CC BY
7
Строительные материалы и изделия
Научная статья УДК 691.32
DOI https://doi.org/10.24866/2227-6858/2023-1/83-89 М.П. Степанова, Н.А. Белькова, Е.В. Баранов
СТЕПАНОВА МАРИЯ ПЕТРОВНА - кандидат технических наук, доцент, max035@ya.ruH, http://orcid.org/0000-0001-8106-4871
БЕЛЬКОВА НАТАЛЬЯ АНАТОЛЬЕВНА - кандидат технических наук, доцент, verlnata@mail.ru, http://orcid.org/0000-0002-3005-5956
БАРАНОВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент, baranov.evg@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-6431-0345 Воронежский государственный технический университет Воронеж, Россия
Оптимизация состава бетона для основания и покрытия дорог
Аннотация. Представлены результаты экспериментальных исследований по подбору состава дорожного бетона на цементном вяжущем из доступных сырьевых материалов. Проведена подробная оценка качества заполнителей, цемента и выбрана добавка для проектирования основания дороги из цементобетона. Дана оценка физико-механических свойств цементобетона на соответствие классу Btb 2.0. В ходе выполнения экспериментального покрытия были выявлены дефекты. Для решения данной проблемы предложены изменения относительно фракционного состава крупного заполнителя. Подобранный состав позволил решить возникшую проблему, повысив среднюю плотность, прочность при том же расходе цемента. Из бетона предложенного состава было уложено экспериментальное основание дороги, которое не имело дефектов на своей поверхности.
Ключевые слова: дорожные одежды, дорожный цементобетон, аэродромное покрытие, оптимизация состава, ресурсосбережение в строительстве
Для цитирования: Степанова М.П., Белькова Н.А., Баранов Е.В. Оптимизация состава бетона для основания и покрытия дорог // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2023. № 1(54). С. 83-89.
Введение
Развитие инфраструктуры в России связано с улучшением транспортной системы в стране, возведением и реконструкцией мостов, автомобильных и железных дорог, аэродромных покрытий и др. Несмотря на повышенное внимание к развитию транспортной системы, проблема обеспечения нормативных сроков службы дорожных одежд остается весьма актуальной. Фактический межремонтный срок службы дорог даже федеральной дорожной сети составляет 3-4 года, но в последнее время намечается тенденция к его снижению. По данным Росавтодора, только 52,8% федеральных дорог отвечают нормативным требованиям, 23,6% дорог работают в режиме перегрузки [7].
По данным А.М. Шейнина, С.В. Эккеля и др. [1-3, 5, 6], основным преимуществом асфальтобетонного покрытия является возможность его использования практически сразу после укладки. Однако оно имеет ряд значительных недостатков: относительно низкая долговечность, образование на покрытии с течением времени колейности, трещин, ям и неровностей, что свидетельствует об исчерпании несущей способности дорожных одежд и необходимости ремонта.
© Степанова М.П., Белькова Н.А., Баранов Е.В., 2023 Статья поступила: 16.11.2022; рецензирование: 04.12.2022.
Распоряжением № 268-р Правительства РФ 10 мая 2016 г. утверждена «Стратегия развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года и дальнейшую перспективу до 2030 года», где указано, что к 2030 г. доля ввода в эксплуатацию дорог с цемен-тобетонным покрытием в общем объеме строительства должна составлять до 50% [4]. Сегодня цементобетонные покрытия используются преимущественно для устройства аэродромных покрытий и реже для автомобильных дорог. Однако их преимущества неоспоримы: максимальная прочность, которая в ходе эксплуатации только растет; независимость деформативных свойств от температуры окружающей среды; хорошее сцепление с колесами даже при увлажнении покрытия; повышенные износостойкость и морозостойкость; более светлые тона, что благоприятно для езды в темное время суток; длительный срок службы до капитального ремонта - 50 лет.
Проектирование состава цементобетонного покрытия из доступных сырьевых материалов, отвечающее требованиям ресурсосбережения, позволит снизить на 15-25% стоимость дороги с цементобетонным покрытием по сравнению с асфальтобетонным покрытием. В связи с этим разработка таких составов дорожного цементобетона, в частности применяемого для аэродромных покрытий, способного воспринимать и сопротивляться нагрузкам и воздействиям от воздушных судов, эксплуатационных и природных факторов, является весьма актуальной.
Целью нашей работы является подбор и оптимизация состава дорожного бетона заданного качества из доступных местных сырьевых материалов, удовлетворяющего требования ресурсосбережения в строительстве.
В соответствии с заданной целью в ходе исследования необходимо выполнить ряд задач: анализ возможных сырьевых материалов для дорожного бетона; подбор состава дорожного бетона для устройства дорожного основания и покрытия; проведение натурных испытаний подобранного состава на экспериментальном участке дороги. В данной статье представлены результаты исследований, которые направлены в основном на оптимизацию состава бетона для основания искусственного покрытия дороги.
Материалы и методы исследований
Дорожные и аэродромные покрытия работают в неблагоприятных атмосферных и особо тяжелых условиях эксплуатации. Поэтому к материалу для их заливки предъявляются специальные требования, отличные от требований, предъявляемых к бетонным конструкциям общего назначения.
Особенностью бетона, который используется для обустройства покрытий автомагистралей, взлетных и рулежных полос аэродромов, является способность длительного выдерживания значительных динамических истирающих, сжимающих и изгибающих механических нагрузок, а также агрессивное воздействие вредных атмосферных факторов: перепады температуры, повышенная влажность, ветры и смена циклов замерзания-оттаивания.
Согласно ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия» для строительства автомобильных дорог с цементобетонным покрытием используются следующие материалы: портландцемент, крупный заполнитель, мелкий заполнитель, вода, добавки. Для исследования применялся цемент производства ЗАО «Осколцемент» (Белгородская область, г. Старый Оскол), так как этот портландцемент содержит не более 7% трехкаль-циевого алюмината и по своим свойствам отвечает требованиям ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные» (табл. 1).
Таблица 1
Свойства портландцемента производства ЗАО «Осколцемент»
Нормальная густота, % Сроки схватывания, мин Тонкость помола, % Предел прочности, МПа
начало конец при изгибе при сжатии
24,00 175 240 97,9 9,12 55,6
В качестве мелкого заполнителя для бетонных смесей в работе применялся песок кварцевый обогащённый производства ООО «Формматериалы» (г. Воронеж, Подгоренское месторождение). Песок проверялся на соответствие требованиям ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия» (табл. 2).
Таблица 2
Физико-механические свойства песка кварцевого обогащённого производства ООО «Формматериалы»
Показатель Требование ГОСТ Фактическое значение
Модуль крупности 2,0 -2,5 2,19
Полный остаток на сите № 0,63, % 30 -45 37,89
Содержание зерен крупностью свыше 10 мм 0,5 -
Содержание зерен крупностью свыше 5 мм 5,0 -
Содержание зерен крупностью менее 0,16 мм 5,0 4,8
Содержание пылевидных и глинистых частиц 3,0 1,5
Содержание глины в комках 0,35 0
Таблица 3
Гранулометрический состав песка кварцевого обогащённого производства
ООО «Формматериалы»
Наименование параметров Полный остаток, %, на ситах размером отверстий, мм
2,5 1,25 0,63 0,315 0,16
Фактическое значение 4,30 16,57 37,89 68,43 89,50
Требования ГОСТ До 10 От 10 до 25 От 30 до 55 От 65 до 80 От 85 до 90
В качестве крупного заполнителя применялся щебень смеси фракций от 5 до 20 мм и от 20 до 40 мм из горных пород производства АО «Павловск Неруд» Шкурлатовского месторождения (Воронежская область, г. Павловск). Щебень проверялся на соответствие требованиям ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных пород. Технические условия (с Изменениями № 1-4)» (табл. 4, 5).
Таблица 4
Зерновой состав смеси фракций от 5 до 20 мм
Наименование параметров Полные остатки на ситах, % по массе
25 20 12,5 5 2,5 Менее 5
Фактическое значение - 5,43 45,38 95,46 97,05 2,95
Требования ГОСТ До 0,5 До 10 30-60 90-100 95-100 -
Таблица 5
Зерновой состав смеси фракций от 20 до 40 мм
Наименование параметров Полные остатки на ситах, % по массе
50 40 30 20 Менее 20
Фактическое значение - 6,18 34,38 95,20 4,80
Требования ГОСТ До 0,5 До 10 30-60 90-100 -
Результаты определения дробимости щебня показали, что он соответствует марке по дробимости 1400. Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы составляет 21,7% в фракции 5-20 мм и 13,2% в фракции 20-40 мм, что соответствует требованиям ГОСТ.
Для обеспечения требуемых характеристик использовались пластифицирующие и возду-хововлекающие добавки производства ООО «МС Баухеми». Пластификатор П40 (на основе технических лигносульфонатов) Центрамент Эйр 202 - воздухововлекающая добавка на основе поверхностно-активных веществ. Повышает связность, жизнеспособность и удобоукладываемость
бетонной смеси. Позволяет повысить морозостойкость бетона за счет создания условно замкнутой пористости [8, 9]. Таким образом, полная оценка свойств, предложенных в качестве сырьевых компонентов материалов, показала их полное соответствие требованиям ГОСТ и позволила рекомендовать к использованию.
Результаты исследований и их обсуждение
Подбор составов бетонной смеси производился по ГОСТ 27006-2012.
Исходя из требований первого этапа исследования проводилось проектирование состава бетона для устройства основания искусственного покрытия из монолитного цементобетона класса В^, 2.0 В соответствии с этим были разработаны составы бетонных смесей, отвечающие требованиям проекта по толщине конструктивного слоя, марке морозостойкости, удобоукладываемости и др. (табл. 6).
Таблица 6
Показатели проектируемого искусственного покрытия
Показатель Значение показателя
Конструктивный слой Основание
Толщина слоя 16 см
Класс бетона на растяжение при изгибе Вй 2.0
Марка по морозостойкости Б150
Удобоукладываемость Ж4
Водоцементное отношение, не более 0,90
Объем вовлеченного воздуха Не нормируется
Для образцов балочек 15*15*60, изготовленных из данного состава, твердеющих в камере нормального твердения, были определены физико-механические показатели. Прочность на растяжение при изгибе составила 2,85 МПа, тогда как по нормативу она должна быть не менее 2,56 МПа. Подобранный состав цементобетона В& 2.0 для основания дорожного цемен-тобетонного покрытия в лабораторных условиях показал соответствие всем требованиям ГОСТ. Однако при устройстве пробного участка проявились недостатки в структурообразова-нии слоя основания. При укладке происходила сегрегация смеси, крупнозернистая фракция щебня не перемещалась вальцами асфальтоукладчика и в основном оставалась по оси его движения, приводя к образованию дефектов на поверхности уложенного слоя (рис. 1, 2).
Рис. 1. Сегрегация цементобетона Бш 2.0 Рис. 2. Дефекты на поверхности основания с крупностью фракции до 40 мм из цементобетона класса Btb 2.0 с крупным
заполнителем размером до 40 мм
Чтобы решить данную проблему, было предложено провести оптимизацию состава бетона, изменив фракционный состав крупного заполнителя путем исключения фракции 20-40 мм. Испытания цементобетона с крупным заполнителем размером до 20 мм на растяжение при изгибе показали значения 3,21 МПа, что соответствует требованиям ГОСТ.
Отказ от фракции щебня 20-40 мм и повышение количества мелкого заполнителя при том же содержании вяжущего позволил улучшить структурообразование. Новый состав цементобетона класса ВЛ 2.0 с крупностью заполнителя до 20 мм позволил решить ряд возникших проблем посредством увеличения плотности, повышения прочности до 15% при тех же расходах вяжущего. Результаты определения средней плотности, предела прочности при изгибе и откорректированный состав представлены в табл. 7.
Таблица 7
Состав слоя основания из укатываемого цементобетона
Наименование компонентов и свойств цементобетона ВЙ 2.0 Вй 2.0
с различным зерновым составом щебня Щ 20-40 Щ 5-20
Цемент, кг 230 230
Песок, кг 860 760
Щебень, кг, фр. 5-20 мм 700 1300
Щебень, кг, фр. 20-40 мм 500 -
Вода, кг 100 110
Центрамент П40 0,85% 0,85%
Водоцементное отношение 0,43 0,48
Средняя плотность, кг/м3 2392 2402
Предел прочности при изгибе, МПа 2,85 3,21
Из бетона предложенного состава было выполнено экспериментальное покрытие, которое уже не имело дефектов на поверхности (рис. 4).
Рис. 4. Основание дороги из укатываемого цементобетона класса БШ 2.0 с крупным заполнителем размером до 20 мм
Заключение
В данной работе были разработаны рецептурные составы дорожного бетона для основания дороги, обладающие необходимыми характеристиками по средней плотности 2392 кг/м3, пределу прочности на растяжение при изгибе 3,21 МПа из местных сырьевых материалов. Разработанный состав удовлетворяет требованиям ресурсосбережения, так как при том же расходе цемента на 15% была повышена прочность цементобетона. Из бетона запроектированного состава было уложено экспериментальное основание дороги, которое не имело дефектов на своей поверхности. В дальнейших исследованиях будут рассмотрены вопросы по оптимизации состава бетона для монолитных цементнобетонных покрытий автодорог.
Заявленный вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Коровяков В.Ф. Предпосылки для развития строительства дорог с применением цементных бетонов // Технологии бетонов. 2014. № 3. С. 25-29.
2. Савченко Е.Т., Максин М.О. Анализ целесообразности строительства асфальтобетонных и цемен-тобетонных автомобильных дорожных покрытий // Молодой учёный. 2016. № 21. С. 204-206.
3. Ушаков В.В. Перспективы и эффективность применения цементобетона в дорожном строительстве // Наука и техника в дорожной отрасли. 2002. № 4. С. 104-112.
4. Федеральное дорожное агентство Росавтодор: Статистическая отчетность, направленная в Рос-стат. 2016. 64 с.
URL: http://static.government.ru/media/files/RnBfAw072e3tmmykU2lrh1LI1HaHeG0q.pdf (дата обращения: 10.10.2022).
5. Харун М.И., Костюкова К.А., Харисова Г.А. и др. Инновационные технологии в дорожном строительстве // Системные технологии. 2017. № 22. С. 5-8.
6. Шейнин А.М., Эккель С.В., Коганзон М.С., Феднер Л.А. Эффективность применения цементобетона при строительстве автодорог // Материалы международного семинара «Перспективы и эффективность применения цементобетона в дорожном строительстве», 12-14 ноября 2002, г. Москва. Москва: МАДИ, 2002. С. 12-16.
7. Якобсон М.Я., Кузнецова А.А., Введенская А.С., Бычков А.В. Актуальность и перспективы применения цементобетона в дорожном строительстве // Системные технологии. 2016. № 1(18). С. 132-140. EDN: WANJMX.
8. Janotka I., Puertas F., Palacios M., Kuliffayova M., Varga C. Metakaolin sandblended-cementpastes: rheology, hydration process and mechanical properties. Construction and building materials. 2010;(5):791-802.
9. Lothenbach B., Winnefeld F., Figi R. The influence of superplasticizers on the hydration of Portland cement. Proc. of the 12th Int. Congress on the Chemistry of Cement. Montreal, 2007. P. 211-233.
FEFU: SCHOOL of ENGINEERING BULLETIN. 2023. N 1/54
Building Materials and Products www.dvfu.ru/en/vestnikis
Original article
DOI https://doi.org/10.24866/2227-6858/2023-1/83-89 Stepanova M., Bel'kova N., Baranov E.
MARIA P. STEPANOVA, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, max035@ya.ruH, http://orcid.org/0000-0001-8106-4871
NATALIA A. BELKOVA, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, verlnata@mail.ru, http://orcid.org/0000-0002-3005-5956
EVGENI V. BARANOV, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, baranov.evg@mail.ru
Department of Construction Materials, Products and Structures Technology Voronezh State Technical University Voronezh, Russia
Optimization of the composition of concrete for the base and pavement of roads
Abstract. The results of experimental studies on the selection of the composition of road cement concrete from available raw materials are presented. A detailed assessment of the quality of aggregates, cement was carried out and an additive was selected for designing the road base from cement concrete. An assessment of the physical and mechanical properties of cementconcrete for compliance with the Btb 2.0 class was carried out. An assessment of the physical and mechanical properties of cementconcrete for compliance with the Btb 2.0 class was carried out. In the course of the experimental coating, defects were identified; to solve this problem, changes were proposed in the fractional composition of coarse aggregate. The selected composition made it possible to solve the problem by increasing the average density and strength at the same cement consumption.
From the concrete of the proposed composition, an experimental base of the road was laid, which had no defects on its surface.
Keywords: pavement, road cement concrete, airfield pavement, composition optimization, resource saving in construction
For citation: Stepanova M., Bel'kova N., Baranov E. Optimization of the composition of concrete for the base and pavement of roads. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2023;(1):83-89. (In Russ.)
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflict of interests.
REFERENCES
1. Korovyakov V.F. Prerequisites for the development of road construction with the use of cement concrete. Tekhnologii betonov. 2014;(3):25-29. (In Russ.)
2. Savchenko E.T., Maksin M.O. Analysis of the design of the construction of asphalt concrete and cement concrete road pavements. Young scientist. 2016;(21):204-206. (In Russ.)
3. Ushakov V.V. Prospects and efficiency of cement concrete application in road construction. Science and technology in the road industry. 2002;(4): 104-112. (In Russ.)
4. Federal Road Agency Rosavtodor: Statistical reporting sent to Rosstat. 2016. 64 p. URL: http://static.government.ru/media/files/RnBfAw072e3tmmykU2lrh1LI1HaHeG0q.pdf -10.10.2022. (In Russ.)
5. Harun M.I., Kostyukova K.A., Kharisova G.A. et al. Innovative technologies in road construction. System technologies. 2017;(22):5-8. (In Russ.)
6. Sheinin A.M., Ekkel S.V., Koganzon M.S., Fedner L.A. Efficiency of cement concrete in the construction of roads. Materials of the study of the seminar "Prospects and effectiveness of the use of cement concrete in road construction."November 12-14, 2002. Moscow, MADI, 2002. P. 12-16. (In Russ.)
7. Yakobson M.Ya., Kuznetsova A.A., Vvedenskaya A.S., Bychkov A.V. Relevance and prospects for the use of cement concrete in road construction. System Technologies. 2016;(1): 132-140. (In Russ.)
8. Janotka I., Puertas F., Palacios M., Kuliffayova M., Varga C. Metakaolin sandblended-cementpastes: rheology, hydration process and mechanical properties. Construction and building materials. 2010;(5):791-802.
9. Lothenbach B., Winnefeld F., Figi R. The influence of superplasticizers on the hydration of Portland cement. Proc. of the 12th Int. Congress on the Chemistry of Cement. Montreal, 2007. P. 211-233.
