Статьи по строительству и стройматериалам

Увеличение срока службы покрытий автомагистралей и автодорог

Многолетний опыт эксплуатации цементобетонных покрытий на крупнейших автомагистралях России, а также зарубежный опыт позволяют объективно оценивать недостатки покрытий данного типа, главными из которых являются разрушение поперечных швов, образование большого числа трещин, разрушение поверхности покрытия.

Разрушение и отслаивание поверхностного слоя бетона, так называемое шелушение, является одним из основных дефектов, сдерживающих применение бетонных покрытий. Оно возникает под действием многих факторов: состав бетонной смеси и технология ее укладки, уход за бетоном, воздействие противогололедных реагентов, многократное замораживание/размораживание и другие. Шелушение в значительной мере определяется также наличием температурных швов, вокруг которых наиболее быстро и интенсивно разрушается поверхностный слой. В зоне поперечных швов, как правило, возрастает динамическое воздействие колеса автомобиля: кромки плит и прилегающая к ним поверхность покрытия воспринимают дополнительные нагрузки. В силу этих и других факторов поперечные швы вызывают снижение прочности поверхностного слоя бетона. В неармированных покрытиях длина плит независимо от первоначального шага поперечных швов через несколько лет эксплуатации фактически составляет, как правило, 4-6 метров, поскольку образуются сквозные поперечные трещины. Очевидно, что длина 5 м является оптимальной длиной плит, на которую можно ориентироваться при проектировании бетонных покрытий, что подтверждается практикой строительства неармированных покрытий. Армирование покрытий позволяет значительно увеличить длину бетонных плит, а значит, сократить число поперечных швов и уменьшить дефектность покрытия. Длина плит при этом тесно связана с содержанием арматуры и при расходе последней в количестве 3-5 кг/м2 может быть увеличена соответственно до 10-24 м. Дальнейшее повышение содержания арматуры (до 8-12 кг/м2) позволяет увеличивать длину плиты до 200-400 м и более и переходить к устройству бесшовных, так называемых непрерывно армированных, конструкций, применение которых кардинально решает вопрос повышения эксплуатационных качеств и долговечности цементобетонных покрытий. Одним из важных способов повышения срока службы дорожных одежд является устройство асфальтобетонного покрытия на бесшовном основании из низкомодульного цементобетона.

За рубежом разработано новое поколение высококачественных бетонов. Решающую роль в реализации концепции высококачественных бетонов (High Performance Concrete, HPC) сыграла программа стратегических исследований в области автострад (SHRP), которую осуществляет Федеральное управление автострад Министерства транспорта США. Получены дорожные бетоны с В/Ц менее 0,35, повышенной морозостойкости, с ранней прочностью (через 24 часа не менее 35 МПа). Подобные бетоны получены уже и в России. Наряду с повышением деформативности цементобетона основания одним из перспективных направлений стратегий развития конструкции жестких дорожных одежд является непрерывное армирование монолитных цементобетонных покрытий и оснований. Вслед за США начиная с 60-х годов непрерывно армированные покрытия стали применяться также в Англии, ФРГ, Швеции, Швейцарии, Австралии и других странах. Большое применение в Англии и США нашли непрерывно армированные основания под асфальтобетонные покрытия. В ряде случаев такого рода покрытия применяются также в качестве усиления существующих дорожных одежд. В России начиная с 70-х годов построено несколько опытных участков на аэродромах и городских улицах. Первые участки непрерывно армированных покрытий в Индиане, Техасе и других штатах США укладывались непосредственно в грунт и имели толщину h 15-18 см, что мотивировалось повышенной несущей способностью железобетонной плиты. Однако, как показал опыт, по бокам таких покрытий, а иногда и в трещинах наблюдались выплески грунта, дороги быстро теряли требуемые эксплуатационные качества. Поэтому в дальнейшем непрерывно армированные покрытия стали укладывать на прочные основания, верхняя часть которых укрепляется цементом или битумом для восприятия повышенных прогибов от более деформированных (по сравнению с бетонным) покрытий. Толщина покрытий также была увеличена до 17,5 и даже 22,5 см в зависимости от грузонапряженности магистрали.

Содержание продольной арматуры в начальной стадии развития непрерывно армированных покрытий колебалось от 0,3 до 1,0%. В последующем процент армирования установлен в границах 0,5-0,7 в зависимости от прочностных характеристик арматуры, предел текучести которой должен составлять 4000-6000 кг/см2. Армирование покрытий осуществляется, как правило, арматурой периодического профиля в виде отдельных стержней или плоских сварных сеток. Диаметр арматуры находится в пределах 12-20 мм, однако в ряде случаев применяется более дисперсное армирование (рулонные сетки из арматуры диаметром 6,0 мм), что значительно уменьшает раскрытие поперечных трещин. В большинстве построенных покрытий непрерывная арматура разложена в один слой на расстоянии 1/3 h (но не менее 6 см) от поверхности плиты. Вместе с тем в некоторых проектах, особенно в последнее время, рекомендуется ставить арматуру на нейтральной оси покрытия, что облегчает ее работу на объемные изменения материала (уменьшает коробление покрытия) и позволяет снижать толщину железобетонной плиты при расчете на автомобильную нагрузку. Длина непрерывно армированных покрытий не ограничивается расчетными или технологическими соображениями и составляет от нескольких сот метров до нескольких километров, что связано с необходимостью прерывать покрытия перед мостами и путепроводами.

В настоящее время применяются два способа строительства непрерывно армированных покрытий: со свободными и заанкеренными концами плит. При отсутствии упоров концевые участки покрытия длиной 120-160 м могут свободно перемещаться при изменении температуры. Величина этих перемещений достигает 5-7 и более сантиметров. Устройство деформационных швов, надежно работающих при столь значительных перемещениях, связано со значительными техническими трудностями. Поэтому в последнее время большинство покрытий строится с заанкеренными концами. Поперечные, траншейные или свайные анкеры полностью воспринимают растягивающие усилия в плите и сокращают ее перемещения до 0,5-1,5 см. Устанавливают анкера по концам покрытия или распределяют на некотором протяжении активной части плиты. Широкое применение непрерывно армированных бетонных покрытий в практике зарубежного строительства в значительной мере стало возможно благодаря высоким экономическим показателям конструкции и ее высокой технологичности. Несмотря на традиционные решения, технология строительства бесшовных покрытий имеет свои отличительные стороны, которые позволяют нередко избежать проведения трудоемких операций, свойственных традиционным монолитным покрытиям. Так, применение непрерывно армированных конструкций дает возможность полностью отказаться от устройства технологических прослоек для уменьшения трения между бетонной плитой покрытия и основанием. Отпадает необходимость во всем, что связано с изготовлением и установкой металлических конструкций температурных швов, а также нарезкой швов в затвердевшем бетоне и их заливкой. Арматурные стержни диаметром не менее 12-16 мм объединяются сваркой в плоские сетки длиной 7-12 м и шириной 1,6-2,4 м, которые до укладки бетона устанавливаются на подкладках на основание. Бетонирование покрытия чаще всего ведется в один слой сквозь арматуру. Арматура после укладки бетона на всю толщину плиты отдельными стержнями втапливается в покрытие специальным вильчатым устройством с вибропогружателем. Диаметр стержней составляет 16-20 мм.

Отличительная черта непрерывно армированных покрытий — необходимость устройства свайных или траншейных анкеров на концевых участках. Расстояние между анкерами определяется наличием на трассе искусственных сооружений, мостов и путепроводов (перед которыми покрытия прерываются) и составляет в среднем несколько километров. Поэтому они могут быть выделены из потока по устройству дорожной одежды и не оказывают заметного влияния на технико-экономические показатели и технологию строительства покрытий. В настоящее время есть немало примеров из зарубежной практики эффективного применения цементобетона при строительстве дорожных одежд и других сооружений на автомобильных дорогах. На многих объектах строят монолитные бетонные, железобетонные и непрерывно армированные покрытия, в больших объемах применяют основания из материалов и грунтов, укрепленных цементом. Так, в Аргентине заканчивается строительство четырехполосной автомагистрали по две полосы в каждом направлении шириной 7,3 м протяженностью 230 км. Конструкция дорожной одежды состоит из грунта, обработанного цементом толщиной 12,5 см в основании, и покрытия из цементобетона толщиной 21 см. Объем уложенной цементобетонной смеси составляет 353 тысячи кубических метров. Для укладки используют два комплекта Gomaco-9500 с установкой для автоматической укладки арматурных стержней над температурными швами сжатия. В Нидерландах в прошлом году открыто движение по автомагистралям А50 протяженностью 35 км. Шестиполосная проезжая часть имеет цементобетонное покрытие толщиной 25 см, ширина проезжей части в каждом направлении 11,9 м. В Англии ведется строительство шестиполосной автомагистрали М6 вблизи Бирмингема. Конструкция дорожной одежды состоит из основания толщиной 25 см, из слоя непрерывно армированного цементобетона толщиной 22 см и слоя асфальтобетона толщиной 4 см.

Значительное распространение получают комбинированные конструкции, в которых используются сочетания слоев из материалов различного типа с тем, чтобы наилучшим образом использовать преимущества и достоинства каждого материала. Наиболее известные сочетания: цементобетон или непрерывно армированный бетон в нижнем слое и плотный или пористый асфальтобетон — в верхнем, низкомарочный цементобетон в нижнем слое и мелкоблочные бетонные покрытия — в верхнем, обработанный цементом материал в основании, разделительный слой плотного асфальтобетона и верхний слой из обычного или непрерывно армированного цементобетона. В большинстве экономически развитых стран основное внимание обращено на ремонт и усиление дорожных одежд с применением цементобетона. При этом выделяют следующие три разновидности конструкций усиления асфальтобетонных покрытий: толстые бетонные слои, тонкие и ультратонкие. Ультратонким слоям уделяется наибольшее внимание. Первоначальные эксперименты с ультратонкими бетонными слоями были начаты в начале 1990-х годов в США, затем опытные работы были выполнены в Мексике, Канаде, Швеции, Франции, Англии, Австралии, Бразилии. В результате эти конструкции были рекомендованы для ремонта асфальтобетонных покрытий на дорогах с тяжелым движением, где наблюдается интенсивное колееобразование.

Преимущества цементобетонных покрытий:

В России на автомобильных дорогах преобладают нежесткие дорожные одежды с асфальтобетонными покрытиями — 97%. Фактические сроки службы дорожных одежд даже на сети федеральных дорог существенно ниже нормативных. По данным ГП РосдорНИИ, они составляют в среднем 5-7 лет.