Применение цементобетонных покрытий - важнейшее направление в повышении надежности дорожных одежд
Ситуация, сложившаяся в России в последние десятилетия свидетельствует о том, что в подавляющем большинстве случаев при проектировании новых и реконструкции существующих автомобильных дорог предпочтение отдается асфальтобетонным покрытиям. Это относится как к магистральным дорогам с высокой интенсивностью движения, так другим дорогам с капитальным типом конструкций дорожной одежды.
При этом игнорируется такие важные преимущества цементобетонных покрытий, как высокая прочность цементобетона на ратяжение при изгибе, увеличение прочности с течением времени, стабильность деформативных свойств цементобетона при изменении температуры, срок службы до капитального ремонта способен достигать 50 лет и более.
При этом игнорируются такие важные преимущества цементобетонных покрытий, как высокая прочность цементобетона на растяжение при изгибе, увеличение прочности с течением времени, стабильность деформативных свойств цементобетона при изменении температуры, срок службы до капитального ремонта, достигающий 50 лет.
Мировая практика показывает, что в целом ряде стран, в качестве основной альтернативы асфальтобетону при строительстве покрытий автомобильных дорог рассматривают цементобетон. На наиболее напряженных автомобильных дорогах традиционно строят цементобетонные, железобетонные и непрерывно-армированные покрытия.
В городах и населенных пунктах в больших объемах применяют мелкоблочные бетонные покрытия. Много лет ведутся
опытные работы и имеются положительные результаты в строительстве тонких и ультратонких покрытий толщиной 5–15 см. Достигнут положительный опыт в применении цементобетона при ремонте асфальтобетонных покрытий.
Анализируя зарубежные тенденции в применении цементобетонных покрытий, следует отметить выполняемую в настоящее время в США программу научных исследований по совершенствованию конструкций и технологии строительства цементобетонных покрытий (Concrete Pavement. Road Map). Программа нацелена на увеличение срока службы таких покрытий до 60лет, рассчитана на выполнение в течение 7лет, включает 250 научных проектов, объединённых в 12 научных направлений и предусма-тривает финансирование в размере 250 млн долларов США. Предполагается, что в результате выполнения программы будет создано новое поколение цементобетонных покрытий двадцать первого века.
На основе детального анализа существующего опыта постоянно совершенствуются конструктивные решения, активно развивается методология расчёта и конструирования, уточняются требования к материалам, развивается технология скоростного строительства и контроля качества строительных работ.
Результатом этого является существенное повышение надежности покрытий, снижение затрат на их ремонт и содержание, улучшение условий движения.
При оценке затрат полного жизненного цикла, учитывающих суммы затрат дорожных организаций на строительство и эксплуатацию автомобильной дороги и затрат пользователей, все более очевидным становится тот факт, что автомобильные дороги с цементобетонными покрытиями имеют существенное преимущество, особенно учитывая рост цен на нефть в последние годы.
Опыт применения цементобетонных покрытий в России имеет многолетнюю историю. Так еще до Великой отечественной войны были построены опытные участки цементобетонных покрытий, прослужившие 38 лет. В послевоенные годы ряд дорог государственного значения был также построен с цементобетонными покрытиями. Более 20 лет отслужили ряд участков Московской кольцевой автомобильной дороги до ее реконструкции. В 80-е годы было построено около одной тысячи километров дорог с цементобетонным покрытием толщиной 10–15 см на дорогах сельскохозяйственного назначения, длительное время служивших практически без ремонтных мероприятий.
Однако следует иметь в виду, что продолжительность безотказной работы цементобетонных покрытий в значительной мере зависит от тщательности выполнения всех технологических операций при их строительстве. При этом в равной мере имеют значения подбор и качество применяемых материалов, технология перемешивания и условия доставки смеси, особое место занимают работы по укладке, уплотнению и уходу за свежеуложенным бетоном, точность установки штыревых соединений, правильность и своевременность нарезки температурных швов, контроль количества и равномерность распределения воздухововлекающих добавок.
Пренебрежение и не аккуратность исполнения даже к одной из указанных технологических операций, представляющих далеко не полный их перечень может приводить к существенному ускорению развития повреждений.
Активная дискуссия научной общественности и представителей проектных и строительных организаций, имевшая место в последние годы, относительно целесообразности применения цементобетонных покрытий приводит к все большему пониманию преимуществ цементобетонных покрытий. Сделаны выводы о необходимости расширения объемов и проведения научно-исследовательских работ в области расчета и конструирования цементобетонных покрытий на автомобильных дорогах.
Важнейшей задачей научной общественности является формирование общественного мнения об эффективности инновационных проектов в дорожном строительстве, основанных на широком применении цементобетона.
К сожалению, следует отметить, что в России наряду с положительным опытом строительства таких покрытий имели место достаточно масштабные неудачи, когда десятки километров дорог были построены без необходимого контроля качества материалов и нарушениями технологии строительства. Эти обстоятельства способствовали распространению в административных кругах и, к сожалению, в инженерно-технических, ошибочного мнения о том, что в России строительные организации не в состоянии строить цементобетонные покрытия необходимого качества. Иногда при этом упоминают неблагоприятные для цементобетона особенности российских природно-климатических условий.
Абсурдность этих соображений может быть доказана положительными примерами отечественной практики, показывающими, что на ряде объектов эксплуатируются цементобетонные покрытия, построенные более 50 лет назад.
Опыт показывает, что в каждом конкретном случае досрочного разрушения построенных ранее цементобетонных покрытий следует объективно устанавливать причины и вырабатывать мероприятия по их предупреждению. В качестве примера можно сослаться на специальную программу, выполненную в США «Повышение долговечности дорожных PERFOMANCE. LTPP). В составе данной программы несколько десятков специально выбранных участков по всей территории страны с различными конструкциями дорожных одежд в течение нескольких лет находились под наблюдением с целью установления влияния параметров конструкций и свойств материалов на интенсивность развития повреждений. Это позволило создать уникальную базу данных по фактической работоспособности конструкций дорожных одежд, эксплуатируемых в различных климатических условиях.
Как часть этой программы исследовали неоднородность важнейших свойств цементобетона, влияющих на долговечность конструкции. Были рассмотрены такие параметры цементобетона как: предел прочности на сжатие, предел прочности на растяжение при изгибе, предел прочности на раскалывание и модуль упругости. Было установлено, что большая часть этих параметров имеет коэффициент вариации не выше 15%.
Фактическое свёртывание строительства цементобетонных покрытий на дорогах России, наблюдаемое в последние двадцать лет, привело к утрате интереса к научным исследованиям в этом направлении со стороны научно-исследовательских организаций и привело к технологическому отставанию от развитых стран.
Усугубляет ситуацию применение шипованных шин, провоцирующих образование колеи на левых полосах цементобетонных покрытий многополосных автомагистралей, наблюдаемое в последние годы.
Оценивая перспективы применения цементобетонных покрытий в России, следует акцентировать внимание на следующие обстоятельства.
В условиях чрезмерной перегрузки большинства автомагистралей, даже в результате мелких дорожно-транспортных происшествий, возникают многокилометровые заторы, приводящие к значительному увеличению себестоимости перевозок пассажиров и грузов. Ограничение движения на период выполнения ремонтных работ дорожных покрытий приводит к многомиллионным потерям.
В связи с этими обстоятельствами важнейшей задачей дорожной отрасли становится повышение долговечности дорожных одежд и основным направлением её решения расширение сферы применения цементобетона.
Благодаря фундаментальным исследованиям, углубившим знание о бетоне, установлено, что слабым звеном в традиционном бетоне является межфазная переходная зона на границе раздела цементного теста и заполнителя. Как подчёркивает ряд специалистов, в этой зоне пористость цементного теста больше, чем вдали от неё, что объясняется влиянием, так называемого, пристеночного эффекта
Установлено, что в этой зоне пористость может достигать 28–30% при средней пористости цементного теста 18%. Поры заполнены водой, и это означает, что в этой зоне водоцементное отношение гораздо выше его среднего значения. Это существенно ослабляет бетон. Введение в смесь микрокремнезема и нанокремнезема повышает прочность бетона, его сопротивление сульфатной агрессии и коррозии арматуры.
Важно различать особенности поведения конструкции в разные периоды жизненного цикла и в первую очередь иметь полное представление о том, что происходит с цементобетоном в «раннем возрасте». Понятие «ранний возраст» для обычных неармированных цементобетонных покрытий с поперечными швами сжатия относится к периоду ориентировочно продолжительностью 72 ч после завершения укладки и отделки поверхности покрытия. Это вызвано тем, что именно в это время изменения температуры и влажности окружающей среды могут вызывать значительные напряжения, способные приводить к образованию трещин. Часто недооценивают тот факт, что на появление трещин в раннем возрасте оказывают влияние следующие факторы:
• Теплота, выделяемая в результате гидратации цемента.
• Метеорологические условия (температура и влажность воздуха, солнечная радиация, скорость ветра).
• Температура покрытия и основания в период укладки бетонной смеси.
• Коэффициент линейного расширения бетона.
• Коэффициент трения между уложенным бетонным покрытием и основанием.
• Усадка бетона в процессе высыхания.
• Коробление в результате температурного и влажностного градиентов.
Изменение температуры и влажности бетона, уложенного в покрытие в процессе его твердения, приводят к появлению напряжений, которые могут приводить к появлению трещин. Причина этого состоит в том, что увеличение прочности при твердении бетона может происходить медленнее, чем процесс увеличения напряжений. В этом случае возникает необходимость очень внимательно следить за изменениями температуры и влажности бетона и, регулируя этот процесс, сдерживать рост напряжений с одной стороны и способствовать увеличению прочности.
Важно также иметь ввиду технический прогресс и возможность производства безусадочных цементов на отечественных цементных заводах. Это позволяет реально рассчитывать на дополнительное повышение устойчивости поверхности цементобетонных покрытий к шелушению и образованию усадочных и температурных трещин.
В последние годы особого внимания заслуживает вопрос об ответственности подрядных строительных организаций за качество выполненных работ. Положение усугубляется отсутствием квалификационного отбора претендентов при проведение конкурсов подрядных организаций на выполнение работ по строительству цементобетонных покрытий. Это приводит к тому, что есть примеры, когда организации – победители не могут обеспечить необходимого качества. При этом результаты могут сказываться через несколько лет.
На основе изложенного можно сделать следующие выводы:
1. Отечественные и зарубежные достижения в области применения цементобетона в транспортном строительстве указывают на его высокую экономическую эффективность.
2. Увеличение объемов строительства дорог с цементобетонными покрытиями и основаниями по мере роста доли дорог с такими покрытиями позволит сократить расходы на ремонт покрытий за счет предотвращения колееобразования и общего повышения срока службы.
3. К настоящему времени существуют все предпосылки для строительства цементобетонных покрытий высокого качества (техническая оснащенность, кадровый потенциал, качество поставляемых материалов и др.).
4. Учитывая ограниченные запасы и совершенствование технологии переработки нефти, можно ожидать уже в пределах предстоящего десятилетия уменьшения поставок сырья для производства нефтяных битумов. В этих условиях необходимо проведение опытно-производственных работ по применению цементобетона не только для строительства новых, но и для ремонта существующих цементобетонных и асфальтобетонных покрытий.
5. С целью объективной оценки преимуществ и недостатков цементобетонных покрытий следует организовать их строительство в различных дорожно-климатических зонах России.
6. Современное соотношение стоимости строительства дорог с цементобетонными и асфальтобетонными покрытиями не является стабильным и будет изменяться в пользу цементобетона при увеличении цен на нефть и нефтепродукты.
Автор: Носов Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Строительство и эксплуатация дорог»
Источник: "Найка и техника в дорожной отрасли", Издательство: Издательство Дороги (Москва)