Литые бетонные смеси для дорожных покрытий

Игенов Ердос Еркинович

магистрант, Архитектурно-строительный факультет,

Евразийский Национальный Университет им. Л.Н. Гумилева,

Республика Казахстан, г. Астана

Е-mail: wiippee@mail.ru

Имамбаева Райхан Сальтайевна

научный руководитель, к.т.н., Университет Астана,

Республика Казахстан, г. Астана

 

Понятие “литые бетонные смеси” (ЛБС) появилось в начале 70-80-х годов, когда стали применяться сначала пластифицирующие, а потом и суперпластифицирующие химические добавки, воздействующие на цемент и позволяющие резко разжижать бетонную смесь до литой консистенции. Такие смеси нашли свое применение в густоармированных, тонкостенных и в труднодоступных элементах конструкций. А с использованием бетононасосов, получила свое развитие бетононасосная технология бетонирования, в частности напорная.

Автомобильные дороги, как правило, состоят из земляного полотна и дорожной одежды. В свою очередь, дорожная одежда включает покрытие, основание и подстилающий слой. Различают дорожные одежды нежесткие (покрытие из крупнозернистого, мелкозернистого асфальтобетона и дегтебетона, из щебеночных, гравийных и других материалов, обработанных вяжущими и т.д.) и жесткие (асфальтобетонные покрытия на основаниях из цементобетона, сборные покрытия из железобетонных и армоцементных плит, монолитные цементобетонные покрытия.

Цементно-бетонные дороги долговечнее асфальтобетона в 5-6 раз, их срок службы может достигать 50 лет и более. Они стойки к агрессивному воздействию среды, обеспечивают высокое сцепление с колесом и отсутствие пыли. Полотно относительно мало истирается (0,1 мм в год), толщина покрытия из него не превышает 16…22 см.

Таким образом, для того чтобы получить эффективные бетонные дорожные покрытия, необходимо создать бетонные смеси, характеризующиеся способностью самоуплотняться без расслояния, обеспечивающиеся бетону заданные значения по прочности при изгибе и сжатии, коррозионной стойкости, морозостойкости и других эксплуатационных свойств.

Ключевые слова: литой бетон, дорожная одежда, СУБ, самоуплотняющиеся бетонные смеси, гиперпластификатор, микрокремнезем, дорожное строительство.

 

В настоящее время социально-экономическое развитие страны во многом сдерживается из-за плохого состояния и низкого уровня развития автомобильных дорог. Значительная часть дорог имеет высокую степень износа и исчерпала свою пропускную способность.

Ни в одном документе планирования строительства дорог не говорится о внедрении каких-либо новых технических решений. Ставку автоматически предлагается делать на асфальтобетон крайне несовершенную технологию, особенно в климатических условиях Казахстана.

Асфальт является, в основном, не жестким покрытием с низкой морозостойкостью, плохо реагирует на жару, страдает ярко выраженной колейностью, работает всего от двух до пяти лет, особенно в условиях нарастания максимальных нагрузок на заднюю ось грузовиков и выходя из строя намного раньше любых гарантийных сроков. Число недоремонтов нарастает. Цена на битум растет вместе с ценой на нефть, на рынке начинает ощущаться его острая нехватка. В бюджетах на строительство уже фигурируют астрономические цифры. Климат, культура управления, коррупция, устаревшие технологии, нарушение технических нормативов и отсутствие технических стандартов все это держит систему в подвешенном состоянии, не давая ей развиваться.

Мировая практика показала, что цементно-бетонные дороги долговечнее асфальтобетона в 5-6 раз, их срок службы может достигать 50 лет и более. Они стойки к агрессивному воздействию среды, обеспечивают высокое сцепление с колесом и отсутствие пыли. Полотно относительно мало истирается (0,1 мм в год), толщина покрытия из него не превышает 1,6-22 см.

Помимо прямых экономических выгод при строительстве, бетонное покрытие дает значительные технико-экономические преимущества при эксплуатации дороги. Кроме того, их прочность и износостойкость позволяют пропускать грузовые автомобили с большим объемом грузов и повышать интенсивность дорожного движения, что приобретает особое значение в контексте транспортных проблем Казахстана.

В статье приведены результаты исследований литых бетонных смесей для доржного строительства («литой бетон»). Получены литые бетонные смеси, способные самоуплотняться, характеризующиеся осадкой конуса 20…26 см без расслоения. Бетоны из этих смесей отличаются новым комплексом свойств, обеспечивающих высокую долговечность бетонным покрытиям, повышенные водонепроницаемость, морозостойкость и сопротивление истиранию. Такие бетоны получены благодаря их модифицированию разработанной комплексной добавкой, состоящей из гиперпластификатора, аморфного и кристаллического кремнезема.

Как и любое инженерное сооружение, дорога по своей конструкции достаточно сложна. В упрощенном виде она выглядит, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Поперечные разрезы типовых дорожных одежд с цементобетонным покрытием, устраиваемых комплектами машин:а— со скользящими

формами; б— с применением рельс-форм; 1— покрытие;2— выравнивающий слой; 3— основание; 4— технологический слой основания;5— земляное полотно

Конструкция дороги включает, как правило: отсыпку грунта с уплотнением верхнего слоя, песчаный подстилающий слой, геотекстиль (геосетка) и слой щебня или малоцементного укатываемого бетона толщиной 30…25 см. Все материалы и действия с ними строго регламентированы строительными нормами и правилами, различными отраслевыми нормативными документами.

Прочный, долговечный, износоустойчивый цементный бетон показал себя с самой лучшей стороны в качестве материала для дорожных оснований и покрытий. Расчеты подтверждают, что применение цементного бетона дает достаточно большую экономию. Устройству бетонного покрытия должна предшествовать подготовка подстилающего слоя и основания. Особенно важным является устройство хорошего дренажа, чтобы при последующей эксплуатации дороги не возникало размытия несвязных слоев дорожной одежды, которое может привести к появлению просадок морозного пучения и, как следствие, дефектам монолита покрытия. Чем лучше будет подготовлен подстилающий слой, тем меньше времени и затрат потребуется на укладку покрытия из литой бетонной смеси. Это особенно важно в той связи, что бетон имеет определенное время твердения, поэтому период, когда он воспринимает активные воздействия с изменением формы, строго ограничен.

По существующей технологии строительства бетонных покрытий применяют малоподвижные, подвижные и литые бетонные смеси в зависимости от технологии укладки и уплотнения. При этом бетонные покрытия могут быть одно- и двухслойными. Верхний слой покрытия должен быть не тоньше 6 см.

Использование бетонных смесей с малой удобоукладываемостью требует применения специального оборудования как для укладки, так и для уплотнения. Эти работы характеризуются высокой энергоемкостью оборудования.

Другие возможности появляются при использовании литых самоуплотняющихся бетонных смесей Self-Compacting Concrete (SCC).

Для достижения высоких эксплуатационных характеристик самоуплотняющихся бетонных смесей и бетонов из них предъявляются очень жесткие требования к исходным материалам. Крупность мелкого заполнителя составляет не более 0,125 мм, причем 70 % из них размером 0,063 мм. Крупный заполнитель обязательно фракционируют по размерам. Также применяют неорганические наполнители с высокой удельной поверхностью, которые увеличивают водоудерживающую способность смеси (белая сажа, молотый асбест, бентониты), повышают ее плотность, способствуют уменьшению капиллярной пористости, повышению прочности и морозостойкости. Самоуплотняющаяся бетонная смесь должна характеризоваться низким водоцементным отношением 0,38...0,4, при этом, обеспечивая высокие показатели удобоукладываемости — 50…70 см по расплыву конуса (более 20 см ОК).

К дорожным бетонам предъявляются особые требования, связанные с условиями их эксплуатации. Поэтому целью наших исследований было получение литых бетонных смесей для устройства дорожных покрытий, способных к самоуплотнению, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства и долговечность.

В наших исследованиях использовали несколько видов портландцемента, характеризующихся нормированным химико-минералогическим составом, но отличающихся активностью. В качестве крупного заполнителя использовали гранитный щебень фракции 3…10 мм, в качестве мелкого — мытый (обогащенный) кварцевый песок максимальной крупностью 0,125 мм (более крупная фракция отсеивалась). Кроме того, применяли тонкодисперсные компоненты, а именно, микрокремнезем, рисовая зола, молотый кварцевый песок. В качестве добавок использовали суперпластификатор С-3 (как наиболее распространенный), гиперпластификатор на основе карбоксилатов (SikaViscoCrete-5 Neu), микроволокно, воздухововлекающую добавку.

Высокоэффективные поликарбоксилатные суперпластификаторы, получившие коммерческое название «гиперпластификаторы», выбраны в связи с тем, что реальные возможности снижения водоцементного отношения (до 40 %) и разжижения бетонной смеси у них значительно выше, чем у традиционных полиметиленнафталинсульфонатов и полиметиленмеламинсульфонатов.

Механизм действия поликарбоксилатногогиперпластификатора заключается в том, что частицы поликарбоксилатов адсорбируются на поверхности цементных зерен и сообщают им отрицательный заряд. В результате цементные зерна взаимно отталкиваются и приводят в движение цементный раствор (рис. 2).

Рис. 2. Механизм действия добавки поликарбоксилата

Механизм действия поликарбоксилатногогиперпластификатора заключается в том, что частицы поликарбоксилатов адсорбируются на поверхности цементных зерен и сообщают им отрицательный заряд. В результате цементные зерна взаимно отталкиваются и приводят в движение цементный раствор (рис. 2).

Нашими исследованиями установлено, что использование комплексной добавки позволило получить бетон с улучшенными характеристиками, а именно, стойкость к истиранию повысилась на 20 %; прочность на сжатие — на 35…50 %, более высокая ранняя прочность при твердении в нормальных условиях, водонепроницаемость увеличилась на 50%, повышенная морозостойкость в солях (до 2 раз выше требуемой).

В результате исследований получены самоуплотняющиеся бетоны с прочностью на сжатие от 43 до 76 МПа и при изгибе от 5 до 9,5 МПа при расходе портландцемента не выше 370 кг на 1 м3 бетона. Как видно из полученных данных, прочностные показатели разработанных бетонов значительно превышают нормативные.

Результаты испытаний образцов самоуплотняющихся бетонов позволяют их рекомендовать для устройства дорожных покрытий повышенной долговечности. Об этом свидетельствуют результаты испытаний на морозостойкость в солях (350…550 циклов) и истираемость (менее 0,4), высокая коррозионная стойкость.

Установлено, что особенно эффективны СУБ, модифицированные гиперпластификатором и микрокремнеземом. Изучены микроструктура и характер пористости, которые подтвердили теоретические положения, что рациональный состав и модифицирование комплексной добавкой, состоящей из гиперпластификатора с микронаполнителями из активного и кристаллического кремнезема, способствуют получению оптимальной структуры и свойств самоуплотняющегося бетона.

Разработаны рекомендации по применению СУБ при устройстве дорожных покрытий. Основными условиями правильного их использования являются: 1) — приготовление СУБ, производится как в 2 стадии: приготовление сухой бетонной смеси (со всеми сухими компонентами), доставка ее в автобетоносмесителе на объект и перемешивание с раствором добавки гиперпластификатора непосредственно перед заливкой, так и в одну, когда смесь готовится на бетонном узле или в автобетоносмесителе и доставляется к месту укладки; 2) — заливка СУБ посредством бетононасоса в предварительно приготовленную опалубку.

Работы по уходу за уложенной литой бетонной смесью при устройстве покрытий и оснований следует производить также, как за обычной, в соответствии с требованиями НТД, в т.ч. и устройство деформационных швов. Самоуплотняющиеся бетонные смеси могут применяться при строительстве монолитных оснований и покрытий дорог (как однослойных, так и двухслойных). Конструкция покрытия и всей дорожной одежды определяется проектом. Поперечный и продольный уклоны на участках покрытия (основания), где для бетонирования применяются самоуплотняющиеся бетонные смеси, не должны превышать 3%. Дальнейшее увеличение уклонов вызывает необходимость введения в смесь фибры.

Составы литого бетона для дорожных покрытий с комплексной добавкой и их свойства (таблица).

Примечание. Ц — цемент; П — песок; Щ — щебень; В — вода; МК — микрокремнезем; МП — молотый песок; ГП — гиперпластификатор; ВВ — воздухововлекающая добавка. Водоцементное отношение (В/Цмкб) = 0,45 = const.

Выводы.

1. Получены составы литого бетона для дорожных покрытий путем модифицирования его структуры комплексной добавкой, состоящей из гиперпластификатора, микрокремнезема и молотого песка.

2.Технологические свойства литой бетонной смеси и эксплуатационные свойства бетона для дорожных покрытий превышают требования, предъявляемые к бетонам для дорожных покрытий.

Такие смеси рекомендуются для устройства покрытий горизонтальных участков дорог, особенно, при благоустройстве дворовых территорий, строительстве муниципальных и сельских дорог, а также магистралей. Такие покрытия значительно снизят расходы на обслуживание и ремонт дорог, ведь их долговечность в 5-6 раз выше асфальтобетонных.

Список использованной литературы

1. Носов В.П. Состояние проблемы и перспективы применения цементобетона при строительстве автомобильных дорог // Бетон на рубеже третьего тысячелетия : материалы 1-й Всерос. конф. по проблемам бетона и железобетона. Ч. З. М. : Ассоциация «Железобетон», 2001. С. 1711—1715.

2. Радовский Б.С., Супрун А.С., Козаков И.И. Проектирование дорожных одежд для движения большегрузных автомобилей. Киев : Будивэльник, 1989.      65 с.

3. СНиП 2.05.02—85. Автомобильные дороги. М. : Госстрой СССР, 1997.         52 с.

4. Строительство дорожных одежд, тротуаров, дорожек и автомобильных стоянок /А.Я. Тулаев, Э.С. Файнберг, С.В. Коновалов и др.; под ред. А.Я. Тулаева // Строительство улиц и городских дорог. М.:Стройиздат, 1988. 367 с.

5. Технология и организация строительства автомобильных дорог / А.В. Горелышев, С.М. Полосин-Никитин, М.С. Коганзон и др. М. : Транспорт, 1992. 367 с.

6. TP 147—03. Технические рекомендации по устройству дорожных конструкций из литых бетонных смесей. 66 c.

7. Баженов Ю.М. Технология бетонов. 526 с.

8. Самоуплотняющийся бетон — эффективный инструмент в решении задач строительства [Электронный ресурс] // Завод стройбетон. Режим доступа:http://www.ibeton.ru/a195.php