О применении цементных бетонов для дорожных и аэродромных покрытий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 691.32

Г.В. НЕСВЕТАЕВ1, д-р техн. наук, Г.С. КАРДУМЯН2, канд. техн. наук

1 Ростовской государственный строительный университет (344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162)

2 Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона им. А.А. Гвоздева (109428, Москва, 2-я Институтская ул., 6)

О применении цементных бетонов для дорожных и аэродромных покрытий

Определены количественные параметры основных рецептурных факторов, обеспечивающие возможность (при использовании качественных материалов) получения цементных бетонов для дорожных и аэродромных покрытий при величине В/Ц не более 0,34. На основе анализа пяти основных нормативных документов сформулированы предложения о корректировке нормативных требований к величине класса по прочности на сжатие указанных бетонов не ниже В45. Уточнено соотношение пределов прочности на растяжение при изгибе и сжатие по результатам исследований бетонов с пределом прочности на сжатие в диапазоне от 40 до 120 МПа. Показано, что перспективные для аэродромных покрытий бетоны класса В№ 5,2 требуют специальных решений по регулированию величины модуля упругости, что предопределяет актуальность исследований в этом направлении.

Ключевые слова: бетон для дорожных и аэродромных покрытий, нормативные требования, соотношение пределов прочности на сжатие и растяжение при изгибе, морозостойкость, модуль упругости.

G.V. NESVETAEV1, Doctor of Technical Sciences, G.S. KARDUMYAN2, Candidate of Technical Sciences

1 Rostov State University of Civil Engineering (162, Sotsialisticheskaya str., 344022 Rostov-on-Don, Russian Federation)

2 Research, Design and Technological Institute for Concrete and Reinforced Concrete named after A.A. Gvozdev (6, 2nd Institutskaya Street, 109428, Moscow, Russian Federation)

On the application of cement concrete for road and airfield pavements

Quantitative parameters of basic composition factors ensuring the possibility to obtain (when using qualitative materials) cement concretes for road and airfield pavements when the value of W/C not more than 0.34 are determined. Proposals on the adjustment of the normative requirements to the value of compressive strength class of these concretes not below B45 are formulated on the basis of the analysis of five key normative documents. Ratios of tensile strength at bending and compressing are clarified on the basis of results of the study of concretes with compression strength within the range of 40-120 MPa. It is shown that concretes of B® 5.2, prospective for airfield pavements, require special solutions for regulating the value of elasticity modulus, which predetermines the relevance of research in this direction..

Keywords: concrete for road and airfield pavements, normative requirements, ratio of tensile and compression strengths at bending, frost resistance, modulus of elasticity.

В связи с низким качеством автомобильных дорог, возрастанием интенсивности транспортных потоков и нагрузки на ось автомобилей в очередной раз рассматривается вопрос о массовом строительстве в России автомобильных дорог с применением цементных бетонов. В обсуждаемых планах Государственной компании «Автодор» намечено к 2030 г. построить 12000 км скоростных дорог, или порядка 800 км/год начиная с 2016 г. (по некоторым данным, в 2011 г. было построено около 300 км, в 2012 г. — 220 км федеральных дорог из асфальтобетона).

Требования к бетону конструктивных слоев автомобильных дорог с жесткими одеждами и к бетону аэродромных покрытий регламентируются в основном СП 34.13330.2012 «Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 2.05.02—85*» и СП 121.13330.2012 «Аэродромы. Актуализированная

редакция СНиП 32-03—96» (класс по прочности на растяжение при изгибе В1Ь4; марка по морозостойкости F100—F200(II) в зависимости от климатических условий) и ГОСТ 26633—2012 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия».

С учетом положений ряда нормативных документов сводка требований и рекомендуемых ограничений к бетону для дорожных (дороги I и II категорий) и аэродромных покрытий приведена в табл. 1.

На основании представленных данных итоговые нормативные требования можно представить следующим образом:

— бетон: класс по прочности на сжатие не менее В45; класс по прочности на растяжение при изгибе не менее Вш4; марка по морозостойкости максимальная F200(II); В/Ц<0,45; расход портландцемента Ц>340; количество условно-замкнутых пор не менее 3,5%;

Таблица 1

Требования к бетону для конструктивных слоев автомобильных дорог и аэродромных покрытий

Нормативный документ Требования к бетонной смеси, бетону и цементу

Btb B F В/Ц Ц, кг/м3 ВВ, % C3A, % Na2O, %

СП 34.13330.2012; СП 121.13330.2012 >4 >30 100-200(11) - - - - -

ГОСТ 26633-2012 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия» - - - - - 5-7; >3,5* <7 <0,8

ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования» ^3; XF4) - >45 - <0,45 >340 >5 <7 -

ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости» - - F100(II) =F400(I); F200(II) =F600(I) - - - - -

* Условно-закрытая пористость.

h] ®

март 2014

31

Таблица 2

Некоторые данные о соотношении пределов прочности на растяжение при изгибе и осевое растяжение (согласно [1])

— бетонная смесь: количество вовлеченного воздуха ВВ=5-7%;

— требования к портландцементу: С3А<7%; №20<0,8%.

Для оценки возможности производства в массовом количестве бетонов с указанными свойствами необходимо, в частности:

— определить область значений В/Ц, обеспечивающих требуемые показатели по прочности бетона на растяжение при изгибе;

— оценить возможность получения при установленных значениях В/Ц требуемой морозостойкости бетона;

— уточнить соотношение величин предела прочности на сжатие и изгиб, а также влияние вовлеченного воздуха на предел прочности бетона на сжатие и изгиб, поскольку указанные известные зависимости были получены в свое время статистической обработкой различных баз данных и специфика структуры и свойств

Прочность при сжатии, МПа

Рис. 1. Соотношение пределов прочности тяжелых бетонов на растяжение при изгибе и при сжатии: ▲ - по данным, приведенным в указанных выше работах; ■ - по данным Г.С. Кардумян;--по формуле (1)

бетонов для дорожных и аэродромных покрытий может потребовать их корректировки.

Соотношение пределов прочности на сжатие R и изгиб Rf может быть задано непосредственно, например как в ГОСТ 10180—2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» (Rf=0,12R), либо косвенно в виде соотношения пределов прочности на изгиб и осевое растяжение Rt(Rf =f(Rt), например Rf = 1,82Rt согласно тому же ГОСТу.

Однако приведенные в указанном ГОСТе соотношения ограничены классом бетона В40 и с учетом вышеизложенных требований к бетону (предел прочности на сжатие не менее В45) не могут быть применены без уточнения.

В табл. 2 представлены некоторые данные о соотношении пределов прочностей бетона на растяжение при изгибе и осевое растяжение Rf=yRt

Из табл. 2 следует, что значение величины y может изменяться в довольно широком диапазоне. Величина Y, строго говоря, является не коэффициентом, а функцией, зависящей от геометрических размеров образца и деформационных свойств бетона. Согласно EN 1992 EUROCODE 2 Железобетонные конструкции. Проектирование, расчеты, параметры для призм со стороной основания 100 мм, эта величина составляет 1,6, по ГОСТ 10180-2012 - 1,82. В [1] предложена зависимость, согласно которой для среднестатистических значений деформационных характеристик тяжелого бетона величина y составляет 1,39, т. е. определенное несоответствие очевидно.

Для уточнения зависимости Rf =f(R) сформирован массив, включающий две группы данных:

— результаты исследований, представленные в указанных работах (В.В. Ядыкина, В.А. Гричаников. Дорожный бетон с наполнителями и заполнителями из техногенного сырья / Бетон и железобетон — пути развития: 2-я Межд. конф. по бетону и железобетону. М., 2005. Т. 5. С. 158—164; В.Б. Ратинов, Т.И. Розенберг. Противоморозные добавки / Добавки в бетон: Справочное пособие. М.: Стройиздат, 1988. 575 с.; М.-Н. Zhang, T.F. Ronning, О.Е. Gjorv. Mechanical properties of high-strength concrete / High-strength concrete 1993, Lillehammer, Norway. Proceedings. V. 2. Рр. 1271—1279; К.-Е. Ramdane. Punching shear of high performance concrete slabs / Utilization of high strength / high performance concrete. 4 International conf. Paris, 1996. Рр. 1015—1026; Y. Matsufuji, H. Kohata, K. Tagaya, et. all study on properties of concrete with ultra-fine particles prodused from fly ash. — Fly ash, silica fume, slag and natural pozzolans in concrete. 4 International conf. Istambul, 1992. Рр. 351 — 366; SINTEF Report 4.4. STF 65 F 89020. NTNF, Trondheim, 1989), полученные на бетонах с прочностью на сжатие от 21,2 до 119,8 МПа и прочностью на растяжение при изгибе от 2,7 до 12,15 МПа, всего 95 значений в возрасте от 3 до 91 сут (рис. 1);

— результаты экспериментальных исследований, выполненных в разное время в НИИЖБ (Г.С. Кардумян) на бетонах с прочностью на сжатие от 51,6 до 90,8 МПа и прочностью на растяжение при изгибе от 4,95 до 9,25 МПа, всего 86 значений в возрасте от 3 до 90 сут (рис. 1).

Из представленных на рис. 1 данных следует, что соотношение прочностей на растяжение при изгибе и сжатии для обеих групп данных (рис. 1) достаточно удовлетворительно (R2=0,8) описывается зависимостью вида:

Rf = 0,29 • R0'74. (1)

Значения В/Ц для получения требуемых показателей прочности и морозостойкости бетона могут быть определены, например, из известных зависимостей:

Значение y

№ Автор y Диапазон Количество данных в анализе

1 Белый Д.Ф. 1,41 - -

2 Чуприн В.Д. - 1,3-1,9 -

3 Залесов А.С. 1,752 - -

4 Гусев К.П. >1,8 - -

5 Лермит P. - 1,309-1,732 -

6 Попов В.П. 1,41 - -

7 Несветаев Г.В.* - балки ж/б - призмы из тяжелого бетона 1,487 1,547 до 3,85 до 2, 91 46 196

* По данным литературного обзора.

Таблица 3

Расчетные значения величин прочности и морозостойкости бетонов по формулам (1-7)

Показатель Значение показателя при ВВ = 6% и величине В/Ц

0,28 0,31 0,34 0,37 0,4

Я/ по формуле (2) при к = 0,025 МПа 6,79 6,11 5,56 5,09 4,69

В,ь при V1 = 0,16 4,8 4,4 4 3,6 3,2

Я/ по формуле (2) при к = 0,035 МПа 6,31 5,68 5,16 4,73 4,36

Вь при V1 = 0,16 4,4 4 3,6 3,2 3,2

Я по формуле (4) при /(ВВ) по формуле (5), МПа 70,9 61,6 54,1 48,1 43,2

Вьь при V1 = 0,135 55 45 40 35 30

Я по формуле (4) при /(ВВ) по формуле (6), МПа 63,8 55,4 48,7 43,5 38,9

Вьь при V1 = 0,135 50 40 35 30 27,5

F(I), циклы 1780 1020 6252 405 275

Я/ по формуле (1) при Я по формуле (4) при /(ВВ) по формуле (5), МПа 6,79 6,11 5,56 5,1 4,7

Я/ по формуле (1) при Я по формуле (4) при /(ВВ) по формуле (6), МПа 6,28 5,66 5,15 4,72 4,36

1 коэффициент вариации прочности; 2 F200 (II) = F600 (I).

Таблица 4

Ориентировочное соотношение между классами бетона по прочности

На сжатие, В 35-40 40-45 45-55 55-60 60-65 65-70

На растяжение при изгибе, Вь 4 4,4 4,8 5,2 5,6 6

— прочность на растяжение при изгибе по формуле СоюздорНИИ (при £=0,025) согласно «Рекомендациям по применению пластифицирующих добавок нового поколения для бетонов в дорожном строительстве» (Москва, Росавтодор, 2003):

Rf = 0,39 • Дц • (1 - k • BB) • - 0,1),

откуда:

Ц в

Rf

0,39-R*(l-k-BB)

+ 0,1;

(2)

(3)

— прочность на сжатие с учетом воздухововлечения согласно [2]:

я-двв)

(t)

1,39'

(4)

где /(ВВ) — функция, учитывающая снижение прочности при воздухововлечении, в качестве которой могут использоваться зависимости, приведенные в [2]:

3,3

или

f (BB) = (1 - BB)

f (ВВ) = ехр (-5,15 • ВВ); морозостойкость согласно [2]:

F = ki • k2 • кз • 2 •

■5,7

+ AF;

(5)

(6)

(7)

-Яц=5,8 МПа; значения и ДF в формуле (7) минимальные.

Из представленных в табл. 3 данных следует:

— условия обеспечения класса по прочности на сжатие не менее В45, класса по прочности на изгиб не менее В1Ь4, марки бетона по морозостойкости F200(II)=F600(I) выполняются при В/Ц не более 0,31, причем марка по морозостойкости обеспечивается с некоторым запасом;

— значения величин Rf, полученные по формулам (1) и (2), очень близки, что можно рассматривать как свидетельство объективности указанных формул;

— необходимо уточнить влияние воздухововлечения на предел прочности бетонов классов В45 и выше.

Представленные в табл. 3 данные являются расчетными. Но поскольку они получены на основе эмпирических зависимостей, установленных в результате обработки многочисленных экспериментальных данных, можно утверждать, что при соблюдении общеизвестных требований к качеству материалов и техноло-

46000

44000

42000

40000

38000

36000

где £1, £2, — коэффициенты, учитывающие влияние минералогического состава клинкера и вещественного состава цемента, свойств заполнителей и условий твердения; ДF учитывает влияние вовлеченного воздуха на морозостойкость бетона.

В табл. 3 представлены значения величин прочности и морозостойкости бетона, полученные по формулам (1—7) для следующих условий: ПЦ 500, Rц=49 МПа,

34000

32000

30000

\ i

\_2

30

40

100

50 60 70 80 90 Класс бетона по прочности при сжатии В, МПа

Рис. 2. Соотношение между классами бетона по прочности при сжатии и начальным модулем упругости (Е0 - по формуле 8): 1 - Ео; 2 - [Ео]; 3 - СП 63.13330.2012

Г; научно-технический и производственный журнал

М ® март 2014 33"

гии производства бетонных работ получение бетонов для дорожных и аэродромных покрытий соответствующего качества в массовом производстве вполне возможно.

В части совершенствования конструкций цементо-бетонных покрытий приоритетным является снижение толщины покрытий за счет использования бетонов с более высокими прочностными показателями при сохранении показателей морозостойкости и одновременной экономии цемента. В последние годы за рубежом и в России все шире применяются высокопрочные бетоны (класс по прочности на сжатие не ниже В50), в том числе и в транспортном строительстве. Применение высокопрочных бетонов позволяет уменьшить толщину покрытий и соответственно их материалоемкость, повысить темпы строительства. В частности, Росавиацией рассматривается вопрос о применении бетона класса по прочности на растяжение при изгибе В1Ь5,2 для строительства цементобетонных покрытий современных ВПП аэродромов, но при этом модуль упругости бетона ограничивается величиной не более 38 ГПа.

Как известно, начальный модуль упругости бетона Б0 среднестатистически связан с пределом призменной прочности Rpr зависимостью [2]:

Р = 0,05Д;г+57,2^+217 0 32,8+7?™ '

(8)

Оценим предварительно, учитывая среднестатистические соотношения между классами бетонов по прочности на сжатие и на растяжение при изгибе (табл. 4), возможность выполнения указанных требований (рис. 2).

Как следует из представленных на рис. 2 данных, условие £0=38 ГПа может быть среднестатистически

получено для бетонов классов до В50, тогда как класс по прочности на растяжение при изгибе Выь 5,2 обеспечивается при более высоких классах бетона по прочности на сжатие. В связи с этим для снижения величины модуля упругости высокопрочного бетона следует использовать управление рецептурно-технологическими факторами. Этот вопрос требует специальных исследований.

Список литературы

1. Несветаев Г.В. Закономерности деформирования и прогнозирование стойкости бетонов при силовых и температурных воздействиях (методология и принципы рецептурно-технологического регулирования). Дисс. д-ра техн. наук. Ростов-на-Дону: РГСУ, 1998. 468 с.

2 Несветаев Г.В. Бетоны. Ростов-на-Дону: Феникс, 2013. 381 с.

References

1. Nesvetayev G.V. Zakonomernosti deformirovaniya i prog-nozirovanie stoikosti betonov pri silovykh i temperaturnykh vozdeistviyakh (metodologiya i printsipy retsepturno-tekh-nologicheskogo regulirovaniya) [Regularities of deformation and forecasting of firmness of concrete at power and temperature influences (methodology and the principles of prescription and technological regulation)]: Thesis of Candidate of Technical Sciences. Rostov-on-Don: RGSU, 1998. 468 p.

2. Nesvetayev G.V. Betony. Rostov-on-Don: Phoenix, 2013. 381 p.

Новгород

10-12 сентября 2014 г.

Нижний Новгород

Оргкомитет: 140050, Московская обл., п. Красково, ул. К. Маркса, д. 117, РГА Телефон: +7-916-501-36-56 E-mail: [email protected] www.rosgips.ru

Российская гипсовая ассоциация Московский государственный строительный университет Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН ГУП «НИИМосстрой»

Седьмая Международная конференция

«Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий»

Тематика конференции:

■ технический прогресс в области гипсовых материалов и изделий (исследования, производство и применение)

■ ангидритовые вяжущие

■ гипсовые материалы в малоэтажном строительстве

■ привлекательность и механизмы инноваций в гипсовой отрасли

■ современное оборудование для производства гипсовых вяжущих, материалов и изделий на их основе

■ лаборатории, менеджмент качества, экологический менеджмент и их роль в обеспечении качества и долговечности гипсовых материалов

■ нормативно-техническая документация в соответствии с современными требованиями

■ обучение и переподготовка специалистов в области производства и применения гипсовых материалов и изделий

Генеральный информационный спонсор: журнал