УДК 691.328
А.М.Шейнин, С.В.Эккель
ОАО СоюздорНИИ
Цементобетонные покрытия автомобильных дорог и аэродромов являются наиболее долговечным видом покрытий. В России проектный срок службы цементобетонных покрытий составляет 20-25 лет (за рубежом – 40-50 лет), асфальтобетонных 10-15 лет. Поскольку реальный, фактический межремонтный срок службы асфальтобетонных покрытий, по ряду объективных и субъективных причин, намного ниже проектного (составляет по данным Росавтодора, в среднем, 3-5 лет или даже меньше), ещё более актуальным представляется строительство долговечных цементобетонных покрытий.
Часто отказ от строительства именно цементобетонных покрытий объясняют трудностью их ремонта. Однако, во-первых, следует обеспечивать требуемый срок службы покрытия или, по крайней мере, гарантийный срок строительства, для чего необходимо вести должный контроль качества проектирования, строительства и содержания автомобильных дорог. Во-вторых, в настоящее время многие организации предлагают различные варианты ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов (с помощью мастик, сухих ремонтных смесей, полимерных пропиточных составов и пр.).
Наиболее перспективным в настоящее время является дорожный цементный бетон с прочностью на растяжение при изгибе, его расчётной характеристикой, соответствующей по величине классу не ниже Вtb4,8 (марок не ниже Рtb60). Эта величина прочности бетона определяет высокую несущую способность покрытий, их выносливость и трещиностойкость. Такая прочность дорожного бетона обеспечивается при использовании стандартных, выпускаемых отечественной промышленностью материалов за счёт снижения водоцементного отношения до величин 0,28-0,38 и использования комплексных химических добавок (воздухововлекающих добавок и суперпластификаторов). При этом прочность бетона на сжатие соответствует классам не ниже В35 (маркам не ниже М450), что, в свою очередь, определяет высокую износостойкость цементобетонного покрытия, стойкость против скалывания на кромках плит и к истиранию, ударную стойкость, готовность покрытия к нарезке деформационных швов в установленные технологическими правилами сроки, к раннему открытию движения автотранспорта и др. Такие бетоны по современной зарубежной классификации относятся к бетонам с высокими эксплуатационными характеристиками (High Performance Concrete – HPC).
В условиях России главным фактором агрессивного климатического воздействия на дорожный бетон, определяющим долговечность цементобетонных покрытий, является попеременное замораживание-оттаивание в присутствии водных растворов хлористых солей-антиобледенителей. Соответственно, для обеспечения высокой долговечности цементобетонных покрытий наиболее актуально получение бетона надёжной, гарантированной высокой морозостойкости.
Достигнутый в настоящее время уровень развития техники и технологии дорожного строительства позволяет обеспечить высокую долговечность цементобетонных покрытий [1]. Для этого необходимо выполнить комплекс соответствующих мер (таблица).
При этом малоподвижные бетонные смеси, уплотняемые с помощью вибрации (марок П1, Ж1), предпочтительнее с точки зрения морозостойкости, чем высокоподвижные и литые (марок П3-П5) или жёсткие (марки Ж4). Предпочтительнее также бетоны естественного твердения, чем пропаренные. Должны выполняться все предписанные нормативно-технической документацией (СНиП 3.06.03-85, ВСН 139-80 и др.) требования к режиму уплотнения бетонной смеси, к технологии ухода за свежеуложенным дорожным бетоном.
Многолетние обследования состояния монолитных цементобетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов, выполненные СоюздорНИИ, подтверждают, что при соблюдении всех вышеизложенных требований в течение всего срока службы в бетоне отсутствуют признаки морозного разрушения (шелушение, снижение прочности, трещины, отколы и др.), несмотря на активное применение различных химических методов борьбы с зимней скользкостью.
Следует особое внимание обратить на требование к содержанию вовлечённого воздуха в бетонной смеси для высокоморозостойкого дорожного бетона (бетона покрытий автомобильных дорог и аэродромов). Нормируемый объём вовлечённого и диспергированного (до размера пузырьков не более 200-300 мкм.) с помощью воздухововлекающих добавок (типа СНВ) воздуха в бетонной смеси необходим именно для обеспечения высокой морозостойкости бетона в присутствии хлористых солей-антиобледенителей.
По известной «гидравлической» теории, предложенной Пауэрсом почти 50 лет назад, бетон при циклическом замораживании разрушается под воздействием движущейся под большим давлением незамерзающей в «узких» капиллярах воды в сторону от замёрзших участков в «широких» капиллярах цементного камня. Равномерно распределённые воздушные пузырьки служат резервуаром, куда при замораживании отжимается движущаяся по капиллярам вода, что позволяет снять возникающие в цементном камне напряжения. Кроме того, при использовании воздухововлекающей добавки бетон становится более деформативным и трещиностойким, что также позволяет успешно выдерживать циклическое воздействие замораживания-оттаивания. При использовании солей-антиобледенителей повышается вязкость незамерзающей воды в цементном камне (по предположению А.М.Подвального), в результате чего величина возникающих при замораживании напряжений возрастает и ещё более актуальной становится необходимость защиты бетона от попеременного замораживания-оттаивания с помощью вовлечённого воздуха.
Пузырьки вовлечённого воздуха одновременно ослабляют структуру бетона и снижают его прочность. По нашим данным, увеличение объёма вовлечённого в бетонную смесь воздуха на 1% приводит к снижению прочности бетона на растяжение при изгибе, в среднем, на 2,5%, а на сжатие — на 6%. Соответственно, при обеспечении нормированного воздухововлечения (5% в бетонной смеси для бетона покрытий по ГОСТ 26633-91), прочность бетона на сжатие уменьшится на 30% по сравнению с бетоном без вовлечённого воздуха.
Необходимо подчеркнуть, что качество дорожного бетона и проектируемый срок службы покрытия (конструкции, изделия) обеспечивается не достижением каких-либо одного-двух его проектных показателей, например, прочности и морозостойкости, как самых важных, но соблюдением всех требований к материалам, составу бетона, свойствам бетонной смеси и технологии работ, установленных в нормативно-технических документах. Т.е., качество дорожного бетона обеспечивает только соблюдение всей системы нормативных требований.
Все эти требования взаимно дополняют, но не заменяют друг друга. Достижение проектной марки бетона по морозостойкости является необходимым, но недостаточным условием обеспечения нормативного срока службы покрытия — конечной цели проектирования и строительства. И не означает, что можно ослабить другие требования, требования к составу бетона, к качеству применяемых материалов, к технологии работ, ко всему, что относится к так называемой первичной защите бетона от внешних воздействий. Чаще всего на практике ревизии подвергается норма содержания вовлечённого воздуха в бетонной смеси (на месте укладки бетона), соблюдение которой требует определённой культуры производства и налаженной работы службы контроля качества.
Применение бетонных смесей с относительно низким водоцементным отношением для получения высокопрочных бетонов – известный технологический приём, ставший эффективным в широких масштабах за счёт использования добавок-суперпластификаторов.
При использовании суперпластификаторов, при умеренных расходах портландцемента, 400-500 кг/м3 (марки ПЦ 500-Д0-Н), реально, используя принятые технологии бетонных работ, получение высокопрочных бетонов с вовлечённым воздухом (бетонов дорожных покрытий) марок по прочности (на растяжение при изгибе/на сжатие) Рtb60/М450 – Рtb75/М600. Рис.1,2 иллюстрируют это для дорожного бетона с 5% вовлечённого воздуха в бетонной смеси, приготовленного на портландцементе марки ПЦ 500, гранитном щебне и кварцево-полевошпатовом песке. Здесь К – величина достоверности аппроксимации.
Из многочисленных видов добавок-суперпластификаторов, исследованных у нас в стране в 1980-1990-ые годы различными научно-исследовательскими институтами и лабораториями, наиболее доступным и освоенным отечественной химической промышленностью и строительным производством оказался суперпластификатор С-3. Суперпластификатор С-3 представляет собой водорастворимый сульфированный продукт на нафталинформальдегидной основе. В состав С-3 входит также некоторое количество пластификатора ЛСТ (технических лигносульфонатов) и сульфата натрия. Добавка С-3 выпускается в жидком виде, в виде водного раствора 33-39% концентрации, и в порошкообразном (выпуск С-3 в виде порошка освоен на Новомосковском заводе «Оргсинтез»). Порошок С-3 хорошо растворяется в воде, не требует для растворения подогрева. Поставляется в мешках различной ёмкости.
В СССР добавка С-3 выпускалась на 11 заводах-изготовителях. В настоящее время С-3 выпускают в России на 4 заводах, в г.г. Новомосковск, Россошь, Владимир, Первоуральск. Добавка С-3 остаётся сегодня самой эффективной отечественной пластифицирующей добавкой в цементные бетоны, сравнимой с зарубежными аналогами («Мельмент», «Майти», «Мапей», «Woerment» и др.).
Принцип действия добавки С-3 в бетоне, как и других пластификаторов, основывается на ослаблении коагуляционного взаимодействия новообразований в цементном тесте в первые минуты (часы) после затворения сухих составляющих бетонной смеси водой, на пептизирующем (диспергирующем) действии добавки в цементных системах. Добавки-суперпластификаторы, в отличие от обычных пластифицирующих добавок типа ЛСТ, можно применять в более высоких дозировках (в 2-5 раз), не опасаясь каких-либо отрицательных побочных действий на бетон, что является основой их более высокой эффективности.
Применение тонкомолотых (с удельной поверхностью 4500-5000 см2/г) многокомпонентных цементов (ТМЦ) или вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) – ещё один способ повысить прочность бетона. Как показали проведенные в СоюздорНИИ исследования, применение ТМЦ и ВНВ взамен портландцемента марки ПЦ 500 позволяет повысить прочность дорожного бетона ещё, в среднем, на марку, и по сжатию, и по растяжению при изгибе. Однако их практическое использование в дорожном бетоне оказалось нерентабельным из-за высоких затрат на дополнительный помол цементного клинкера.
Кроме того, проведённые исследования выявили случаи снижения морозостойкости дорожного бетона при использовании таких вяжущих, несмотря на высокие абсолютные значения прочности бетона и использование воздухововлекающих добавок. Вероятно, повышение тонкости помола цемента выше определённой, оптимальной, величины отрицательно отражается на долговечности, в частности, на морозостойкости дорожного бетона. Этот вопрос требует дополнительного изучения, хотя указанную опасность, сопровождающую повышение дисперсности вяжущих и снижение клинкерного фонда в зрелом бетоне, отмечали ещё С.В. Шестопёров, А.Е. Шейкин и др. авторы. Также дополнительного изучения требует качество и режимы перемешивание бетонных смесей с использованием тонкомолотых вяжущих и воздухововлекающих добавок.
Подобные проблемы возникают и при использовании в дорожном бетоне высокодисперсных минеральных добавок, обладающих уплотняющим цементный камень действием и «пуццолановым» эффектом, повышающим степень гидратации цемента, таких, как золы-уноса (отход, попутный продукт работы теплоэлектростанций) и микрокремнезём («белая сажа», отход, попутный продукт ферросплавного производства).
При использовании микрокремнезёма (порядка 10% массы цемента) по существующей технологии легко можно получить бетоны марок по прочности на сжатие М600-М800 и марок Рtb70-Рtb80 по прочности на растяжение при изгибе или снизить расход портландцемента в бетоне на 80-120 кг/м3. Другими словами, за счёт применения микрокремнезёма можно повысить прочность бетона, в среднем, на 20% или на столько же снизить расход портландцемента в бетоне. В то же время, проведенные исследования выявили случаи заметного снижения морозостойкости дорожных бетонов при введении в их состав микрокремнезёма (2). При этом, указанное снижение морозостойкости происходит, несмотря на получаемую высокую прочность, низкую капиллярную пористость и существенную величину условно-закрытой пористости бетона, на наличие воздухововлекающей добавки и требуемого объёма вовлечённого воздуха в бетонной смеси. Вопрос эффективного применения микрокремнезёма в дорожном бетоне с точки зрения его морозостойкости в присутствии хлорида натрия требует дальнейшего изучения.
В последние годы появились предложения повысить водонепроницаемость, коррозионную стойкость и морозостойкость дорожного бетона с помощью «вторичной» защиты его поверхности. В качестве «вторичной» защиты предлагаются различные пропиточные составы на основе акриловых и эпоксидных смол, метилметакрилата, силиконовых композиций. Действительно, как показали проведённые исследования, легко с помощью пропитки бетона указанными составами снизить его водопоглощение до 0,1-0,2% (по массе), и, как правило, обеспечить стойкость поверхностных слоёв (глубиной пропитки 3-5 мм.) к шелушению при совместном действии мороза и хлористых солей-антиобледенителей (3).
Одновременно, «вторичная» защита достаточно морозостойкого дорожного бетона (бетона, состав и технология приготовления которого соответствует требованиям, указанным выше, в таблице) не повышает далее (дополнительно) его морозостойкость в присутствие хлористых солей-антиобледенителей по критерию прочности, не защищает от коррозии арматуру, находящуюся в бетоне. Поверхностная «вторичная» защита не повышает морозостойкость и недостаточно морозостойкого бетона. Под действием мороза и солей-антиобледенителей бетон в объёме конструкции может разрушаться под слоем (под коркой) материалов вторичной защиты.
В ряде случаев, не «вторичная» поверхностная защита, но глубокая, на всю толщину, пропитка неморозостойкого бетона полимером, которая, практически, превратила бетон в бетонополимер (при лакоёмкости бетона более 4% по массе), смогла повысить его морозостойкость.
В этой связи, морозостойкость дорожного бетона следует всегда обеспечивать мерами «первичной» защиты, включающими в себя обоснованный выбор состава бетона и технологии бетонных работ, требуемый контроль качества строительства.
Важно подчеркнуть, что получение на практике высокопрочного и высокоморозостойкого бетона и отмеченные выше преимущества цементобетонных покрытий автомобильных дорог в сравнении с асфальтобетонными (больший фактический и проектный срок службы, меньшие эксплуатационные и приведенные затраты, в частности, меньший расход топлива и др.), реализуются только при обеспечении требуемого качества строительства.
В общей проблеме обеспечения качества монолитного дорожного бетона с вовлечённым воздухом особое место занимают принципы применения статистических методов контроля прочности товарного бетона, когда готовая бетонная смесь транспортируется определённое время от завода-изготовителя к месту укладки бетона, и обеспечение сохраняемости свойств такой смеси. Очевидно, что все требуемые (правилами производства работ) свойства бетонной смеси должны обеспечиваться именно на месте укладки бетона.
Если не принимать специальных мер, бетонная смесь и бетон на стройплощадке могут существенно отличаться по качеству от смеси и бетона на цементобетонном заводе (ЦБЗ). Главным образом, это касается показателя удобоукладываемости (подвижности, жёсткости) и объёма вовлечённого воздуха из-за влияния времени и условий транспортирования бетонной смеси. Соответственно будут отличаться величины прочности и морозостойкости бетона. Для того, чтобы производитель бетонной смеси на ЦБЗ обеспечивал сохраняемость свойств бетонной смеси, необходимо оговаривать это специально потребителем (например, в техническом задании на подбор данного состава бетона, в договоре поставки или в иных документах). Более того, чтобы завод–изготовитель товарной бетонной смеси мог обеспечивать и отвечать за качество смеси на месте укладки бетона, он должен заранее быть готов к этому, должен предусмотреть соответствующие конкретным условиям строительства, условиям транспортирования, изменения в составе бетона на стадии его подбора (по ГОСТ 27006-86) по заданию потребителя. Например, должен предусмотреть большее содержание воды и цемента в бетоне, больший расход добавок, пластифицирующих и воздухововлекающих.
В общем случае, должна меняться и цена бетона: чем дольше транспортирование бетонной смеси – тем больше затрат на сохранение её свойств.
Важно отметить, что бетон на стройплощадке, в силу более низкой, как правило, однородности, должен иметь, в отличие от бетона на ЦБЗ, более высокую величину среднего уровня прочности, Rу, более высокую величину требуемой прочности, Rт, и соответственно подобранный состав. Необходимы технические решения, принимаемые на стадии подбора состава бетона или на стадии заключения договора на его поставку, направленные на учёт фактической однородности прочности дорожного бетона на стройплощадке. Например, при использовании статистических методов контроля прочности монолитного дорожного бетона, шагом вперёд в обеспечении его качества на стройплощадке будет назначение заранее величин Rу=Rт=1,41Внорм., соответствующих обычно принимаемому межпартионному коэффициенту вариации прочности бетона 13,5% и коэффициенту запаса 1,1 (ГОСТ 18105-86, п.4.1, п.4.4).
Возможно, положения ГОСТ 18105-86, ГОСТ 7473-94, ГОСТ 27006-86 следует пересмотреть для монолитных бетонных сооружений, особенно для бетона с вовлечённым воздухом.
Любая корректировка состава дорожного бетона должна производиться с учётом безусловного обеспечения его морозостойкости. При этом, наиболее достоверная информация о морозостойкости монолитного бетона в конструкции может быть получена при испытании на морозостойкость образцов бетона, формуемых на стройплощадке и твердеющих в условиях конструкции до достижения проектной прочности.
Выборочный контроль морозостойкости бетона дорожно-транспортных сооружений, проводимый Союздорнии, показал, что, как правило, на ЦБЗ (по образцам, отформованным и твердеющим в нормальных условиях) все показатели качества бетона, его прочность и морозостойкость, соответствуют предъявляемым проектом требованиям. В то же время часто образцы, отформованные и твердевшие в условиях стройплощадки, и керны, отобранные из конструкции, не выдерживают испытание на морозостойкость.
Это несовпадение результатов контроля качества бетона на ЦБЗ и на стройплощадке можно объяснить недостатками приёмочного контроля бетонной смеси, отсутствием отбраковки бетонной смеси на месте укладки при несоответствии её характеристик требуемым величинам. Главным образом, отсутствует выбраковка бетонной смеси по фактическому содержанию в ней вовлечённого воздуха, объём которого должен составлять 5-7% на месте укладки бетона, о чём говорилось выше. В связи с этим, представляется необходимым на стройплощадке вести приёмку и выбраковку бетонной смеси, в том числе, помашинно, не только по показателям её удобоукладываемости и плотности, но также по содержанию вовлечённого воздуха.
Следует особо подчеркнуть, что марка бетона по морозостойкости – это минимальный, проверочный критерий долговечности дорожного бетона. При определении марки бетона по морозостойкости (по ГОСТ 10060-95) бетон не доводится в обязательном порядке до критерия разрушения, как при испытании на прочность. Марка бетона на морозостойкость не связана однозначно со сроком службы покрытия (изделия). Нельзя утверждать, что бетон, соответствующий марке F300, прослужит дольше, и тем более, в два раза дольше, чем бетон марки F150. По нашему мнению, долговечность новых материалов и технологий, пересмотр существующих норм и т.п. должны обосновываться проведением сравнительных испытаний бетонов на морозостойкость при доведении их до разрушения, по крайней мере, до величины критериев морозостойкости по ГОСТ 10060-95, а не до конкретного числа циклов (например, 100 или 200). В этом случае испытание на морозостойкость, как и испытание на прочность, может характеризовать пределы стойкости бетона как материала. Иными словами, когда предполагается сравнить новый состав бетона (вариант технологии и т.п.) с наилучшим или типичным существующим, то сравнивать морозостойкость бетонов следует на основе сопоставления кинетики изменения прочности и массы бетонов при испытании. При этом испытание на морозостойкость следует проводить вплоть до полного разрушения (величина критерия в 5-10 раз больше, чем по ГОСТ 10060-95) сравниваемых бетонов, иначе не удастся получить данные о кинетике изменения их прочности и массы. Если же довести до разрушения бетоны не удаётся, то следует или ужесточить режим испытания (например, понизить температуру замораживания с минус 200С до минус 500С), или увеличить количество циклов при испытании (например, с 200-300 до 500-1000 циклов).
Именно такие исследования (испытания) дорожного бетона должны быть проведены в случаях, когда действующие стандарты допускают отклонение от представленных в них нормативных требований к качеству, предписывая проведение соответствующих обосновывающих исследований. При этом в стандартах не определено, как проводить те или иные указанные исследования, что на практике позволяет вместо исследований ограничиваться определением только проектной марки бетона на прочность и морозостойкость, что недостаточно для оценки долговечности дорожного бетона (срока службы покрытия или основания и др.).
Случаи необходимости проведения подобных исследований достаточно распространены. Например, ГОСТ 26633-91, п.1.6.2 допускает отклонение характеристик крупного и мелкого заполнителей от нормируемых величин при проведении обосновывающих исследований в бетонах. ГОСТ 10178-85 п.1.13 допускает применение технологических добавок в цементе (типа триэтаноламина и др.) также при подтверждении отсутствия отрицательных последствий в бетоне. Такие же исследования должны быть проведены при использовании в дорожном бетоне природных песков второго класса вместо первого по ГОСТ 8736-93, при изучении морозостойкости дорожного бетона (покрытий, бортового камня и пр.) из жёстких бетонных смесей без воздухововлекающих или газообразующих добавок, при обосновании необходимости вторичной защиты бетона и в других аналогичных случаях.
Библиографический список
1. Шейнин А.М., Эккель С.В. Высокопрочный бетон для дорожных и аэродромных покрытий // Бетон и железобетон.-1998.- №6.- с.7-9.
2. Шейнин А.М., Эккель С.В. Использование микрокремнезёма в дорожном бетоне // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2005. — №2.-с.28-33.
3. Шейнин А.М., Эккель С.В. Эффективность вторичной защиты дорожного бетона // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2004. — №1.- с.19-23.
