CC BY
160
УДК 624.012.45.042.3.046.539.4:620.193.2
Покровский Алексей Владимирович
ЗАО «Экодор» (Группа компаний «АБЗ-1») Россия, Санкт-Петербург1 Заместитель генерального директора по технологии и качеству работ
E-Mail: [email protected]
Краткий обзор опыта применения литых полимерасфальтобетонов на искусственных сооружениях
в северо-западном регионе РФ
Аннотация. В статье дан краткий обзор применения литого асфальтобетона и литого полимерасфальтобетона в Северо-Западном регионе РФ в качестве материала покрытия ездового полотна. Данные материалы являются наиболее популярными в странах Северной и Центральной Европы в качестве материала защитного слоя гидроизоляции на мостовых сооружениях. Масштаб применения литьевых технологий в России, начиная с начала 2000-х годов, неуклонно возрастает. Впервые обобщены сведения о масштабах производства литых асфальтобетонов в РФ. Определены основные факторы качества и долговечности строящихся систем покрытий и гидроизоляции в современных условиях России.
Приведены данные о технических особенностях нескольких уникальных проектов по реконструкции городских мостов города Санкт-Петербурга с применением литого полимерасфальтобетона.
Проведенный анализ таких свойств литого полимерасфальтобетона, как усталостная долговечность и сопротивление абразивному износу, позволяет сделать вывод о перспективах применения материала при строительстве и реконструкции металлических и железобетонных мостовых переходов, в том числе, в условиях высокой интенсивности движения автотранспорта.
Особенности конструкций разводных мостов городских мостов Санкт-Петербурга требуют, по мнению автора, тщательной проработки системы покрытий и гидроизоляции этого элемента в каждом отдельном случае. Отмечена важность применения зарекомендовавших себя международных методик испытаний гидроизоляционных систем и их элементов.
Ключевые слова: литой асфальтобетон; полимерно-модифицированное вяжущее; гидроизоляция; мостовое покрытие; разводной пролет; наплавляемое рулонное полотно; эпоксидный состав; адгезия; абразивный износ; усталостная долговечность; срок службы; мост.
195009, г. Санкт-Петербург, Свердловская наб., д.4, лит. Б
Литой асфальтобетон широко применяют в странах западной и северной Европы с середины прошлого века в системах покрытий мостовых сооружений [1]. Благодаря своим исключительным свойствам этот материал отвечает возрастающим требованиям к долговечности мостовых сооружений. Применение литых асфальтобетонов и литых полимерасфальтобетонов наряду с современными материалами гидроизоляции позволяют достигать высоких сроков эксплуатации мостовых сооружений. Например, в Германии и Швейцарии срок службы моста уже на стадии проектирования задается равным не менее 100120 годам. Гидроизоляция должна служить 20-30 лет. В России эти сроки на практике являются, как минимум, вдвое меньшими [2,3]. Есть случаи полной замены покрытия и гидроизоляции через 5-10 лет эксплуатации. Что мешает устройству в нашей стране долговечных систем защиты мостов от влаги и агрессивных сред? Почему существенные средства государственного бюджета расходуются на частые капитальные ремонты и переустройство покрытий?
На наш взгляд, важными факторами для достижения долговечности функционирования дорожно-мостовых покрытий являются следующие:
1. Качество материалов покрытий проезжей части мостового полотна -асфальтобетонов;
2. Качество гидроизоляционных материалов и их адгезия к основанию;
3. Совместимость гидроизоляционных материалов и асфальтобетонов (как частность - наличие минимального допустимого уровня адгезии в процессе эксплуатации);
4. Соблюдение технологии производства работ;
5. Экспертное знание подрядчика;
6. Современные нормативные документы;
7. Научно - и практически обоснованные методы проектирования, тестирования и контроля.
Осмелимся предположить, что одновременное выполнение в нашей стране перечисленных выше факторов влияния встречается редко. Тем не менее, добиться долговечности конструкций можно лишь сочетанием всех усилий, достижением эффекта синергии. Безусловной основной задачей гидроизоляции мостового сооружения, как системы, является надлежащая защита пролетных строений мостового сооружения от агрессивной жидкой хлоридсодержащей и агрессивной газообразных сред [4].
Дорожная отрасль России лишь к началу 21 века обратилась к массовому применению литого асфальтобетона, и произошло это в Санкт-Петербурге. С начала 2000-х годов компанией ОАО «АБЗ-1» проводилась работа по внедрению данной технологии в практику работ, в стремлении убедить государственного заказчика в необходимости применения литого асфальтобетона при строительстве и реконструкции ответственных мостовых сооружений. Ведь данная инновация позволила бы существенно повысить долговечность покрытий, снизить городские и федеральные затраты на ремонт, продлить сроки службы мостов. Данная работа увенчалась успехом благодаря одновременной заинтересованности и поддержке крупных подрядчиков: ОАО «АБЗ-1», ОАО «Мостоотряд 19» и проектных институтов ЗАО «Институт «Стройпрокт», ЗАО «Гипротрансмост».
В период с 2002 по 2014 год компанией «АБЗ-1» и ЗАО «Экодор» произведено и уложено в покрытия 190 тыс. тонн литого асфальтобетона, что соответствует приблизительно 1,5 млн. м2 однослойного покрытия. Произведен ремонт покрытия более чем на 60 крупных мостах и путепроводах. Фактом является то, что компания смогла осуществить уникальный по
своим задачам и масштабам инновационный прорыв, позволивший широко внедрить технологию литого асфальтобетона не только в отдельном регионе России, но и тиражировать технологические решения вглубь страны (Ульяновск, Владимир, Астрахань, Калуга). Удалось так же обратить внимание всего дорожного сообщества на важность внедрения инновационных решений в мостостроительной отрасли. С уверенностью можно подтвердить увеличение срока службы защитных слоев гидроизоляции с 2-5 лет (при применении уплотняемых асфальтобетонов) до 10-20 лет. Верхние слои покрытия из литого асфальтобетона с применением полимерно-битумного вяжущего (далее ПБВ) в соответствии с действующими нормативами [5] продлевают срок бездефектной эксплуатации в 5-10 раз, а время их эксплуатации зависит лишь от интенсивности абразивного износа и может потенциально достигать 15-20 лет. С учетом климатических трудностей России становится крайне важным понимание государственным заказчиком необходимости применения несложных в реализации, но крайне практичных технических решений, позволяющих существенно продлить сроки службы всего мостового сооружения.
Объемы ежегодного производства литых смесей -41016
42000 38500 35000 31500 28000 24500 21000 17500 14000 10500 7000 3500 0
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Рис. 1. Диаграмма объема ежегодных объемов производства литых смесей ОАО «АБЗ-1»
(составлено автором)
Таблица 1
Данные о ежегодных объемах производства литых асфальтобетонных смесей
(составлено автором)
Ежегодные объемы производства литых ас( )альтобетонов, тыс. тонн (по годам)
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
ОАО "АБЗ-1" 1,68 7,08 8,2 5,15 5,24 14,89 24,1 6 5,91 22,5 6 23,51 25,2 5 41,0 2
Россия* нд нд 1 3 8,5 10 7 7 22 35 35 55 75 65 90
Европа* * 1320 1255 1220 1100 950 1000 1185 1110 1110 1075 890 845 870 827 850
*Данные по РФ представлены оценочные, на основе опроса производителей литых асфальтобетонных смесей и объемов примененного материала в регионах РФ.
**По данным Международной ассоциации литых асфальтобетонов (1МАА, http://www.mastic-asphalt.eu/)
По информации, полученной от Международной ассоциации литых асфальтобетонов [6], годовой объем производимых литых смесей составляет до 1 миллиона тонн с тенденцией на снижение объемов. Основная причина снижения - сложившаяся в Европе сеть дорог и искусственных сооружений, высокая долговечность построенных мостовых переходов, экономические причины. Представляется вероятным, что нивелирование тенденции на уменьшение масштабов применения литых материалов в Европе и мире смогут в ближайшем будущем компенсировать рынки Китая (вступил в ГМЛЛ в 2013 году) и России.
По оценке автора, общий объем производства литой смеси в РФ в 2013 году достиг уровня до 90 тыс. тонн, что ставит Россию на 3-4 место в Европе по объемам ежегодного производства и применения литых асфальтобетонов. По данным 1МЛЛ на 2012 год, наибольшее применение литые асфальтобетоны находят в Германии (350 тыс. тонн) и Франции (206 тыс. тонн). На долю Санкт-Петербурга приходится около 50% всех объёмов РФ. Особенность Санкт-Петербурга в том, что практически весь выпускаемый литой асфальтобетон производят на полимерно-битумном вяжущем с повышенным содержанием полимеров термоэластопластов. Существенный технологический прорыв был осуществлен за истекшие 10 лет.
Литой асфальтобетон на ортотропных плитах металлических мостов
В определении понятий литой асфальтобетон и литой полимерасфальтобетон (далее литой ПАБ) существуют нюансы, играющие ключевую роль в обеспечении долговечности систем покрытий на мостах. Безусловно, применение литого асфальтобетона на не модифицированных дорожных битумах имеет положительное значение для продления сроков службы по сравнению, например, с уплотняемыми смесями тип Б. Но всегда ли этого достаточно? Убеждены, что не всегда. Доказывают это испытания на усталостную долговечность литых асфальтобетонов на разных типах вяжущих. Лишь литые полимерасфальтобетоны с содержанием термоэластопластов типа стирол-бутадиен-стирол (далее СБС) могут существенно повысить «коэффициент полезного действия» литых асфальтобетонов. Введение данных добавок позволяет максимально использовать их свойства релаксации внутренних напряжений, гашения колебаний, позволяет достигать высоких показателей растяжения при изгибе без трещинообразования и потери сплошности.
Особые свойства сопротивляться усталостным явлениям при знакопеременных деформациях продемонстрировали испытания, проведенные в 2008 года в ФГУП «РОСДОРНИИ» с использованием оригинальной методики определения параметров усталостной долговечности на нескольких образцах литого полимерасфальтобетона. Испытания на усталость выполнялось в режиме постоянной деформации при циклическом изгибе с амплитудой прогиба 0,72мм, что соответствует относительной деформации 0,0051. Испытания проводятся на приборе ФР-2 (флексометр), модифицированном для испытания образцов-балочек размером 2,5х4,0х16,0 см. Основные параметры режима испытания следующие.
Схема испытания - центральный изгиб балки при постоянной амплитуде деформации (прогиба) с частотой 868 об/мин или 14,5 Гц. Рабочий диапазон амплитуд составляет 0,25 - 0,72 мм, что соответствует относительным деформациям прогиба порядка 0,00178 - 0,0051. При испытаниях специальных видов асфальтобетонов (в частности для покрытий на мостах) амплитуду прогиба подбирают с учетом расчетных или фактических прогибов на объекте. Испытания проводят в диапазоне температур от -20°С до + 20°С. Перед испытанием образцы выдерживают при заданной температуре не менее 8 часов в термостате или холодильнике (морозильнике). В результате испытания определяют следующие показатели:
• Исходную прочность при динамическом изгибе ^изг),
• Усталостную долговечность (число циклов до разрушения образцов (К) при нескольких различных амплитудах прогиба),
• Коэффициент усталости (т).
В таблице 2 представлены результаты испытаний на усталостную долговечность балочек литого асфальтобетона, изготовленных в лабораторных условиях.
Таблица 2
Результаты испытаний на усталостную долговечность балочек (2,5*4,0*16 см) литого асфальтобетона на основе полимерно-модифицированного битума (составлена автором)
Температура испытаний, °С Количество циклов загружения балочек условно обозначенных составов до разрушения образца, ед. циклов*
Литой ПАБ (ПБВ с 7% СБС) Литой ПАБ (ПБВ с 4% СБС) Литой ПАБ на БНД 60/90
1 2 3 4
+20°С 54 392 24 014 15 537
0°С 13 368 7 349 3 588
-16°С 3 482 1 143 356
*Среднее арифметическое из серии трехкратного определения.
В результате показатели количества циклов до разрушения образца на ПБВ превышают показатели не модифицированного полимерами литого состава в 3,5-10 раз. Результаты, полученные в ходе этих исследований, еще раз подтверждают факт, что рациональный подбор материала дорожной одежды дает реальную возможность управлять долговечностью всех систем сооружения.
Основными причинами применения ПБВ в литых смесях являются следующие:
1. Климатические условия региона с температурами от -35 до +350С.
2. Отсутствие на рынке дорожных битумов с пенетрацией 30-50 ед.
3. Более низкая усталостная долговечность литых асфальтобетонов на битумах по сравнению с литыми асфальтобетонами на ПБВ.
4. Высокие интенсивности движения на мостовых сооружениях (от 20 до 130 тыс.авт./сутки), требующие от покрытий износостойкости, а так же минимизации затрат на простои транспорта вследствие ремонтов.
5. Использование шипованных шин.
Проведение испытаний на определение показателей сопротивления усталостным явлениям является одним из ключевых этапов в определении потенциальной долговечности системы покрытия мостового полотна. Ведь именно моделирование условий эксплуатации покрытия по показателям амплитуд колебаний ортотропных плит, частот этих колебаний, различных температур эксплуатации могут создать предпосылки к надлежащему
прогнозированию сроков бездефектной эксплуатации конструктивных элементов. Выполнять такие испытания следует, безусловно, как на отечественном оборудовании, упомянутом выше, так и с использованием отлично зарекомендовавшего себя метода т.н. «четырех точечного теста на изгиб» (four point bending beam tests) [7,8,9]. Прибор ФР-2 имеет некоторые ограничения по геометрическим параметрам образца-балки, что не позволяет испытывать образцы, непосредственно извлеченные из покрытия или имеющие крупность щебеночной фракции более 10 мм. Тесты, основанные на методиках AASHTO T321-03 и EN 12697-26 лишены этих ограничений.
Особое значение в современных условиях дорожного движения России в крупных городах приобретают проблемы абразивного износа верхнего слоя асфальтобетонного покрытия в зимнее время, от применения шипованных шин. Более всего от данного вида износа страдают скоростные полосы движения со средними скоростями транспортного потока более 80 км/час, либо городские улицы и магистрали с высокими показателями интенсивности движения легковых автомобилей. К сожалению, поверхностный абразивный износ явление многофакторное, включающее в себя влияние скорости движения автомобиля, массы применяемого типа шипа, наличия разметки на дорожном полотне, интенсивности движения, типа асфальтобетона, температуры и влажности покрытия и т.д.
Зарубежными коллегами выполнены серьезные исследования, позволившие всесторонне оценить влияние ускоренного износа покрытий на многие стороны жизни общества, начиная от загрязнения окружающей среды и шума до ежегодных финансовых потерь от преждевременного ремонта [10]. Например, Финская дорожная администрация оценила ежегодные затраты на ремонт по причине применения шипованной резины в 22 миллиона долларов США. Причем в течение 10 лет, по оценкам, один автомобиль с шипованными шинами снимает в среднем до 2,5 кг дорожного покрытия. В 60-х годах прошлого века с использованием несовершенных шипов этот показатель доходил до 11 кг [11]. Департамент транспорта штата Аляска (США) признал ущерб для автомагистралей штата ежегодно в 5 миллионов долларов. По данным департамента транспорта штата Орегон (США) подобный ущерб составил 37 миллиона долларов на хайвэях и 33 миллиона долларов на городской и местных сетях дорог [12].
Подобные исследования могут быть выполнены и в России для оценки ущерба. Тем не менее, применение износостойких каменных материалов, полимерно-битумных вяжущих, новых типов асфальтобетонов и добавок могут положительно повлиять на снижение удельных показателей износа. Особенностью применяемых в Санкт-Петербурге литых смесей является применение износостойких каменных материалов габброидных пород, высоко модифицированного ПБВ с повышенными показателями растяжимости и эластического восстановления. Ключевую роль в реологических характеристиках литых материалов играет асфальтовое вяжущее вещество (минеральный порошок и битумное вяжущее). Особенности структуры литых полимерасфальтобетонов подразумевают ее порово-базальную разновидность, с содержанием щебня до 50%, микроструктуры (асфальтовое вяжущее вещество) до 35%. Модифицированное полимерами СБС асфальтовое вяжущее вещество способно успешно демпфировать микро удары шипов в широком диапазоне температур. По-видимому, это одна из причин хороших результатов качественно подобранных литых полимерасфальтобетонов по показателю сопротивляемости механическому износу.
В таблице 2 представлены данные по испытанию степени абразивного износа асфальтобетонов тип А, щебеночно-мастичного асфальтобетона (далее ЩМА), литого ПАБ, образцы которых получены как при лабораторной формовке, так и путем извлечения из покрытий.
Таблица 2
Показатель сопротивляемости к износу от воздействия шипованной резины асфальтобетонных смесей, определяемый по методу Prall , в соответствии с методикой [13]
№ Наименование а/б смеси Показатель
пп износа,%
1 2 3
1 тип А марка 1 на БНД 60/90 (габбро*) 27
2 Литой ПАБ, тип 1 на ПБВ40, образец 1(габбро) 21
3 Литой ПАБ, тип 1 на ПБВ40, образец 2 (габбро) 17
4 Литой ПАБ, тип 1 на ПБВ40, образец 3 (габбро) 14
5 ЩМА-10 (габбро) 21
6 ЩМА -15 , ПБВ60 (габбро) 17
7 ЩМА 20, ПБВ-60 (габбро) 16
8 тип А марка 1 на ПБВ60 (габбро) 15
*Износостойкость по методу БРБЕЫ1097-9 - не более 10.
Как показывают проведенные исследования и мониторинг участков уложенных покрытий на металлических эстакадах, литой асфальтобетон с применением высоко полимеризированного ПБВ и габбро-диабазового щебня (45-50% щебеночных фракций размером от 5 до 20 мм) имеет сопоставимую, и в ряде случает лучшую сопротивляемость абразивному износу, даже по сравнению с покрытиями из ЩМА. Данные, подтверждающие высокую сопротивляемость литых полимерасфальтобетонов механическому износу, были представлены так же в докладе руководителя ФКУ ДСТО «СПб» Петушенко В.П. на конференции «Битум и ПБВ: актуальные вопросы 2013». Проведенный сотрудниками Дирекции мониторинг касался участков покрытий КАД из ЩМА с применением различных каменных материалов, битумных и полимерно-битумных вяжущих, покрытий из литых полимерасфальтобетонов , эксплуатирующихся в период 2010 - 2012 годов.
Другим наглядным примером долговечности служат участки КАД вокруг Санкт-Петербурга, эстакады основного хода ПК 521-523, ПК 516-523, эстакада 5 (ПК 581+80,3 -585+76,5) и эстакада 6 (ПК579+17,9 - 581+80,3), Большой Обуховский мост КАД вокруг Санкт-Петербурга второй очереди строительства. Здесь в 2007-2008 годах уложено двухслойное покрытие из литого полимерасфальтобетона. Около половины площадей этих эстакадных участков эксплуатировались до 2012 и 2013 годов без какого-либо вложения в ремонт. Остальная часть участков перекрыта для ликвидации колеи механического износа. Интенсивность на этих участках составляет до 150 тыс. авт./сутки (в обоих направлениях суммарно). Для сравнения стоит отметить, что подходы к данным участкам (участки насыпи и эстакад), устроенные в тот же период из уплотняемых смесей, заменены вследствие износа на два года ранее, чем участки из литого ПАБ [14].
В настоящий момент на базе Группы компаний «АБЗ-1» и ЗАО «Институт «Стройпроект» ведутся исследовательские работы по поиску наиболее долговечных составов литых смесей, в меньшей степени подверженных абразивному износу.
Наибольшей долговечностью обладают покрытия, состоящие из двух слоев литого ПАБ.
Крупные мостовые проекты
В 2002 году ОАО «АБЗ-1» и ЗАО «Экодор» осуществили крупный проект по устройству системы покрытия и гидроизоляции на Троицком мосту через р. Неву при его реконструкции.
На стационарных пролетах была реализована немецкая система гидроизоляции согласно действующим в Германии нормативам [15].
Рис. 2. Схема системы покрытия разводного пролета Троицкого моста, 2002 год
Рис. 3. Схема системы покрытия стационарного пролета Троицкого моста, 2002 год
На разводном пролете применена облегченная конструкция, состоящая из эпоксидного состава (защитно-сцепляющий и гидроизоляционный слой), нанесенного на ортотропную плиту и литого полимерасфальтобетона. Работы на Троицком мосту стали отправной точкой в масштабном применении литых асфальтобетонов российскими подрядчиками, в наращивании компетенций и приобретении опыта. Техническую поддержку, помощь в подборе гидроизоляционных материалов и их укладке оказывали германские инженеры, специалисты по системам гидроизоляции.
Уникальный опыт приобретен в ходе работ по устройству гидроизоляции и двухслойного покрытия металлических стационарных пролетных строений моста Володарского в июне-августе 2003 года. Консультационную поддержку производили специалисты немецких фирм "FLH Consult G&R" и "AGT GmbH". На ортотропной плите мостового полотна была применена патентованная технология фирмы "Teerbau" . Сложность работ заключалась в том, что на всех стационарных пролетах присутствовали поперечные
арматурные стержни диаметром до 15 мм, таким образом, нанесение наплавляемой гидроизоляции было невозможно. Поэтому на подготовленную струйно-абразивным методом поверхность степени Ба2.5 был нанесен специальный материал - праймер «OKTAHAFTMASSЕ» методом огневого напыления, когда струя праймера проходила сквозь горячий воздух. Толщина наносимого покрытия составляла до 0,7 мм. Затем, для перекрытия стержней и обеспечения гидроизоляционной защиты, наносили слой песчаного мастичного литого полимерасфальтобетона - аналога немецкого состава «ОКТАБЛЬТ» толщиной до 15-18 мм. На этот гидроизоляционный слой было уложено покрытие - два слоя литого полимерасфальтобетона (на высоко модифицированном ПБВ40), каждый по 35 мм. Верхние слои покрытия на этом мосту прослужили 8 лет без дефектов, однако их износ был обусловлен шипованными шинами и высокой интенсивностью движения - до 600 авт/час по полосе движения в пиковые часы.
Рис. 4. Схема системы покрытия стационарных пролетов Володарского моста, 2003 год
Рис. 5. Состояние покрытия Володарского моста через 8 лет эксплуатации, 2011 год.
В 2012 году ввиду износа верхнего слоя из литого полимерасфальтобетона и, местами, износа до гидроизоляции, было принято решение о восстановлении верхнего слоя мостового покрытия. Однако, вместо литого ПАБ, заказчиком было согласовано применение щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-15. Предположительно, данное решение было связано с некомпетентностью субподрядчика, а так же, с использованием «административного ресурса». В результате, уже спустя один год после укладки верхнего слоя из ЩМА, вдоль главной продольной балки жесткости мостовой конструкции образовались трещины в верхнем слое, шириной раскрытия от 0,3 до 1 мм. Таким образом, в Санкт-Петербурге уже накоплен негативный опыт укладки верхнего слоя асфальтобетонного покрытия из ЩМА на металлических мостах как балочной, так и подвесной систем. Связано это с комплексом причин, включающим как жесткость ортотропного настила, величину допустимых растягивающих напряжений в верхнем слое ЩМА, интенсивность движения и релаксационную способность материала покрытия, так и качество битумного вяжущего.
Совершенно иной масштаб приобрели укладка и производство литой смеси при строительстве Кольцевой автодороги (КАД) вокруг СПб, а именно - двух мостов вантовой системы, сданных в 2004 и 2007 годах (Большие Обуховские мосты). Именно в этих проектах литой асфальтобетон закрепился как основной материал систем гидроизоляции мостов до сегодняшнего дня. Следует отметить, что дефекты, связанные с трещинообразованием, сдвигами, пластической колеей на объектах КАД и, в частности, на Больших Обуховский мостах отсутствуют. Корректность подбора гранулометрического состава и вяжущего обеспечивает отсутствие пластических деформаций мостовых покрытий.
В Санкт-Петербурге продолжается реализация одного из крупнейших дорожно-мостовых проектов современной России - Западного скоростного диаметра (ЗСД), имеющего протяженность 47 км. ЗСД - это инвестиционный проект международного масштаба, реализуемый в Санкт-Петербурге. Создание ЗСД является крупнейшим в мире примером государственно-частного партнерства в сфере дорожного строительства. Это первая в России платная внутригородская магистраль скоростного движения. Около 25 км от общей длины составляют путепроводы, эстакады, мосты, 15 транспортных развязок, где неизменно в проектных решениях присутствует литой асфальтобетон. Как правило, это защитный слой гидроизоляции толщиной 40 мм, который укладывают на наплавляемое рулонное полотно. Верхний слой покрытия - это щебеночно-мастичный асфальтобетон ЩМА-15 толщиной 70 мм. В 2013 году на ЗСД силами Группы компаний «АБЗ-1» было уложено более 230 тыс. м2 слоев из литого полимерасфальтобетона [14].
Рис. 7. Макет системы гидроизоляции и покрытия на ЗСД (железобетонная плита, наплавляемый рулонный материал «Техноэластмост С», литой асфальтобетон на ПБВ, ЩМА)
Рис. 8. Укладка защитного слоя гидроизоляции на ЗСД, Санкт-Петербург, 2012 год.
Особенности систем гидроизоляции
В РФ литой асфальтобетон официально не является гидроизоляционным материалом. По этой причине он не рассматривается проектными организациями как элемент системы гидроизоляции. В то же время в Германии, чей опыт в мостостроении весьма весом, литой асфальтобетон включен в систему гидроизоляции [16]. Более того, литой асфальтобетон обязателен к применению в качестве защитного слоя покрытия на металлических и бетонных
мостах согласно нормативам серии ZTV-BEL [15,17]. Его минимальная толщина не может быть меньше 25 мм.
В России основная гидроизоляция на бетонных и металлических мостах представлена, как правило, наплавляемыми рулонными материалами, битумно-латексными составами, полиметилметакрилатами (ПММА) или полимочевиной. В Северо-западном регионе в большей степени применяют рулонные материалы (например «Техноэластмост С»), специально разработанные для возможности применения литого асфальтобетона и имеющие повышенную теплостойкость. Предположительно, рулонные материалы занимают не менее 80% от всего объема по гидроизоляции мостового полотна на строящихся и реконструируемых искусственных сооружениях. Верхние слои покрытия укладывают с применением литого асфальтобетона или ЩМА. Общая толщина асфальтобетонного покрытия на мостах составляет от 80 до 110 мм, в соответствии с действующими нормативными документами [18].
Особое значение литые асфальтобетоны приобретают в вопросе вытеснения устаревших систем покрытий железобетонных мостов. Разработанная в СССР, и подчас применяемая и сейчас, система покрытия с бетонным защитным слоем гидроизоляции является крайне недолговечной, водопроницаемой. Слои этой системы практически не имеют надлежащей адгезии между собой, что приводит к возрастанию внутренних напряжений и быстрому (2-5 лет) разрушению асфальтобетонных покрытий, повреждению изоляции [14]. Вместо защитного слоя из армированного бетона (30-60 мм) предлагается устройство защитного слоя гидроизоляции из литого асфальтобетона. При этом все конструктивные элементы мостового покрытия работают как монолит, с высочайшей степенью сцепления между собой. Такие решения в полной мере соответствует многолетней европейской практике мостовых покрытий и нашему опыту работы.
Мосты с разводными пролетами
Сейчас в Санкт-Петербурге около 13 действующих разводных мостов. Ранее действующих разводных мостов было больше, однако, конструктивно и теперь разводные пролеты присутствуют практически на всех мостах, предполагавших разведение.
Особенностью разводных пролетов являются следующее:
1. Относительно тонкослойные покрытия из литого полимерасфальтобетона, толщиной от 50 до 30 мм.;
2. Большие углы наклона разводных пролетов при подъеме;
3. Наличие на всех пролетах стальных арматурных стержней;
4. Большие усилия сдвига и риск сползания покрытия при разводке моста;
5. Отсутствие четко выработанных требований к гидроизоляции;
6. Отсутствие практики, опыта и методик проведения анализа совместимости защитно-сцепляющих и гидроизоляционных слоев с материалами покрытия;
7. Высокая интенсивность зимнего движения легковых автомобилей с шипованной резиной по крупным городским мостам;
8. Запрет на перегруз пролета и точный расчет массы предполагаемой укладки.
Рис. 9. Разведение моста в Санкт-Петербурге
Для демонстрации технической сложности конструкций можно упомянуть такие цифры, касающиеся конструкции Дворцового моста: длина моста 250 м; разводной пролет длиной 57 м; ширина пролета 28 м; масса одного крыла разводного пролета 700 тонн; масса противовеса одного крыла 1400 тонн.
Согласно действующему нормативу [18] толщина покрытий на металлических мостах должна быть не менее 80 мм. Требования к разводным пролетам в документе отсутствуют. Средняя фактическая толщина укладываемых слоев составляет 35 мм. Данный факт и высокая интенсивность не позволяют гарантировать отсутствие абразивного износа от шипованной резины в течение 4 лет эксплуатации. Углы наклона крыла разводного пролета могут достигать 50-700. Поперечные арматурные стержни гладкого или периодического профиля длиной 30-40 мм наварены на ортотропны настил и служат для повышения механического сцепления покрытия с настилом.
Рис. 10. Устройство системы гидроизоляции фирмы «Sika» на разводном пролете
Дворцового моста, 2013 год
Как показывает практика устройства покрытий на разводных пролетах, материалы гидроизоляции от ремонта к ремонту могут кардинально отличаться. Применяются системы, где в качестве основного материала, защищающего ортотропную плиту от агрессивного воздействия фигурирует лишь литой полимерасфальтобетон, уложенный на подгрунтовку из полимерно-битумного праймера. Об укладке литого ПАБ на эпоксидный праймер на Троицком мосту было сказано выше.
На разводном пролете Дворцового моста и разводном пролете моста через реку Свирь (Ленинградская область, автодорога «Кола») применена отлично зарекомендовавшая себя гидроизоляционная система фирмы «Sika», состоящая из двух слоев эпоксидных материалов (защитно-сцепляющий и гидроизоляционный слой), т.н. «буферного» теплостойкого слоя «Esha Isoton» для защиты эпоксидных составов от температурного воздействия литого асфальтобетона. Слои покрытия были устроены из литого ПАБ толщиной 50 мм (Дворцовый мост) и 65 мм (мост на р.Свирь).
Рис. 11. Конструкция системы покрытия разводного пролета моста через р.Свирь, 2010 год
Рис. 12. Покрытие моста через р.Свирь, 2011 год
На стационарный пролетах моста через р. Свирь была полностью заменена рулонная гидроизоляция и покрытие. Вновь уложенное покрытие состоит из двух слоев литого ПАБ толщиной по 45 мм каждый.
Реконструкция Ладожского моста через р. Неву, в районе г. Шлиссельбурга (открыт в 1981 году) является еще одним примером правильного выбора материала покрытия для решений вопроса долговечности мостового сооружения. Мост имеет следующие параметры: длина 655 м, ширина 24 м. Ортотропная плита стационарных и разводного пролета толщиной 12 мм. Продольная и поперечная ровность ортотропного настила неудовлетворительная, однако, технические параметры пролетных строений и опорных частей не позволили применить необходимое выравнивание без критического перегруза пролетов. В соответствии с протоколом технического совещания от 02 ноября 2012 года «...поперечные уклоны верхнего и нижнего слов асфальтобетонного покрытия верхнего и нижнего слов могут иметь диапазон значений от 10 до 370/оо, а общая толщина покрытия от 52 до 93 мм.». При анализе геодезической съемки было определено, что для минимально необходимого выравнивания продольного и поперечного профилей мостового полотна до проектных требований (поперечный уклон 200/00) и обеспечений комфортного проезда требуются локальные выравнивания до 150 мм. Все эти данные свидетельствуют о существующей проблеме ровности ортотропного настила, как на реконструируемых мостах, так и на вновь строящихся.
Система покрытия и гидроизоляции состояла из следующих технологических операций и материалов:
1. Обработанная методом пескоструйной очистки ортотропная плита до степени Sa 2.5;
2. Подгрунтовка битумно-полимерным праймером с расходом до 250 г/м2;
3. Битумно-латексная гидроизоляция «Дорфлекс» толщиной 3 мм.;
4. Литой ПАБ тип 1 по ГОСТ Р 54401 (макс. фракцией щебня 15 мм) средней толщиной 35 мм.;
5. Литой ПАБ тип 1 по ГОСТ Р 54401 (макс. фракцией щебня 20 мм) средней толщиной 35 мм.;
6. Поверхностная обработка черненым щебнем фракции 5-10 мм с расходом 10-13
кг/м2.
При работе на разводном пролете Ладожского моста встал вопрос о совместимости материалов гидроизоляции и литого полимерасфальтобетона. На сегодняшний день в РФ нет практики проверки совместимости материалов, как нет и утвержденной методики на тестирование прочности системы покрытия на сдвиг. Данная методика испытаний описана в европейском нормативе EN 13653:2004. Изначально в проектное решение по разводному пролету была внесена обмазочная мастичная гидроизоляция из битумно-полимерной мастики с последующим нанесением литого ПАБ. Однако, уже в рабочей документации, она была заменена гидроизоляцией с применением полимочевины. Стоит отметить, что на поверхности ортотропного настила разводной части, толщиной не более 12 мм, присутствовали арматурные стержни диаметром до 15 мм. Нанесенный подрядчиком гидроизоляционный слой из полимочевины обрабатывали битумным праймером для обеспечения адгезии с асфальтобетоном с расходом до 200 г/м2. Затем был уложен литой ПАБ толщиной до 35 мм в полном соответствии со стандартом [19]. После первого года эксплуатации на поверхности литого ПАБ появились продольные и поперечные трещины. Вскрытие литого асфальтобетона показало потерю взаимной адгезии гидроизоляции и литого ПАБ, что привело к возрастанию внутренних напряжений в материале (особенно в зимний период эксплуатации) и утрате сплошности покрытия. Вероятно, на долговечность работы конструкции повлияла и толщина ортотропного настила.
Рис. 6. Верхний слой 2-х слойного покрытия из литого полимерасфальтобетона. Стационарные пролеты Ладожского моста через р. Нева, 2012 год
Рис. 12. Продольные трещины в покрытии разводного пролета, Ладожский мост, 2013 год
Опыт укладки литого ПАБ на полимочевинную композицию показал необходимость проверки совместимости материалов по показателю усилия при сдвиге между слоями гидроизоляции и асфальтобетонным покрытием в разных температурных режимах (по европейской методике [20]). Например, Британский стандарт на системы гидроизоляции [21] определяет данные величины равными не менее 0,1-0,4 МПа в зависимости от тестовых
температур и толщин покрытий. В условиях отсутствия утвержденных методик подобных тестов, крайне важна исследовательская и практическая работа по сравнительному определению усилия при сдвиге для выбранных гидроизоляционных материалов, для конкретного мостового сооружения [22].
На наш взгляд, на больших мостовых конструкциях, имеющих металлические пролетные строения, уникальные конструктивные параметры и жесткие условия эксплуатации, проведение испытаний на совместимость гидроизоляционных материалов из ПММА (полиметилметакрилат) и полимочевины обязательны. Европейские профессиональные организации строго контролируют вопрос совместимости материалов систем покрытия на мостовых сооружениях, в том числе, проводя сертификационные испытания в лабораторных и натурных условиях.
Вывод. Литые полимерасфальтобетоны прочно вошли в практику устройства покрытий на мостовых сооружениях. Ежегодные объемы производства смеси в России неуклонно возрастают. Литые ПАБ применены на большом количестве ответственных мостовых сооружений. Уже сейчас экономическая выгода от применения этого долговечного материала, с точки зрения затрат жизненного цикла, очевидна и проектировщикам и заказчикам крупных городских и федеральных мостовых проектов. Доказательная база необходимости и, в ряде случаев, обязательности применения литых полимерасфальтобетонов в целях увеличения сроков службы мостовых сооружений может и должна быть расширена комплексом сравнительных лабораторных и натурных испытаний. Эти испытания следует проводить как по известным инженерам-дорожникам методикам, так и с использованием вновь разрабатываемых тестов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Manfred Eilers, Eberhard Küchler, Bert Quaas. Temperaturen an der Unterseite orthotroper Fahrbahntafeln beim Einbau der Gussasphalt-Schutzschicht Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen - Brücken- und Ingenieurbau. — Wirtschaftsverlag N. W. Verlag für neue Wissenschaft GmbH, 2003. — Vol. 41. — 42 p. — ISBN 978-389701-998-0.
2. Маринин А.Н. Гарибов Р.Б. Овчинников И.Г. Сопротивление железобетонных конструкций воздействию хлоридной коррозии и карбонизации. Саратов; «Рата», 2008. 259 с.
3. Овчинников И.Г. Раткин В.В. Землянский А.А. Моделирование поведения железобетонных элементов конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащих сред. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2000. 232 с.
4. Васильев А.И. Подвальный A.M. Прогноз коррозии арматуры железобетонных конструкций автодорожных мостов в условиях хлоридной агрессии и карбонизации / Бетон и железобетон. 2002. №6. С. 27-32.
5. ГОСТ Р 52056-2003 Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополимеров типа стирол-бутадиен-стирол. Технические условия.
6. The Mastic Asphalt Industry- A Global Perspective. Final version EMAA/HSE Working Group. March 2013.-30 p.
7. EN 12697-26, "Bituminous mixtures - Test methods for hot mix asphalt - Part 26: Resistance to fatigue", 2004.
8. AASHTO, "AASHTO Standard Specifications For Transportation Materials And Methods Of Sampling And Testing." 23rd Edition, Part 2B. T321-03: Determining the Fatigue Life of Compacted Hot-Mix Asphalt (HMA) Subjected to Repeated Flexural Bending, AASHTO, Washington,D.C, 2003.
9. С. К. Иллиополов, Е. В. Углова. Долговечность асфальтобетонных покрытий в условиях роста динамического воздействия транспортных средств. -Информавтодор. , 4/2007.
10. Alppivuori, K., Leppänen, A., Anila, M. and Mäkelä, K. (1995). Road Traffic in Winter: Summary of publications in the research program. Finnish National Road Administration, Helsinki.
11. Leppanen, A, "Final Results of Road Traffic in Winter Project: Socioeconomic Effects of Winter Maintenance and Studded Tires", Transportation Research Record 1533, TRB, National Research Council, Washington, D.C., 1996, pp. 27-31.
12. Brunette, B., and Lundy, J., "Use and Effects of Studded Tires on Oregon Pavements", Transportation Research Record 1536, TRB, National Research Council, Washington, DC., 1996, pp. 64-72.
13. EN 12697-16-2003 «Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt. Test methods for hot mix asphalt - Part 16: Abrasion by studded tyres».
14. А. В. Покровский. Литые асфальтобетоны. Особенности применения// Автомобильные дороги. — 2013. — № 7. — С. 86-89.
15. ZTV-BEL-B Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Beton
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 5 (24), сентябрь - октябрь 2014
http://naukovedenie.ru [email protected]
16. «ZTV-ING Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten. Teil 7 Brückenbeläge.
17. ZTV-BEL-ST 92 "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Stahl"
18. СП 35.13330.2011. СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы (Актуализированная редакция). — 2011.
19. ГОСТ Р 54401-2011 «Асфальтобетон дорожный литой горячий. Технические требования».
20. EN 13653:2004 «Flexible sheets for waterproofing - Waterproofing of concrete bridge decks and other concrete surfaces trafficable by vehicles - Determination of shear strength»
21. BD 47/99 "Waterproofing and Surfacing of Concrete Bridge Decks"
22. Овчинников И.Г., Дьяков К.А., Черсков Р.М., Зинченко Е.В. Влияние типов гидроизоляции и дорожной одежды мостовых сооружений на сопротивляемость деформациям сдвига// Строительные материалы. М. 2011, №10, с. 50-54.
Рецензент: Заместитель Председателя Поволжского отделения Российской академии транспорта, академик РАТ, доктор технических наук, профессор Овчинников Игорь Георгиевич.
Alexey Pokrovskiy
JSC "Ecodor" (Group of companies "ABZ-1") Russia, Saint-Petersburg E-Mail: [email protected]
A brief overview of experience in the application of cast polymer asphalt on bridge structures in the north-western region of the Russian Federation
Abstract. The article gives brief overview of the application of mastic asphalt as a bridge pavement material in North-Western region of Russia. Mastic asphalt is the most commonly used material in North and Central Europe countries for bridge water proofing protective layers. The use of mastic asphalt technology in Russia has been growing steadily since 2000s. For the first time, the data on Russian mastic asphalt market has been collected and analyzed. The major factors affecting the quality and sustainability of bridge pavements have been identified for the current conditions in Russia. The author presents data on the unique reconstruction projects of the urban bridges using mastic asphalt.
Analysis was performed on mastic asphalt properties such as fatigue resistance and abrasive wear resistance. It allowed to come to the conclusion about the favorable prospects of further mastic asphalt use on metal and concrete bridges, including those with high traffic intensity.
The unique design of urban movable span bridges requires a careful study of the future waterproofing system in each case. The author emphasizes the importance of applying some positively proved international testing methods for waterproofing materials and systems.
Keywords: Mastic asphalt; polymer-modified bitumen; waterproofing; bridge pavement; movable span; felt; epoxy; adhesion; abrasive wear; fatigue resistance; service life; bridge.
REFERENCES
1. Manfred Eilers, Eberhard Küchler, Bert Quaas. Temperaturen an der Unterseite orthotroper Fahrbahntafeln beim Einbau der Gussasphalt-Schutzschicht Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen - Brücken- und Ingenieurbau. — Wirtschaftsverlag N. W. Verlag für neue Wissenschaft GmbH, 2003. — Vol. 41. — 42 p. — ISBN 978-389701-998-0.
2. Marinin A.N. Garibov R.B. Ovchinnikov I.G. Soprotivlenie zhelezobetonnykh konstruktsiy vozdeystviyu khloridnoy korrozii i karbonizatsii. Saratov; «Rata», 2008. 259 s.
3. Ovchinnikov I.G. Ratkin V.V. Zemlyanskiy A.A. Modelirovanie povedeniya zhelezobetonnykh elementov konstruktsiy v usloviyakh vozdeystviya khloridsoderzhashchikh sred. Saratov: Sarat. gos. tekhn. un-t, 2000. 232 s.
4. Vasil'ev A.I. Podval'nyy A.M. Prognoz korrozii armatury zhelezobetonnykh konstruktsiy avtodorozhnykh mostov v usloviyakh khloridnoy agressii i karbonizatsii / Beton i zhelezobeton. 2002. №6. S. 27-32.
5. GOST R 52056-2003 Vyazhushchie polimerno-bitumnye dorozhnye na osnove bloksopolimerov tipa stirol-butadien-stirol. Tekhnicheskie usloviya.
6. The Mastic Asphalt Industry- A Global Perspective. Final version EMAA/HSE Working Group. March 2013.-30 p.
7. EN 12697-26, "Bituminous mixtures - Test methods for hot mix asphalt - Part 26: Resistance to fatigue", 2004.
8. AASHTO, "AASHTO Standard Specifications For Transportation Materials And Methods Of Sampling And Testing." 23rd Edition, Part 2B. T321-03: Determining the Fatigue Life of Compacted Hot-Mix Asphalt (HMA) Subjected to Repeated Flexural Bending, AASHTO, Washington,D.C, 2003.
9. S. K. Illiopolov, E. V. Uglova. Dolgovechnost' asfal'tobetonnykh pokrytiy v usloviyakh rosta dinamicheskogo vozdeystviya transportnykh sredstv.- Informavtodor. , 4/2007.
10. Alppivuori, K., Leppänen, A., Anila, M. and Mäkelä, K. (1995). Road Traffic in Winter: Summary of publications in the research program. Finnish National Road Administration, Helsinki.
11. Leppanen, A, "Final Results of Road Traffic in Winter Project: Socioeconomic Effects of Winter Maintenance and Studded Tires", Transportation Research Record 1533, TRB, National Research Council, Washington, D.C., 1996, pp. 27-31.
12. Brunette, B., and Lundy, J., "Use and Effects of Studded Tires on Oregon Pavements", Transportation Research Record 1536, TRB, National Research Council, Washington, DC., 1996, pp. 64-72.
13. EN 12697-16-2003 «Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt. Test methods for hot mix asphalt - Part 16: Abrasion by studded tyres».
14. A. V. Pokrovskiy. Litye asfal'tobetony. Osobennosti primeneniya// Avtomobil'nye dorogi. — 2013. — № 7. — S. 86-89.
15. ZTV-BEL-B Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Beton
16. «ZTV-ING Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten. Teil 7 Brückenbeläge.
17. ZTV-BEL-ST 92 "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Stahl"
18. SP 35.13330.2011. SNiP 2.05.03-84* Mosty i truby (Aktualizirovannaya redaktsiya). — 2011.
19. GOST R 54401-2011 «Asfal'tobeton dorozhnyy litoy goryachiy. Tekhnicheskie trebovaniya».
20. EN 13653:2004 «Flexible sheets for waterproofing - Waterproofing of concrete bridge decks and other concrete surfaces trafficable by vehicles - Determination of shear strength»
21. BD 47/99 "Waterproofing and Surfacing of Concrete Bridge Decks"
22. Ovchinnikov I.G., D'yakov K.A., Cherskov R.M., Zinchenko E.V. Vliyanie tipov gidroizolyatsii i dorozhnoy odezhdy mostovykh sooruzheniy na soprotivlyaemost' deformatsiyam sdviga// Stroitel'nye materialy. M. 2011, №10, s. 50-54.
