CC BY
15Голубева Е.А., аспирант
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ), Антонов Ю.Б., канд. техн. наук, директор ООО «ЦУПНовигатор»,
Прокопец В. С., д-р техн. наук, профессор Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
Рапопорт П. Б., канд. техн. наук, доцент Сибирский государственный университет путей сообщения
О ПЕРСПЕКТИВАХ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРЦЕМЕНТОГРУНТОВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
В настоящее время большая часть российских автомобильных дор ог по тр анспортно -эксплуатационному состоянию отстает от мирового уровня на 40-50 лет. При этом три четверти дорог страны требуют срочного ремонта, свыше 70 процентов автомобильных дорог не приспособлены к движению современных большегрузных автомобилей. Из-за дефектов дорожной одежды и, как следствие, малой скорости автоперевозок, и из-за несоответствия транспортно-эксплуатационного состояния дорог размерам движения, скоростным и весовым параметрам современных транспортных средств объем упущенной выгоды оценивается в 12 миллиардов долларов США ежегодно.
За последние 15 - 20 лет возросла интенсивность движения, и изменился состав транспортного потока, к чему дорожно-транспортная инфраструктура оказалась не готова.
Одной из причин сложившегося положения дел является несовершенство применяемых при проектировании методов расчёта и конструирования дорожных одежд.
Методика проектирования дорожных одежд автомобильных дорог представлена в действующих нормативных документах (НД) и направлена на обеспечение требуемого уровня надежности и долговечности с учетом ресурсных возможностей.
Условия, обеспечивающие надежность и долговечность дорожных конструкций определялись более 20 лет назад, изначально для условий европейской части 2-й и 3-й дорожно-климатических зон.
Именно в этих зонах были первоначально организованы посты и станции для наблюдений за водно-температурным режимом земляного полотна и проводились систематические обследования дорог силами, главным образом, СоюздорНИИ его Ленинградского филиала, а также МАДИ и СибАДИ.
Позже стали развиваться исследования этого плана в других регионах страны в зоне вечной мерзлоты, в Сибири, на Дальнем Востоке в условиях засушливой зоны Казахстана и Средней Азии, уже широким кругом орга-низ ации, кафедр и других научных коллектив ов все эти исследования велись по существу на единой теорети-
ческой основе. И все они предусматривали:
- постановку долговременных наблюдений на постах и станциях;
- проведение систематического обследования дорог с целью выяснения фактического характера их работы;
- обработка, обобщение и систематизация получаемых результатов обследования;
- сопоставление полученных данных с результатами теоретических р асчетов;
- обоснование эмпирических коэффициентов, уточняющих методику р асчетов.
Опыт, данные практики, корректировка на их основе теоретических положений в течение всех предшествующих лет были основой совершенствования норм.
В результате, в теоретические зависимости вводились эмпирические коэффициенты, обеспечивающие приближение результатов расчётов к реальным условиям работы дорожной одежды (а -коэффициент), учитывающий различие в реальном и лабораторном режимах растяжения повторной нагрузкой, а также вероятность совпадения во времени расчетной (низкой) температуры покрытия и расчетного состояния грунта рабочего слоя по влажности). Величины значений эмпирических коэффициентов составляют от 0,4 до 6. Большие значения и многочисленность эмпирических коэффициентов, которые практически определяют степень нашего незнания о реальных условиях работы конструкций, доказывают, что существующие методы расчёта не достаточно корректно отражают работу дорожной одежды в составе конструкции реальной дороги.
Необходимо отметить, что значения эмпирических коэффициентов получены на основе анализа состояния и изменения состояния дорожных одежд автомобильных дорог, существующих на момент обследования, т.е. построенных до 1980 года.
Вместе с тем, следует учесть, что нормы, созданные на основе практических данных, эффективны только в тех условиях, для которых они создавались. Возможно, этим объясняется наблюдаемые на практике многочисленные случаи преждевременного разрушения дорожных одежд во всех климатических зонах.
Конструкции современных дорожных одежд не выдерживают новых нагрузок. Во многих случаях не учитываются климатические условия региона, в этой связи неоднократно делались и делаются попытки пересмотр а или дополнения существующих методик р асчета до -рожных одежд..
Со времени разработки действующих норм, изменились:
- требования к автомобильной дороге;
- состав транспортных потоков, виды транспортных средств;
- строительные материалы, из которых изготавливаются дорожные одежды;
- свойства традиционных материалов, непосредственно в конструктивных слоях;
- технологии и способы строительства дорожных одежд.
Нормы совершенствуются, в них вводятся соответствующие коррективы, но они все равно не поспевают за постоянно прогрессирующими возможностями промышленности, техники и т.д. К тому же обновление норм требует больших затрат, финансовых, материальных и интеллектуальных, привлечение многочисленных научных коллективов, в том числе и для организации систематических повсеместных наблюдений за состоянием дорожных одежд автомобильных дорог различных технических категорий в различных дорожно-климатичес-ких зонах с последующей обработкой и систематизацией получаемых данных.
Изменение состояния автомобильных дорог происходит в результате внешних воздействий на фоне внутренних процессов происходящих в конструктивных слоях дороги. Внешнее возмущающее воздействие эксплуатационных нагрузок, действие которых наряду с сило -вым воздействием может сопровождаться изменением температурно-влажностного режима среды, и соответственно температурно-влажностными деформациями составляющих конструктивных слоёв и земляного полотна. Автомобильная дорога, как сложная динамическая система, обусловлена изменением структуры материалов конструктивных слоёв, в следствие интенсивного протекания физико-химических процессов приводит к определённым структурным и гранулометрическим изменениям в материалах. Происходит снижение во времени деформативных характеристик материалов и конструктивных слоёв из них, перераспределение напряжений в составляющих конструктивных слоях и, в конечном счёте, преждевременному выходу из строя участков автомобильной дороги. Причинами повреждений, в числе прочих, являются и коррозионные процессы, развивающиеся в результате неблагоприятного воздействия окружающей среды.
Интенсивность протекания внутренних процессов зависит от внешних воздействий. Последствия внешних воздействий зависят также и от степени дефектности структуры конструктивных слоёв к началу этих воздействий. Развитие дефектов во времени определяется, по-
мимо прочего и технологией изготовления (строительства), степенью начальной дефектности и прошлым (предысторией) отдельных конструктивных слоёв и дороги в целом [1]. Фактически мы имеем дело с детерминированной системой, где будущее однозначно определяется прошлым.
Одним из наиболее существенных и важных результатов деятельности дорожников является обеспечение надежности и долговечности автомобильных дорог в целом. Для обеспечения нормативной долговечности необходимы координация и концентрация усилий всех, кто имеет отношение к дорогам, от изыскателей, проектировщиков, строителей до тех, кто ведет содержание дороги, на всем протяжении жизненного цикла объекта. При этом трудно переоценить роль проектных организаций. Проектные решения по сути дела предопределяют те проблемы, которые будут проявляться во все время эксплуатации, и, следовательно, определяют работоспособность объекта и размеры средств, которые будет необходимо ежегодно вкладывать в объект.
Повышение надежности и долговечности дорог требует широкого применения индивидуальных нестандартных решений, специальных технологий, учета всего многообразия местных природных особенностей и особенностей условий строительства и эксплуатации.
Индивидуальные проектно-технологические решения требуют:
- резкого увеличения объема исходной инженерно-геологической информации, специальной подготовки кадров проектировщиков и строителей;
- наличие специальных конструктивно-технологических решений и техники для выполнения специальных работ;
- наличия специальной нормативно-методической литературы, позволяющей принимать обоснованные решения в данном конкретном случае.
Анализ сложившейся ситуации показывает, что нормативные документы не обеспечивают потребности проектирования дорожных одежд. В связи с этим, предлагается перейти к моделированию конструкций дорожных одежд.
Технология моделирования дорожных одежд должна основываться на системном конструировании с регулированием напряжённо-деформированного состояния (НДС) и оптимизацией конструкции. При этом должны быть соблюдены следующие основные принципы:
• многовариантность, основанная на анализе различных технологических схем строительства и ожидаемых условий эксплуатации за расчетный срок службы;
• соответствующая оптимизация конструкций на основе регулирования НДС;
• моделирование предстоящих условий эксплуатации одежд;
• оценка надежности проектных решений и оценка риска разрушения дорожных одежд.
Многовариантность конструкций одежды в условиях разнообразия строительных материалов, технологий,
разных видов жестких и нежестких одежд, эксплуатируемых в различных условиях, делает задачу определения оптимальной конструкции одежды практически неразрешимой без применения математических моделей и использования программного обеспечения.
Для анализа НДС возможных многослойных конструкций дорожных одежд, как на упругой, так и на пластической стадии работы, предполагается использовать метод конечных элементов. Это позволит анализировать множество направлений регулирования НДС дорожной одежды с учётом конкретных условий эксплуатации, возможной неоднородности и видов материалов, динамического воздействия нагрузок и дополнительных напряжений, возникающих от температурно-влажностных деформаций в реальной климатической среде.
В условиях континентального климата, характерного для большей части территории страны, более высокие сроки службы могут иметь жесткие дорожные одежды.
Общепризнано, что применение жестких оснований, а в последующем и жестких покрытий позволит повысить срок службы дорожных одежд примерно в 1,5-2 раза по сравнению с нежесткими, расширить гамму местных материалов, используемых при строительстве дорожных одежд, сократить расходы на ремонт дорожных одежд.
Поэтому в предпринятой нами попытке моделирования принята, на первом этапе, конструкция дорожной одежды с цементобетонным покрытием для 11-ой технической категории дороги посредством программного комплекса С08М08 М (рис. 1).
Плоское напряженно-деформированное состояние в виде нормальных напряжений в цементобетонном покрытии с учетом характеристик нижележащих слоев представлено на рис.2.
В принципе возможно получение и изучение с целью оптимизации конструкции дорожных одежд объёмного напряженно-деформированное состояние с уче-
МР си*
том характеристик нижележащих слоев.
Особенность работы жестких дорожных покрытий предъявляет повышенные требования к прочности бетона на растяжение при изгибе, что нашло свое отражение в « Инструкции по строительству цементобетонных покрытий автомобильных дорог» (ВСН 139-80), согласно которой допускается, сохраняя проектную марку по прочности на растяжение при изгибе, снижать прочность при сжатии до 10%.
В связи с этим особый интерес вызвала работа це-ментобетонного покрытия с трещиной в растянутой зоне. Поэтому в зоне с максимальными растягивающими напряжениями в цементобетонном покрытии была смоделирована трещина с допустимой шириной раскрытия. На рисунке 3 представлено перераспределение напряжений в результате появления трещины шириной раскрытия 0,3 мм. Это потребовало дополнительного р азделения конечных элементов на дополнительные элементы, соизмеримые размеру трещины.
По нашему мнению, последовательное включение трещин и изучение влияния их на перераспределение напряжений позволит выявить слабые зоны в проектируем ой конструкции и принять предупреждающие действия по их устранению.
Подобного типа моделирование НДС позволяет рассматривать многослойную конструкцию без приведения её к эквивалентной однослойной или двухслойной, что снижает вероятность ошибок и приближает рассматриваемую схему конструкции к реальной. При этом отпадает необходимость определять:
> общий расчетный модуль упругости конструкции;
> модуль упругости верхнего слоя модели.
На сегодняшний день известно, что такие свойства как: водо- и морозоустойчивость, а также деформатив-ные свойства дорожных одежд, определяющие потребительские свойства в широком диапазоне эксплуатационных температур, характерных для условий Юго-Западной Сибири, определяются показателями свойств материалов , из которых они построены. При этом пристальное внимание должно быть обращено на материал конструктивного слоя 2 (рис. 1).
В настоящее время в мире прослеживается следующая тенденция в усовершенств овании дор ожных техно -логий устройства конструктивных слоёв дорожных одежд из укреплённых вяжущими веществами грунтов. Она заключается в применении в основаниях монолитных упруго-деформируемых материалов. Научно-техническая проблема улучшения деформативных свойств це-ментогрунтовых смесей состоит в том, что данный материал обладает не высокой трещиностойкостью и устойчивостью прочностных характеристик во времени под действием климатических факторов и нагрузок.
Между тем, данный материал обладает высокой технологичностью и позволяет снизить себестоимость конструкций за счет применения местных грунтов в качестве строительных материалов.
В отечественной практике дорожного строительства цементогрунтовые смеси широко применялись, но из-за их отрицательных свойств, особенно из-за низкой тре-щиностойкости при прочности выше 40 МПа, объем строительства значительно сократился.
Среди добавок, способных увеличить деформатив-ные свойства цементогрунта, наиболее распространены полимерные на основе латексов. Подобные поли-мерцементогрунтовые смеси (ПЦГС) применяются в более чем 30 странах мира.
За рубежом уже более 20 лет широко применяются полимеры, в частности «Ренолит» (ЯепоШЪ), основой которого является латекс и целлюлоза. В России такая добавка пока не применялась.
Поэтому с целью установления степени эффектив-
ности добавки «Ренолит» в цементогрунтовые смеси были выполнены настоящие экспериментальные исследования.
Исследовались составы смесей на основе песчаного грунта, при содержании цемента в Интервале 8 .„14% от массы грунта и добавки «Ренолит» - 3 .7% от массы цемента.
По окончании эксперимента были сделаны следующие выводы:
1. Введение полимерной добавки приводит, за счёт увеличения объёма, к снижению плотности материала. Тогда как контрольные образцы уменьшились в объёме на 0,23%. Это позволило предположить, что смеси из полимерцементогрунта будут способствовать снижению интенсивности образования усадочных трещин в конструктивных слоях дорожных одежд.
2. Влажность образцов меняется незначительно. Начальная влажность 9%, влажность образцов после испытаний 10.5%-15%. Это позволяет сделать вывод, что материал будет иметь низкую естественную влагоем-кость и водопоглощение.
3. Установлено, что для данного вида грунта оптимальной по критерию прочности является смесь с содержанием 5% полимера и 10% цемента. В то же время, при содержании полимера 7% и цемента 14% смесь имеет более высокие показатели прочности на растяжение, при одинаковой прочности на сжатие.
4. Испытания образцов в возрасте 28 суток на морозостойкость показали следующее. Коэффициент морозостойкости у образцов из контрольных смесей, содер-
жащих цемент 12-14%, составил 0,56 - 0,96, соответственно. В свою очередь образцы из полимерцементогрунта имели коэффициент морозостойкости, соответственно 1.04- 1.23. При увеличение циклов замораживания-оттаивания до 50 привело к росту прочности полимерце-ментных образцов, по сравнению с контрольными, при сжатии - в 1.81 раза, а при растяжении - в 1.23.
Известно, что результаты, полученные во время лабораторных исследований, в той или иной степени отличаются от истинных значений, характеризующих изучаемое свойство материала. Это является следствием того, что, во-первых, порядок изготовления и испытания образцов в какой-то степени отличается от норм, установленных ГОСТом, во-вторых, сказываются погрешности испытательного оборудования и ошибки самого экспериментатора, в третьих, немаловажную роль играет изменчивость свойств исходных материалов. Случайные причины невозможно определить заранее, а тем более учесть количественно. В результате влияния случайных факторов, полученные значения одного и того же показателя имеют случайный характер. А случайные показатели не могут характеризовать истинные свойства материала.
Поэтому, в конце августа 2003 года с целью проверки результатов теоретических и лабор аторных исследов а-ний было осуществлено опытное строительство дорожного основания протяженностью 300м из грунтов, укрепленных цементом и полимером «Ренолит», на участке автомобильной дороги «Амур» 1680-1681 км ПК 117120. Строительство данного участка осуществляло ЗАО «Асфальт».
Опытная конструкция дорожной одежды вклю -чала следующие конструктивные слои: покрытие из асфальтобетона, верхний слой основания- из полимерце-ментогрунтовой смеси, и нижний слой основания - из оптимальной щебеночно-песчанной смеси.
Состав полимерцементогрунтовой смеси марки 40:
Откорректированный расход на 1м3 смеси:
Цемент-8% 154.4 кг
Песок-92% 1176.6 кг Вода
(сверх 100%)-12% 231.6 л
Ренолит-7.5% 11.58 кг
500 кг сухого замеса
40 кг 460 кг
60 л З кг
Полимерцементогрунтовую смесь готовили в установке, собственной разработки, состоящая из 3 бункеров-питателей, 2 транспортеров и лопастного смесителя принудительного перемешивания шнекового типа, производительностью 40 мЗ/час.
Для лабораторного контроля из производственной смеси были изготовлены балочки размером 40 X 40 X160 мм в количестве 6 штук.
Испытания показали: при хранении в нормальных условиях образцов полимерцементогрунта в течении 28 суток, прочность при сжатии составила 4.64 МПа, что составило 116% от нормальной прочности полимерцементогрунта марки 40 по ГОСТ 23558-94. Прочность на растяжение при изгибе составила 0.81 МПа, что составило 101% от нормативной. Коэффициент морозостойкости после 25 циклов замораживании-оттаивании составил -0.98.
Полимерцементогрунтовую смесь на основе песка укладывали с помощью асфальтоукладчика. При этом сразу же выяснился недостаток этого метода- значительная уплотняемость смеси, из-за чего после укладки слой из полимерцементогрунтовой смеси был ниже отметок на 2-4см. Поэтому было принято решение перейти на технологию предварительного распределения материала грейдером с последующей укаткой вибрационным двухвальцовым катком «Саста-Вибромакс» массой 11.5 тонн.
: х
Рис.2. Эпюра Sigma X и Sigma У, МПа
Таблица
Сравнение прочности кернов с требованиями ГОСТ
Показатель прочности Ед. изм. Прочность кернов Требования ГОСТ 23558-94 Требования ГОСТ 30491-97,** Требования СНиП 2.05.02-85
Предел прочности на сжатие сухих образцов МПа 13.7-13.83 1.0-10 При 20°С-1.5 4-7.5
Предел прочности на сжатие водонасыщенных образцов МПа 13.76-16.52 1.0-10.0* 1.0 1.0 6.0*
Сопративление растяжению при изгибе Мпа 3.66-3.91 0.2-2.0* 0.4 0.2-1.0*
Сопротивление сухих образцов при раскалывании Мпа 1.61-1.96 - - -
Модуль упругости МПа 1335-1721 - - -
Плотность г/смЗ 1.88-2.09 - - -
Водонасыщение % 8.5-10.3 - 12 -
Марка Б по морозостойкости МРЗ - - 25 -
Коэффициент МРЗ - 0.75 0.7 0.6
* - приведены данные всего интервала требований к материалам марок М 10-М 100.
Уход за готовым слоем из полимерцементогрунта осуществлялся путём перекрытия его через сутки слоем асфальтобетонной горячей плотной мелкозернистой смеси типа Б марки 2, согласно [ ].
В октябре 2004 года были проведены испытания кернов, выбуренных из конструкции дорожной одежды опытного участка автомобильной дороги, после года эксплуатации. Физико-механические показатели исследуемых образцов в сравнение с нормативными приведены в табл.
Приведённые в таблице данные указывают, что после года эксплуатации прочностные характеристики материала из полимерцементогрунта со ответствуют существующим нормативным документам.
Необходимо отметить, что технико-экономические преимущества оснований и покрытий дорожных, одежд из полимерцементогрунта могут быть реализованы толь-
ко при четком соблюдении технологии производства работ, культуре производства и применении совершенных средств механизации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ю.М. Васильев Защита дорожных одежд от воздействия мороза.- Ленинград-Л.: ЛДНТП, 1986.
2. ВСН 158-69 Технические указания по комплексным методам укрепления грунтов цементом с применением добавок химических веществ при устройстве дорожных и аэродромных оснований и покрытий. Минтрансстрой СССР.
3. СНиП 2.05.02-85 Автомобильные дороги. Нормы проектирования.
4. ГОСТ 30491-97 Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия.
5. ГОСТ 23558-94 Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами для дорожного и аэродромного строительства.
