CC BY
35УДК 625.861
В.Ф. КОРОВЯКОВ, д-р техн. наук, ГУП «НИИМосстрой»; ЧАН ТУАН МИ, инженер, Московский государственный строительный университет
Литые бетонные смеси для дорожного строительства
В Российской Федерации строят в основном асфальтобетонные дороги, а на Западе — бетонные. По статистике, их в США — 60%, Германии 38%, Австрии — 46%, в то время как в России — всего 3%. Такое положение с бетонными дорогами сложилось еще в советские времена, когда дорожникам не хватало портландцемента, который шел на великие стройки. В те годы существовала установка на приоритетное использование сборного железобетона, в том числе и для строительства дорог. Однако практика показала, что бетонные дороги не стали эффективной альтернативой асфальтобетонным.
Прочный, долговечный, износоустойчивый цементный бетон показал себя с самой лучшей стороны в качестве материала для дорожных оснований и покрытий. Расчеты подтверждают, что применение цементного бетона дает существенную экономию. Устройству бетонного покрытия должна предшествовать подготовка подстилающего слоя и основания. Особенно важным является устройство надежного дренажа, чтобы при последующей эксплуатации дороги несвязные слои дорожной одежды не размывались, что может привести к появлению просадок морозного пучения и, как следствие, дефектам покрытия. Чем лучше будет подготовлен подстилающий слой, тем меньше времени и затрат потребуется на укладку покрытия из бетонной смеси.
Покрытие непосредственно воспринимает нагрузки и обеспечивает безопасный проезд автомобилей с расчетной скоростью. Его можно строить из неармирован-ного или армированного цементного бетона.
Основание под цементобетонное покрытие необходимо устраивать так, чтобы уменьшить давление от ав-
томобилей на подстилающий грунт и коробление бетонного покрытия под действием температуры, а также предотвращать выдавливание увлажненного грунта из-под краев и через швы покрытия; обеспечивать ровность и устойчивость дорожной одежды против неравномерных вертикальных смещений; повышать прочность и трещиностойкость покрытия.
По существующей технологии строительства бетонных покрытий применяют малоподвижные, подвижные и литые бетонные смеси в зависимости от технологии укладки и уплотнения. При этом бетонные покрытия могут быть одно- и двухслойными. Верхний слой покрытия должен быть не меньше 6 см.
Использование бетонных смесей с малой удобоукла-дываемостью требует применения специального оборудования, как для укладки, так и для уплотнения. Эти работы характеризуются высокой энергоемкостью оборудования.
Другие возможности появляются при использовании литых самоуплотняющихся бетонных смесей (Self-Compacting Concrete — SCC).
Самоуплотняющиеся бетонные смеси распределяются и уплотняются в основном под действием собственного веса, что и определяет эффективность их применения. Они характеризуются таким же или меньшим на 3—7% по сравнению с бетонами из малоподвижных смесей расходом цемента и не уступают им по прочности, деформативности и морозостойкости.
Технико-экономическая эффективность применения бетонов из литых смесей обеспечивается значительным снижением трудозатрат при устройстве дорожных оснований и покрытий, улучшением условий труда,
Таблица 1
Удобоукладываемость смеси Состав литого бетона, кг/м3 Прочность, в возрасте 28 сут, МПа Класс бетонов
Осадка конуса, см МКВ**/Ц П Щ В МК МП ГП В/В при сжатии при изгибе
25 400/308 650 1170 180 32 60 3,23 0,31 51,4 6,3 В40
25 450/354 650 1170 202,5 36 60 3,63 0,35 64,3 7,3 В50
25 550/446 650 1170 247,5 44 60 3,35 0,45 76,5 8,2 В60
20-22 350/269 650 1170 157,5 21 60 2,42 0,27 35 5,1 В30
20-22 400/316 650 1170 180 24 60 2,84 0,32 48 6,1 В40
20-22 450/340,5 650 1170 202,5 49,5 60 3,06 0,34 66 7,6 В50
16-18 350/269 650 1170 157,5 21 60 2,42 0,27 35 5,1 В30
16-18 400/316 650 1170 180 24 60 2,53 0,32 48 6,1 В40
16-18 450/340,5 650 1170 202,5 37,4 60 2,72 0,34 66 7,6 В50
16-18* 490* 600* 1150* 185* - - 3,43 (С-3) - 38,6 4,5 В30
* Контрольный образец. Марка бетона по водонепроницаемости W12 и марка бетона по морозостойкости F200. ** Модифицированное композиционное вяжущее.
октябрь 2012
7
Рис. 1. Литой бетон в возрасте: а - 28 сут; б - 90 сут нормального твердения (1000 кратное увеличение)
МК, % от массы МКВ
Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии литого бетона от расхода микрокренезема при различных расходах цемента (1-3 - Цмкб = 350; 400; 450 кг/м3); в возрасте 28 сут
МК, % от массы МКВ
Рис. 3. Зависимость прочности на растяжение при изгибе литого бетона от расхода микрокренезема при различных расходах цемента (1-3 - Цмкб = 350; 400; 450 кг/м3); в возрасте 28 сут
уменьшением энергоемкости и стоимости строительства дорог.
Самоуплотняющиеся бетонные смеси для возведения надземных конструкций зданий и сооружений, как правило, состоят из портландцемента, воды, мелкого и крупного заполнителей, тонкодисперсного минераль-
ного наполнителя, эффективного пластификатора и некоторых других добавок, позволяющих регулировать определенные свойства смеси и бетона [1].
Для достижения высоких эксплуатационных характеристик самоуплотняющихся бетонных смесей и бетонов из них предъявляются очень жесткие требования к исходным материалам. Самоуплотняющаяся бетонная смесь должна характеризоваться низким водоцемент-ным отношением 0,38—0,4, при этом обеспечивая высокие показатели удобоукладываемости — 50—70 см (по расплыву конуса) и ОК более 20 см.
В ГУП «НИИМосстрой» в содружестве с кафедрой технологии вяжущих веществ и бетонов МГСУ разработаны и изучены самоуплотняющиеся бетонные смеси и бетоны применительно к использованию их для устройства бетонных оснований и покрытий дорог, обустройства дворовых территорий. К дорожным бетонам предъявляются особые требования, связанные с условиями их эксплуатации. Поэтому целью исследований было получение литых бетонных смесей для устройства дорожных покрытий, способных к самоуплотнению, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства и долговечность.
В работе использовали несколько видов портландцемента, характеризующихся нормированным химико-минералогическим составом, но отличающихся активностью. В качестве крупного заполнителя использовали гранитный щебень (Щ) фракции 3—10 мм, в качестве мелкого — мытый (обогащенный) кварцевый песок (П) максимальной крупностью 1,25 мм (более крупная фракция отсеивалась). Кроме того, применяли тонкодисперсные компоненты: микрокремнезем (МК), молотый кварцевый песок (МП). В качестве добавок использовали суперпластификатор С-3 (как наиболее распространенный), гиперпластификатор (ГП) на основе карбоксилатов (Sika ViscoCrete-5 Neu), микроволокно, воздухововлекающую добавку.
Использование микрокремнезема обосновано тем, что необходимо получить бетон, характеризующийся высокими показателями плотности структуры, водонепроницаемости и морозостойкости.
Микрокремнезем — это высокореакционная пуццо-лановая добавка, необходимая для получения более долговечного и прочного цементного камня [2, 3].
Молотый кварцевый песок использовался как тонкодисперсная добавка-наполнитель, способствующая уплотнению структуры бетона.
8
октябрь 2012
jVJ ®
I, сут
Рис. 4. Изменение прочности при сжатии разработанного бетона во времени
Высокоэффективные поликарбоксилатные суперпластификаторы, получившие коммерческое название гиперпластификаторы, выбраны в связи с тем, что их реальные возможности снижения водоцемент-ного отношения (до 40%) и разжижения бетонной смеси значительно выше, чем традиционных полиме-тиленнафталинсульфонатов и полиметиленмеламин-сульфонатов.
Исследованиями установлено, что использование комплексной добавки позволило получить бетон с улучшенными характеристиками, а именно:
• повышение стойкости к истиранию на 20%;
• повышение прочности при сжатии на 35—50%;
• более высокая ранняя прочность при твердении в нормальных условиях;
• увеличение водонепроницаемости на 50%;
• повышенная морозостойкость в солях (до 2 раз выше требуемой).
В табл. 1 приведены составы и прочностные характеристики полученных бетонов.
В результате исследований получены самоуплотняющиеся бетоны с прочностью при сжатии от 43 до 76 МПа и при изгибе от 5 до 9,5 МПа при расходе портландцемента не более 370 кг на 1 м3 бетона. Как видно из полученных данных, прочностные показатели разработанных бетонов значительно превышают нормативные.
Результаты испытаний образцов самоуплотняющихся бетонов позволяют рекомендовать их для устройства дорожных покрытий повышенной долговечности. Об этом свидетельствуют результаты испытаний на морозостойкость в солях (350—550 циклов), истираемость (менее 0,4) и высокая коррозионная стойкость.
Установлено, что особенно эффективны SCC, модифицированные гиперпластификатором и микрокремнеземом. Для изучения микроструктуры и характера пористости бетона использовали электронный микроскоп. Результаты исследований, подтвердили теоретические положения, что рациональный состав и модифицирование комплексной добавкой, состоящей из гиперпластификатора с микронаполнителями из кремнезема, способствуют получению оптимальной структуры и свойств самоуплотняющегося бетона (рис. 1).
Самоуплотняющиеся бетонные смеси могут применяться при строительстве монолитных оснований и покрытий дорог (как однослойных, так и двухслойных). Конструкция покрытия и всей дорожной одежды определяется проектом. Поперечный и продольный уклоны на участках покрытия (основания), где для бетонирования применяются самоуплотняющиеся бетонные сме-
Таблица 2
Масса образцов, г Потеря массы, Дт, г Площадь образца, F,см2 Истираемость, ^ г/см2
Исходная После испытания
861 845 16 49 0,3
873 854 19 49 0,4
си, не должны превышать 3%. Дальнейшее увеличение уклонов вызывает необходимость введения в смесь фибры или уменьшения подвижности.
На рис. 2 и 3 представлены зависимости прочности литого бетона при сжатии и изгибе от расхода микрокремнезема и цемента. На рис. 4 приведен график роста прочности бетона во времени.
Установлено, что морозостойкость литого бетона с использованием воздухововлекающей добавки Sika Лег выше 300 циклов (нормируемые 200).
Долговечность дорожного бетона определяется не только стойкостью к действию климатических факторов, но и стойкостью к эксплуатационным воздействиям, одним из которых является стойкость к действию абразивного износа. Многолетний опыт эксплуатации цементобетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов показал высокую устойчивость бетона против действия комплекса факторов, вызывающих износ материала.
Испытания на истираемость проводились на круге истирания ЛКИ-2 по стандартной методике.
Результаты проведенных исследований приведены в табл. 2.
Как следует из табл. 2, истираемость разработанных литых бетонов значительно ниже допустимого значения 0,7 г/см2.
Результаты лабораторных исследований прочностных, деформативных и эксплуатационных свойств бетонных смесей позволяют утверждать, что получены литые бетоны для дорожных покрытий, что обеспечивается модифицированием структуры литого бетона введением комплексной добавки, состоящей из гиперпластификатора, микрокремнезема и молотого песка.
Технологические свойства литой бетонной смеси и эксплуатационные свойства полученного бетона превышают требования, предъявляемые к бетонам для дорожных покрытий, и могут быть рекомендованы для устройства дорожных покрытий улиц, дорог, дворовых территорий.
Ключевые слова: литой бетон, самоуплотняющийся бетон, дорожное покрытие, долговечность, гиперпластификатор.
Список литературы
1. Баженов Ю.М. Бетоны повышенной долговечности // Строительные материалы. № 7—8. 1999. С. 21—22.
2. Батраков В.Г., Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Силина Е.С. Модифицированные бетоны в практике современного строительства // Промышленное и гражданское строительство. 2002. № 9. С. 23—25.
3. Каприелов С.С. Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов // Бетон и железобетон. 1995. № 4. С. 16-20.
¡■Л ®
октябрь 2012
9
