Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования
1.1. Анализ современных технологий строительства
Цементобетонных покрытий
Строительство цементобетонных покрытий дорог было положено в Англии, г. Эдинбурге в 1872 г [37]. Строительство бетонных дорог в США активно началось в начале 20-х гг. XX в., когда более развитый юг Америки бурно наращивал темпы роста экономики [38]. В южной части для этого были все необходимые ресурсы: развитое сельское хозяйство, благоприятный климат, наличие промышленных мощностей и т. д. Первые дороги строились при помощи труда заключённых и примитивных технологий, однако до сих пор сохранились в некоторых штатах (Теннеси, Южная Каролина, Джорджия и Алабама).
В России первые монолитные бетонные дороги появились в Тифлисе и Санкт-Петербурге в 1913 г, а интенсивное строительство началось только после окончания Второй Мировой войны в начале 50-х гг. при освоении Крайнего Севера, Арктики, Дальнего Востока [2].
Развитие техники и материаловедения позволило достичь совершенства многим технологиям строительства цементобетонных дорог, которые рассчитаны на тяжёлое и интенсивное движение автомобилей.
Конструкции жёстких покрытий и оснований принято квалифицировать по признакам [37, 39]:
Технологии строительства: монолитные; сборные; сборно-монолитные [40.41]
Количеству слоёв: одно- и двухслойные [42];
Наличию и виду арматуры: неармированные; армированные (стальной, базальтовой, углеродной арматурой; по виду расположения арматуры: непрерывно армированные или частично армированные)[43,44];
Виду бетона: тяжёлый; облегчённый; легкий (с использованием лёгкого наполнителя, например, керамзитового гравия) [45,46];
Расположению бетона в конструкции дорожной одежды: основание; покрытие [47,48];
Виду цемента: на традиционном портландцементе; на напрягаемом цементе [49,50];
Способу уплотнения бетона: вибрированный; трамбованный; литой; укатываемый тощий [51];
Указанная классификация применима к дорогам I; II; III категории. В зависимости от назначения дороги (продольные и поперечные уклоны, ширина полосы и количества полос движения, интенсивности транспортного потока и т. д.[48]).
Строительство цементобетонных дорог включает в себя несколько технологических операций, основные из которых следующие:
Приготовление смеси на цементно-бетонном заводе (ЦБЗ) и ее транспортирование к месту укладки. При этом могут применяться как стационарные бетонные установки (большие, средние, малые)[52,53,54,55,56,57,58,59], так и мобильные (передвижные). В последнем случае операции: перемешивание и транспортирование бетонной смеси совмещаются [60,61,62,63,64,65] что сокращает время, затраченное на устройство покрытия в целом;
Бетонирование покрытий;
Уход за свежеуложенным бетоном.
Приготовление бетонной смеси осуществляют в бетоносмесительных установках. Согласно [66] их классифицируют по трём основным признакам: условиям эксплуатации, режиму работы, способу перемешивания. Свойства бетонной смеси и мелкозернистого бетона в конструкции будут существенно зависеть от типа оборудования, выбранного для её приготовления [67,68,69,70].
В зависимости от условий эксплуатации могут быть использованы передвижные [71,72] или стационарные [73,74,75,76] бетоносмесители. У каждого вида есть свои положительные и отрицательные особенности. (рис. 1, а; б).
а) б)
Рисунок 1. Бетоносмесительное оборудование: (а) – стационарное (в составе мобильного бетонного завода: 1 – смеситель; 2 – силос для хранения цемента; 3 – приёмные бункеры для инертных материалов); (б) - передвижное
Положительной чертой передвижного бетоносмесителя является скорая доставка бетонной смеси на место и сокращение общих сроков работ [27, 47, 67]. Однако, транспортирование бетонной смеси на длительные расстояния может привести к потери части её свойств, в частности, однородности, которая выражается в расслоении бетонной смеси и выходу цементного молока на поверхность с одновременным уплотнением нижней части из-за наличия заполнителя. Кроме того, могут быть нарушены сроки схватывания бетонных смесей [67], что может вызвать дополнительные сложности с укладкой.
Использование мобильных заводов по производству бетона (рис. 1, а) позволяет исключить вышеуказанные недостатки из-за близости доставки бетона к месту укладки, при этом смесь имеет стабильные свойства.
Использование мелкозернистых бетонов существенно упрощает производство работ при устройстве монолитных дорог, в связи с большей однородностью и подвижностью смесей, исключением расслоения при перемешивании [46].
По режиму работы бетоносмесители подразделяются на две группы: циклического и непрерывного действия. Первые применяются для малых объёмов бетонирования, вторые – для средних и больших. Все бетонные заводы, предназначенные для строительства бетонных дорог, снабжены бетоносмесителями непрерывного действия в связи с ведением непрерывного бетонирования. В некоторых случаях назначаются необходимые технические перерывы для обслуживания техники при её работе в условиях выше среднего.
Бетонирование покрытия включает распределение, и уплотнение бетонной смеси, отделку поверхности. Различают бетонирование покрытия по следующим технологиям: бетонирование в неподвижной опалубке (рельс-формы) с использованием рельсоходных бетоноукладочных машин типа Д-376 (ДБО-7,5) и бетонирование в скользящей опалубке с использованием высокопроизводительных комплектов машин типа «Автогрейд» (ДС-100; Отасо) [37].
Рисунок 2. Поперечные разрезы типовых дорожных одежд с цементобетонным покрытием, устраиваемых комплектами машин: (а) – со скользящими формами; (б) – с применением рельс-форм;(в – ширина обочины; 1 – покрытие; 2 – выравнивающий слой; 3 – основание; 4 – дополнительный слой основания; 5 – земляное полотно; 6 – укреплённая полоса)
Бетонирование с помощью литых смесей используют для устройства покрытий в зарубежных странах – США, Польше, Австрии [2,77] и в незначительном объеме в РФ. Жёсткая дорожная одежда с покрытием монолитного типа имеет следующие конструктивные слои: покрытие, выравнивающий слой, основание, дополнительный слой основания (рис. 2, а; б).
За счёт распределения нагрузки от транспортных средств по цементобетонной плите покрытия, остаточные деформации и касательные (сдвиговые) напряжения в нижележащем земляном полотне (морозозащитном слое) существенно ниже, чем в конструкциях дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием, что повышает долговечность всей конструкции дорожной одежды.
При технико-экономическом сравнении цементобетонных и асфальтобетонных покрытий возникает вопрос о деформационных швах. Считается, что цементобетонные покрытия проигрывают в сравнении асфальтобетонными из-за необходимости нарезать деформационные швы и герметизировать их, что увеличивает стоимость строительства и снижает комфортность движения. Однако, как показывает опыт, в России в асфальтобетонных покрытиях через год или два эксплуатации, обычно после зимнего периода, возникают трещины, которые также приходится прорезать (расшивать), образовывать из них шов с пазом для последующей гидроизоляции мастикой, фактически нарезка и герметизация швов в асфальтобетонном покрытии является отложенной технологической операцией, швы в асфальтобетонном покрытии также надо устраивать, но не сразу, не в период строительства, как при строительстве цементобетонных покрытий, а некоторое время спустя. Это также следует учитывать при сравнении вариантов конструкций с цементобетонными и асфальтобетонными покрытиями.
В настоящее время одной из перспективных технологией дорожного строительства является устройство слоев дорожных одежд из жестких бетонных смесей, уплотняемых методом укатки.
Отличительная особенность бетоноотделочных машин типа Д-376 – уплотнение смеси методом поверхностного виброформования, возможность повторного уплотнения смеси на одном участке.
Дальнейший прогресс в дорожном строительстве, повышение производительности труда и качество работ связан с применением скоростного метода бетонирования с непрерывно передвигающейся опалубкой укладчика. Главными отличительными особенностями этой технологии являются:
1. Формование покрытия в скользящих формах с немедленной распалубкой после окончания процессе уплотнения по однопроходной схеме бетонирования;
2. Глубинное виброуплотнение бетонной смеси с высокой интенсивностью вибровоздействия (частота вибрации 180-200 Гц, амплитуда около 1 мм);
3. Комплексная механизация практически: всех операций технологического процесса.
Высокая производительность комплекта машин достигается, главным образом, за счет высокой скорости укладки бетона, обеспечивающей сменную производительность до 1,0 км в смену. Большой вклад в разработку технологии скоростного строительства цементобетонных покрытий внесли Б.С. Марышев, А.М. Шейнин, А.К. Петрушин, Э.Р. Пинус, В.И. Коршунов и др. [78,79,80,81,82]. Исследования, выполненные в СоюздорНИИ, при их участии, легли в основу разработанных нормативных документов [4, 9,83].
Срок службы [84,85] цементобетонных покрытий в США, в среднем, 26 лет, асфальтобетонных – 16 лет, в Германии, соответственно, – 26 лет и 18 лет), за рубежом ставится реально выполнимая задача обеспечить срок службы цементобетонных покрытий 50 лет и более. Указанные типы покрытий отличаются также по кинетике разрушения: интенсивность разрушение асфальтобетонных покрытий существенно возрастает уже после 5 лет эксплуатации, цементобетонных – после 20 лет. Уместно вспомнить, что сети автомобильных дорог в США (известные «хайвэи») и в Европе («автобаны») создавались именно на основе цементобетонных покрытий или, например, что в настоящее время в Казахстане покрытие магистрали (в направлении север-юг) строят из цементобетона.
В России проектируемый срок службы цементобетонных покрытий составляет 20-25 лет, асфальтобетонных – 16-20 лет. Для цементобетонных покрытий фактический срок службы соответствует этим расчётным цифрам или превышают их (примером могут служить действующие автомобильные дороги и аэродромы с цементобетонными покрытиями). В то же время, фактический срок службы асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог в России составляет, по данным РосдорНИИ, 5-8 лет, по данным Росавтодора – ещё меньше, 2 года [50].
В России стоимость строительства автомобильной дороги с цементобетонным покрытием, считается в 1,5 раза дороже, чем строительство с асфальтобетонным покрытием.
В последние годы наблюдается тенденция создания дорожных бетонов повышенной прочности и долговечности. Это достигается путем модификации структуры бетона химическими добавками: пластифицирующими, воздухововлекающими и газообразующими. В России наилучший эффект получен с комплексной химической добавкой на основе суперплатификатора С-3 и воздухововлекающей добавки СНВ. В зарубежной практике широкое применение находит использование тройной комплексной добавки, включающей сочетание воздухововлекающей, газообразующей и пластифицирующей добавок. Направленная модификация структуры дорожного бетона позволяет создавать бетоны высокой прочности и морозостойкости при низком водоцементном отношении [51].