспечения долговечности жёсткой дорожной одежды наиболее существенное значение имеет толщина слоя, прочность и коррозионная стойкость бетона дорожного покрытия. Важную роль играет также уровень проектной надёжности и расчётное значение коэффициента прочности покрытия на растяжение при изгибе. Для дорог I и II категорий уровень проектной надёжности должен быть не ниже 0,98, а коэффициент прочности на растяжение при изгибе – 1,22 … 1,16.
Наибольшее расчётное напряжение растяжения при изгибе в плите покрытия со стыковыми соединениями и на упрочнённых основаниях возникает при расположении расчётной нагрузки на внешней полосе наката в середине длины плиты. Условие прочности плиты покрытия состоит в том, чтобы в течение срока службы многократно возникающее в покрытии напряжение растяжения при изгибе от совместного действия транспортной нагрузки и изменения температуры не превысило наименьшую прочность бетона на растяжение при изгибе. При оценке усталости расчёт ведут на суммарный размер движения на конец срока службы покрытия, приведённый к расчётной осевой нагрузке.
Традиционно применяемая в РФ конструкция жёсткой дорожной одежды, включающая монолитное цементобетонное покрытие с поперечными швами, армированными металлическими штырями, имеет определённые недостатки (в частности, разрушение бетона вблизи швов). Недостатки жёстких дорожных одежд могут быть в значительной мере устранены конструктивными мерами, если устраивать жёсткий слой из цементного бетона в виде основания под асфальтобетонные покрытия. При этом целесообразно использовать бетоны с высокими физико-механическими свойствами. Для предотвращения образования отражённых трещин на асфальтобетонном покрытии целесообразно устраивать бесшовные непрерывно армированные цементобетонные основания. В этом случае расход металлической арматуры возрастает по сравнению с монолитным цементобетонным покрытием с 4 до 10 кг/м2. В таком основании (или покрытии) в процессе эксплуатации постепенно возникают расположенные с шагом 10 – 20 м узкие (шириной до 0,1 мм) поперечные трещины, армированные из условий их раскрытия при прохождении автомобильной нагрузки непосредственно над трещиной на ширину не более 0,4 мм. Непрерывно армированное основание перекрывают слоем полимербетона или асфальтобетона минимальной толщины. Толщина непрерывно армированного покрытия на 15-20% меньше толщины монолитного цементобетонного покрытия за счёт применения непрерывной арматуры. В России имеется положительный опыт многолетней (около 30 лет) эксплуатации непрерывно армированных оснований на городских дорогах в Москве. Непрерывное армирование позволяет повысить срок службы цементобетонных покрытий примерно в 2 раза (по сравнению с монолитным цементным бетоном). Весьма значительное увеличение срока службы (более чем в 3 раза) может быть достигнуто также при устройстве асфальтобетонного покрытия, армированного сетками из геосинтетических материалов, на жестком неармированном основании.
Срок службы цементобетонного покрытия в значительной мере зависит от способности бетона сохранять во времени свои строительно-технические свойства и, в первую очередь, прочность и морозостойкость в различных условиях эксплуатации. Свойства бетонной смеси и бетона для дорожного строительства в значительной степени зависят от свойств применяемого вяжущего материала – цемента. Для строительства дорожных одежд необходимо использовать специальные цементы нормированного минералогического и вещественного состава.
Согласно действующему стандарту (ГОСТ 10178-85) при строительстве автомобильных дорог следует применять цемент, изготовленный на основе клинкера нормированного состава с содержанием C3A не более 8% по массе, марок ПЦ 500-Д0-Н, ПЦ 400-Д0-Н, ПЦ 400-Д20-Н, ПЦ 500-Д20-Н. В качестве добавки разрешается использовать только доменный гранулированный шлак в количестве не более 15%; удельная поверхность цемента должна быть не менее 280 м2/кг; начало схватывания должно наступать не ранее, чем через 2 часа после затворения.
В связи с тем, что указанные требования к цементу для дорожного бетона недостаточно полно учитывают особенности конструкций дорожных и аэродромных покрытий и оснований, специфику производства бетонных работ, МАДИ, Союздорнии и фирмой «Цемискон» разработан совместный проект нового стандарта на цементы для дорожного строительства. В нём впервые дана классификация дорожного цемента по назначению, введены требования по водоотделению, ограничения на содержание щелочей, ужесточено требование по содержанию минерала С3А, нормируется показатели прочности на растяжение при изгибе и др. В настоящее время ряд крупных цементных заводов в Европейской части России, на Урале, в Сибири и Приморье выпускают дорожные цементы с требуемыми строительно-техническими свойствами и могут обеспечить цементом для дорожного строительства практически все регионы России. Имеется также значительный объём теоретических, экспериментальных и практических знаний в области технологии строительства дорожных покрытий и оснований из цементного бетона. Наибольшее применение в практике строительства получили технология строительства цементобетонных покрытий и оснований в скользящей опалубке, в рельсформах, а также технология строительства бетонных оснований из укатываемого бетона.
Свойства некоторых выпускаемых российской промышленностью цементов и типичные составы и свойства бетонов, предназначенных для дорожного строительства, приведены в таблице.
Морозостойкость всех представленных составов соответствует марке не ниже F200 по 2 базовому методу ГОСТ 10060-95.
Как видно из приведённых данных, кинетика прочности бетонов следующая:
- при твердении в нормальных условиях прочность при сжатии в возрасте 3 суток составляет 45 … 70%, а в возрасте 7 суток – 70…85% от прочности в возрасте 28 суток; прочность при изгибе составляет в возрасте 7 суток 65…80% от прочности в возрасте 28 суток;
- на 1 сутки после ТВО прочность при сжатии составляет 60 … 70% от прочности в возрасте 28 суток.
Полученные бетоны относятся к классам прочности: на сжатие – В30…В45, на растяжение при изгибе – Вtb4,0 … Btb6,0.
Соотношение прочностей при сжатии и при изгибе, являющееся косвенной характеристикой деформативности бетона, составляет в возрасте 28 суток 8 … 10.
Параметры пористости бетонов, определённых по ГОСТ 12730-78, следующие: полная пористость – 13,8 … 18%, открытая капиллярная пористость – 8,7 … 12,5%, условно-замкнутая пористость – 4,2 … 6,0 %. Показатели однородности размеров открытых капиллярных и их среднего размера a и l находятся, соответственно, в пределах 0,23 … 0,48 и 0,50 … 1,61.
Марка бетонов по водонепроницаемости составляет не ниже W6.
Значения начального модуля упругости при уровне напряжений 0,3 составляют 2,98´104…4,69´104 МПа; деформации усадки в возрасте 180 суток 0,35 … 0,45 мм/м; характеристика ползучести j в возрасте 180 суток 1,2 … 1,8 (испытания по ГОСТ 24452-80, ГОСТ 24544-81).
Таким образом, применение цементов нормированного химико-минералогического и вещественного состава в сочетании с комплексной добавкой С-3 и СНВ (СДО) и созданием оптимальных условий твердения, позволяет получать бетоны, удовлетворяющие требованиям к бетонам для дорожного и других видов транспортного строительства. Эти бетоны обладают высокой морозостойкостью и долговечностью, что позволяет отнести их по мировой классификации к категории «высококачественных».
В настоящее время известна широкая гамма дорожных бетонов, таких, как, например, бетоны повышенной технологичности с оптимальным содержанием щебня, малощебёночные и мелкозернистые бетоны, низкомарочные, высокопрочные и др.
Уровень прочности на растяжение при изгибе высокопрочных бетонов в 1,5 … 2 раза превышает прочность обычных дорожных бетонов и составляет 6-10 МПа и более (классы прочности Btb4,8…Btb8,0 и более).
В высокоморозостойких бетонах существенно минимизирован объём капиллярных, наиболее опасных пор, и обеспечено оптимальное количество условно-замкнутых сферических пор. Вследствие снижения уровня внутренних напряжений в бетоне при воздействии мороза и антигололёдных реагентов (хлорид натрия и др.) удаётся получить дорожные бетоны с гарантированной маркой по морозостойкости F 300 и более. При этом повышается стойкость бетона к «шелушению», истиранию, и обеспечивается прочность кромок швов.
Важное значение для повышения долговечности бетона имеет сохранение требуемого объёма вовлечённого воздуха на всех технологических переделах и защита свежеотформованного покрытия от испарения влаги с применением защитных плёнкообразующих материалов. Подобные материалы разработаны, в частности, в Союздорнии совместно с ВНИИжелезобетона и трестом «Центродорстрой» (группа материалов типа ВСП-Д).
Таким образом, в настоящее время имеются все возможности строить долговечные дорожные одежды с применением цементного бетона, что создаёт необходимые предпосылки для существенного повышения уровня работоспособности дорожной сети.
Библиографический список
- Феднер Л.А., Ефимов С.Н., Самохвалов А.Б. Особенности требований к цементам и бетонам для транспортного строительства //Цемент и его применение. – 1999. — № 5/6. — С. 47-50.
- Blumel O., Schpringenschmid P. Grundlagen und Practis der Herstellung und Uberwachung von Luftporenbeton / Strasse und Tiefban, 24, 1970, № 2.
- Штарк Й. Взаимосвязь между гидратацией цемента и долговечностью бетона // Цемент. Специальный выпуск. «I (9) Международное совещание по химии и технологии цемента» – М., 1996. — С. 39-45.
