Технологические особенности строительства цементобетонных покрытий автомобильных дорог в Республике Казахстан

Общая протяженность дорог Республики Казахстан составляет 128 тыс. км, из которых более 97 тыс. км – автомобильные дороги общего пользования. Анализ интенсивности движения на 24 тыс. км автомобильных дорог республиканского значения показывает, что прирост интенсивности за последние 10 лет составляет около 3% в год. Растут и осевые нагрузки. В связи с этим на участках с высокой интенсивностью было принято решение устраивать автомобильные дороги с цементобетонными покрытиями. Поэтому за последние 10 лет протяженность автомобильных дорог с цементобетонными покрытиями увеличилась с 97 до 1437 км, т. е. более чем в 15 раз.

Реализация данных проектов требует применения новых технических и технологических решений, поскольку динамические нагрузки и погодные климатические условия Казахстана способствуют их интенсивному разрушению.

Кроме того, наличие большого количества природоохранных зон и населенных пунктов, требует решения задач по обеспечению экологической безопасности.

Следует отметить, что традиционная технология строительства бетонных дорог в условиях Республики Казахстан показала ряд своих недостатков. На покрытии наблюдается появление дефектов, которые возникают вследствие концентрации в поверхностном слое уложенной бетонной смеси избытка воды, мелких фракций минеральных компонентов и вводимых добавок, что нарушает структуру бетона. Кроме того, есть проблемы в устройстве деформационных швов, что приводит к снижению ровности покрытия и их растрескиванию.

Проезд по бетонным дорогам связан со значительной шумовой эмиссией, что обусловлено нерациональной фактурой покрытия. Учитывая, что на территории Республики Казахстан имеется 88 охраняемых территорий (10 заповедников, 12 национальных парков и 5 природных резерватов, 11 ботанических садов, 50 природных заказников), которые занимают 8% площади страны, и по их территории проходит более 1000 км дорог, проблема снижения уровня шума вблизи бетонных дорог требует своего решения.

Также часто наблюдается недостаточная устойчивость автомобилей на проезжей части, особенно при высоких скоростях. Это связано с низким коэффициентом сцепления колес с покрытием, особенно в поперечном направлении.

В связи с этим возникла необходимость разработки теоретических основ строительства цементобетонных покрытий с усиленным верхним слоем, пониженной эмиссией шума и хорошим сцеплением с автомобильными колесами.

В рамках рассматриваемых технологических решений аспект работы был основан на решении следующих задач: уплотнении бетонных смесей, устройства стыков между плитами, снижение шума и обеспечения сцепных качеств с бетонным покрытием.

В этой связи были проанализированы основные технологические операции строительства бетонных дорог, где основной операцией, от которой зависит качество дорожного покрытия, является уплотнение бетонной смеси.

Для уплотнения бетонной смеси широко используется вибрирование. Анализ процесса уплотнения бетонных смесей показал, что вибрация при частоте 150 Гц обеспечивает требуемую плотность бетона за исключением верхнего слоя покрытия. А получить плотный верхний слой можно с помощью дополнительного уплотнения.

Эффективность укладки бетонной смеси анализировалась путем определения равномерности структуры бетона. Для этого была проведена работа по сканированию отобранных кернов с бетонного покрытия. Изучалось содержание и распределение воздуха по глубине уложенного слоя покрытия.
По результатам изучения наблюдается снижение содержания воздушных пустот на 2–4% в верхней части слоя. Это подтверждает предположения о необходимости укреплять верхний слой покрытия.
При технологическом процессе укладки смеси равномерное распределение воздушных пустот по глубине бетона, достигается при частоте вибрирования 7500 вибраций в минуту и скорости движения бетоноукладчика 1,22 метра в минуту. В связи с этим обоснованными были предложение доуплотнения верхней части до 3 см бетонного слоя.
Вышеназванная проблема устойчивости верхнего слоя покрытия может быть оценена по показателю его истираемости. Были исследованы варианты доуплотнения бетона пригрузом после начала схватывания цемента или пропиткой в процессе контракции цементного камня. Эти приемы обеспечили рост износоустойчивости бетона в 2–3 раза по критерию истираемости.

Анализируя керны, взятые из цементобетонного покрытия на участках монтажа дюбелей, было отмечено, что при погружении над ними образуются дефекты в виде нарушения структуры бетона и трещин. Для предупреждения образования дефектов в зоне стыка бетонных плит была применена вилка погружения закрепляющая дюбель в шести точках. Данная конструкция позволила обеспечить передачу вибрации на бетонную смесь непосредственно над ним. Это позволило устранить образование дефектов над погружаемой арматурой и за счет совместной вибрации дюбелей и бетонной смеси обеспечить их фиксирование в проектном положении. Кроме того, эффективность вибропогружения с закреплением дюбеля в шести точках отразилась и на передаче нагрузки между плитами, которая увеличилась в среднем на 19%.

Изучая вопрос снижения шума на бетонных дорогах, была разработана и применена технология формирования фактурой поверхности бетона в виде полусфер. В лабораторных условиях были определены спектры уровня звукового давления от 800 до 1250 Гц, как наиболее чувствительных для уха человека. Из полученных результатов образец с фактурой в виде полусфер обладает наибольшим эффектом рассеяния звуковых волн, которая максимально отражает волны в различных направлениях.

Распространение звуковых волн в сторону от дороги в рамках эксперимента показали, что затухание звуковых волн более интенсивно, на расстоянии 120 метров и падение звукового давления составляет более 12 дБ.
По результатам полевых испытаний, было проведено сравнение эмиссии шума на покрытии с насечкой в виде бороздок и фактурой, выполненной по технологии «мытый бетон», т. е. с фактурой, аналогичной предлагаемому рифлению поверхности с помощью прикатного валика, а также покрытия из ЩМА. Из полученных данных следует, что поверхность цементобетонного покрытия с фактурой «мытый бетон» обладает меньшей эмиссией шума и сопоставима с асфальтобетонной поверхностью. А также, анализ воздействия шумового потока на придорожные территории показал, что с учетом состава транспортного потока можно регулировать ширину санитарно-защитной зоны.

Создавая шумопонижающую фактуру поверхности покрытия, не остался без рассмотрения вопрос обеспечения сцепления покрытия с колесами автотранспортных средств.

Итоги инструментальной оценки коэффициента сцепления на бетонном покрытии с поперечными насечками, проведенными с помощью установки GripTester, свидетельствуют о достижении требуемых параметров сцепления. Однако результаты не позволили оценить устойчивость автомобиля при боковом заносе. В связи с этим были проведены измерения коэффициента сцепления перпендикулярно оси движения, с помощью прибора ППК-МАДИ-ВНИИБД. Оказалось, что поперечный коэффициент сцепления, в среднем в 1,5 раза меньше, чем вдоль дороги. Что может вызвать увод автомобиля с трассы при боковом заносе.

Эти данные были учтены при разработке прикатного валика для нанесения шероховатости на бетонную поверхность.

Чтобы оценить устойчивость достигнутых положительных эффектов во времени были изучены эксплуатационные характеристики построенных бетонных покрытий, где измерялась шероховатость, ровность и коэффициент сцепления и определялась динамика их изменения под воздействием транспортных потоков.

Из приведенных данных следует, что наиболее устойчивой является шероховатость, выполненная по технологии «мытый бетон», где падение показателя шероховатости составляет 0,39 мм в год, (для насечки – 0,72 мм в год, для мешковины – 0,111 мм в год). Эта же тенденция отмечалась и при измерении коэффициента сцепления с указанными фактурами покрытий.
Согласно планируемым к реализации проектам в Карагандинской области на участке автомобильной дороги «Караганда – Жезказган со строительством обходов города Жезказган» и в Туркестанской области «обход г. Сырыагаш» предусмотрено как альтернативный вариант строительство автодорог с цементобетонными покрытиями протяжённостью 500 км.