СБОРНЫЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОН

Первое в США цементобетонное покрытие было построено в 1891 г. в г. Белфонтейн (шт. Огайо) на участке пешеходной дорожки, а спустя 3 года — на участке улицы в том же небольшом городе, причем этот участок сохранился до наших дней. Тогда термин «бетон» еще не был общепринятым и материал называли искусственным камнем [4]. Смесь перемешивали вручную в мешалке со шнеком и вручную трамбовали. Покрытие состояло из плит 1,5х1,5 м, отделенных от соседних бумагой, пропитанной дегтем. Прочность на сжатие кернов, отобранных из этого покрытия много лет спустя, составила около 35 МПа. Построенные в 1905 г. в Чикаго и в 1909 г. в Детройте бетонные покрытия на коротких участках городских улиц прослужили около 60 лет. Протяжение этих участков не превышало одной мили (1,6 км). Появление в конце 1908 г. первого доступного автомобиля, выпускавшегося миллионами экземпляров, — форда Model T «посадило Америку на колеса» и инициировало строительство дорог с ровными покрытиями. В 1913 г. в шт. Арканзас была построена первая загородная дорога с цементобетонным покрытием протяжением 37 км с шириной 2,7 м при толщине покрытия 12,5 см, известная под названием Dollarway, поскольку ее погонный фут стоил один доллар (3,3 долл. за погонный метр). Автомобилисты прибывали по железной дороге из разных штатов, чтобы прокатиться на своих машинах по этой ровной дороге с невиданной скоростью до 45 миль в час (72 км / ч). За этим последовал бурный рост объемов строительства: уже к концу следующего 1914 года в стране было построено 3778 км дорог с жесткими дорожными одеждами. На федеральном уровне большую роль в развертывании дорожного строительства в последующие годы сыграла сплоченная массовая Лига велосипедистов (League of American Wheelmen), которая образовала Американскую организацию создателей дорог (American Road Makers). Первое аэродромное цементобетонное покрытие в США было построено в шт. Мичиган в 1928 г., а на следующий год — в шт. Огайо. Как и на многих тогдашних дорожных покрытиях, толщина плиты у кромки была на 5 см толще, чем посредине. До 1935 г. большинство самолетов были легкими.

Наиболее распространенные тогда самолеты «Дуглас» DC-3 имели массу от 8 до 11 т. Поэтому толщину аэродромного покрытия назначали, исходя из расчетной нагрузки от автоцистерны — заправщика с авиационным бензином, и толщина получалась около 15 см. Сегодня это воспринимается как курьез: масса самолетов Boeing серии B 747-8I составляет 443 т, а серии Airbus 380 – 613 т, и толщина бетонного покрытия аэродромов в зависимости от прочности бетона и характеристик основания по расчету составляет от 40 до 69 см [5]. Примечательно, что с 1892 г. вплоть до конца 1940-х не было сколько-нибудь значительного прогресса в технологии строительства цементобетонных покрытий. Бетонную плиту формировали в бортовой опалубке, которая одновременно использовалась в качестве рельсов для передвижения бетоноукладочных машин (рельсформы). Еще в начале 1940-х смесь готовили на месте производства работ в больших машинах барабанного типа на гусеничном ходу, дававших один замес около 1 куб. м.

Приемный ковш бетономешалки загружался щебнем и песком из самосвалов. Мешки с цементом были разложены по ходу бетономешалки, и их вручную высыпали в ковш. После разгрузки самосвала ковш поднимался, и материал попадал в бетономешалку, куда вливали отмеренное количество воды. После перемешивания в течение примерно одной минуты смесь поступала в распределительный бункер с открывающимся дном. При передвижении бункера по горизонтальному брусу смесь равномерно распределялась по основанию. За бетоноукладочной машиной по рельсформам следовала машина, осуществлявшая вибрационное уплотнение и отделку бетона. Затем устраивали швы в не затвердевшем бетоне, вручную выглаживали поверхность покрытия и жесткими щетками придавали ей шероховатую текстуру. Примерно 40 % времени затрачивалось на установку рельс-форм вручную. В конце 1940-х в США смесь стали готовить в стационарном смесителе и перевозить в самосвалах (без перемешивания в процессе транспортировки) на трассу.

Это повысило производительность и улучшило качество смеси. Такая же технология в сочетании с рельсовым укладчиком применялась в бывшем СССР вплоть до 1980-х. Так называемый, рельсовый бетоноукладочный комплект позволял построить до 120 – 150 м покрытия толщиной 20 – 24 см в смену. В 1958 г., когда автор как студент КАДИ проходил производственную практику на строительстве дороги Киев — Москва, укладка 120 погонных метров бетонного покрытия толщиной 22 см на песчаном основании толщиной 20 см за одну смену считалась прекрасной производительностью. Изобретение бетоноукладчика со скользящей опалубкой, смонтированной на машине с гусеничной ходовой частью, явилось революцией в технологии строительства бетонных покрытий. Такие укладчики были снабжены автоматической системой стабилизации положения рабочих органов на заданном проектном уровне с обеспечением требуемой ровности.

Идею предложили инженеры дорожного департамента шт. Айова Джонсон и Майерс (James W. Johnson, Bert Myers). В 1946 г. они собрали модель установки в лаборатории, которая могла укладывать плиту толщиной 10 см и шириной 50 см. В том же штате в 1949 г. первым укладчиком была построена полоса проезжей части с плитой толщиной 12,5 см и шириной 270 см. Два таких укладчика, работая бок о бок, могли построить покрытие на местной дороге шириной 5.4 м. С 1955 г. укладчики со скользящей опалубкой стали производить несколько американских компаний. Первая модель (Quad City Construction Company) позволяла устраивать покрытие шириной 7,3 м толщиной до 25 см. К этому же времени появилась другая важная новинка: в начале 1950-х увенчались успехом попытки отработать технологию нарезки деформационных швов в затвердевшем бетоне.

В итоге появился высокопроизводительный комплект самоходных машин на базе четырехгусеничного шасси с независимым гидроприводом на каждую гусеницу. Этот комплект выполнял все операции по укладке, уплотнению и отделке бетона с рабочей скоростью до 3,5 м / мин — до 1,5 – 2 км в день. По сравнению с рельсовым комплектом производительность при строительстве цементобетонных покрытий возросла на порядок. Ясно, что применение столь производительного оборудования (рис. 1) требует четкой организации строительных работ, в частности, — бесперебойной доставки готовой смеси с завода к укладчику.

К концу 1970-х такие комплекты появились в СССР. Тогда рассказывали, что министр транспортного строительства Е. Ф. Кожевников, увидевший в США работу самоходного гусеничного комплекта «Автогрейд», привез рекламный фильм на дачу А. Н. Косыгина и добился выделения валюты на покупку трех комплектов. Один из них был разобран на «Брянском Арсенале», и в 1975 г. завод приступил к изготовлению комплекта ДС-100, а в 1979 г. — комплекта ДС-110 для скоростного строительства дорог с цементобетонными покрытиями. Выпуск в США укладчиков со скользящей опалубкой оказался как нельзя более своевременным. В 1956 г. было принято постановление о строительстве Национальной системы межштатных и оборонных дорог имени Дуайта Д. Эйзенхауэра (организовавшего ее строительство) протяжением 67 тыс. км. На 60 % протяжения дороги Национальной системы имели цементобетонное покрытие.

В эту систему входят межштатные магистрали (Interstate highways), общештатные магистрали (US numbered highways (routes)) и внутриштатные маги) и внутриштатные магистрали (State routes). Межштатные магистрали (так называемые, хайвэи или фривеи) являются наиболее совершенной частью Национальной системы. Все их пересечения с другими дорогами выполнены в разных уровнях. Входы и выходы на другие дороги или улицы устроены только в правых карманах по ходу движения. Проезжие части движения в разные стороны разделены высоким бетонным отбойником либо широким газоном. В начале входов на фривей имеется светофорное регулирование, позволяющее управлять загруженностью фривея в пиковые часы. На самом же фривее нет ни одного светофора, поскольку нет перекрестков в одном уровне. Межштатные магистрали образуют сетку на всей территории США. Так, побережье Тихого и Атлантического океанов соединяют фривеи I-90 протяжением 4861 км от Сиэтла до Бостона и I-10 протяжением 3960 км от Лос-Анджелеса до Джексонвилла. С севера на юг через всю страну проходят фривеи I-95 от границы с Канадой до Майами протяжением 3090 км и I-5 от Блэйна до Сан-Диего — 2210 км. Наибольшая среднегодовая суточная интенсивность движения — на фривее I-405, проходящем с севера на юг до границы с Мексикой у г. Сан-Диего, N=390000 авт. / сутки (рис. 2). Он имеет 5 – 6 полос в каждом направлении и цементобетонное покрытие на большей части своего протяжения. Если условно принять, что движение равномерно распределено во времени, то часовая интенсивность на каждую из десяти полос составляет 390000 / (24×10) =1625 авт. / час. Но один грузовой автомобиль по динамическому габариту эквивалентен 2,0 – 3,5 легковым, и, если при доле грузовых автомобилей 15 % привести смешанный поток к легковому движению, то получится на одну полосу 1625 (0,85+0,15×2,5) =1991 легк. авт. / час. Принятая же в США теоретическая пропускная способность одной полосы проезжей части — 2200 легк. авт. / час (а в российских — 2900 легк. авт. / час). Теоретическая пропускная способность рассчитана для идеальных условий, исходя из тормозного пути, и считается недостижимой. Если принять во внимание, что большинство поездок совершается в светлое время суток, то придем к выводу, что фривей I-405 работает на пределе теоретической пропускной способности, в чем давно убедился автор обзора, постоянно пользующийся этим фривеем. Проезжая часть фривеев с менее интенсивным движением имеет меньше полос (рис. 3). Самым же широким является трехкилометровый участок фривея I-5 у г. Сан-Диего, реконструированный в 2007 г.: он имеет 21 полосу проезжей части. Максимальные скорости движения ограничены в соответствии с нормами разных штатов в пределах от 80 км / ч (50 миль / ч) до 130 км / ч (80 миль / ч). Строительство межштатных магистралей началось в 1956 г. и формально завершилось в 1992 г. 

По данным 2006 г., общее протяжение Национальной системы межштатных дорог составило 75440 км. Всего в США цементобетонное покрытие имеют дороги с общим протяжением около 100 тыс. км, и они построены на маршрутах с интенсивным и тяжелым движением. Почти половина протяжения таких покрытий, как мы видим, приходится на Национальную систему межштатных дорог, другие построены на подходах к крупным портам и железнодорожным терминалам, на промышленных дорогах и городских улицах.

Конструкции жестких одежд
Применяемые в США жесткие покрытия принято делить на три типа (рис. 4): 1. Простые со швами (Jointed plain conJointed plain concrete pavement) — сокращенно JPCP; 2. Армированные со швами (Jointed reinJointed reinforced concrete pavement) — JRCP; 3. Непрерывно армированные (Continu(Continuously reinforced concrete pavement) — CRCP.
Наиболее распространены простые жесткие дорожные одежды с поперечными швами сжатия через примерно 5 м без арматурной сетки в плите (JPCP). Такие конструкции строят примерно 70 % дорожных организаций США. В большинстве случаев они имеют соединительные штыри в поперечных швах для передачи части поперечной силы на соседнюю плиту, но в некоторых случаях штыри не устанавливают (рис. 4а). Штыри применяют гладкие, из углеродистой стали. Они покрыты нержавеющей сталью или для защиты от коррозии обмазаны эпоксидной смолой.

Одну половину длины каждого штыря обмазывают битумом, краской или другим веществом, создающим пленку, чтобы устранить сцепление с бетоном: штыри не должны противодействовать температурным продольным перемещениям плит. При толщине покрытия от 22 до 32 см применяют штыри диаметром 25 – 38 мм. В продольном шве установлены анкерные штыри, т. е. сцепление с бетоном обеспечивается в обеих соединяемых анкерами плитах. Второй тип конструкции (JRCP) имеет покрытие из армированного бетона с поперечными швами через 7.5 – 9 м, даже до 12 м.

Без арматуры при температурном короблении плиты выпуклостью вверх она теряет контакт с основанием и примерно посредине длины плиты образуется поперечная трещина. Армирование сеткой (рис. 4б) позволяет увеличить длину плиты, т. е. уменьшить количество поперечных швов — самого трудоемкого и слабого элемента конструкции. Процент продольного армирования — от 0,10 до 0.25 %. Конструкции этого типа были довольно широко распространены раньше. Однако, хотя швов и меньше, чем в конструкциях первого типа, это преимущество перекрывается стоимостью стальных сеток. Поскольку швы расположены реже, они сильнее раскрываются и закрываются при изменениях температуры и ухудшаются условия их работы. Кроме того, хотя плиты длиннее, трещины стремятся возникнуть с тем шагом, что в обычном бетоне, и во многих плитах посредине имеется поперечная трещина, а иногда и две (рис. 4б). Как показал опрос, в 1999 г. только в девяти штатах еще строят покрытия этого типа. Третий тип конструкции (CRCP) с непрерывно армированным покрытием имеет продольную арматуру по всей своей длине (рис. 4в). Поперечных швов не имеется. Процент продольного армирования — от 0,4 до 0,8 %. Продольная арматура должна работать на растяжение при увеличении средней по толщине температуры покрытия, и она не предназначена для работы на растяжение при изгибе. Поэтому продольная арматура располагается посредине толщины плиты. Температурные трещины в таких покрытиях возникают с шагом 0,9 – 1,5 м.

Однако арматура стягивает эти трещины, не давая им раскрыться. В районе трещины разделенные ею части бетонной плиты находятся в зацеплении и плотно прижаты друг к другу, что обеспечивает передачу поперечной силы при проезде колеса от одной части плиты к другой. До 1982 г. в США было построено 22 тыс. км двухполосных дорог с таким покрытием, и их построили на многих больших аэродромах. Непрерывно армированные покрытия дороже, но они имеют более ровную поверхность, чем покрытия со швами, и они служат дольше. Хотя сейчас лишь в восьми штатах продолжают строить дороги с непрерывно армированным покрытием, их все еще предпочитают в таких штатах, как Техас и Иллинойс [5]. Поскольку бетонное покрытие обладает высокой изгибной жесткостью, оно хорошо распределяет приложенную от колеса нагрузку на поверхность основания. В связи с этим к основанию не предъявляется высоких требований в отношении прочности, но оно должно обеспечивать ровную опорную поверхность для плиты. Примерно до 1940 г. большинство цементобетонных покрытий устраивали непосредственно на грунте земляного полотна, независимо от вида грунта и условий водоотвода. Однако выяснилось, что наиболее часто разрушению покрытия предшествовали выбросы (выплески) переувлажненного грунта из под плиты в районах кромки покрытия или вблизи швов при проезде автомобилей.

При повторных приложениях нагрузки грунт доуплотнялся, и в верхней части земляного полотна образовывались неглубокие впадины, в которых после дождя накапливалась вода. Последующий проезд автомобилей выжимал воду вместе с мелкими частицами грунта. Между подошвой плиты и поверхностью земляного полотна возникала полость, и плита, лишившись опоры, разрушалась (рис. 5). Кроме того, выплески вблизи поперечных швов приводили к постепенному образованию уступов, что сильно ухудшало комфортабельность движения и увеличивало динамичность нагрузки. Когда роль выплесков выяснилась, стали устраивать основание из неукрепленного вяжущим зернистого материала — гравия или песчано-гравийной смеси, но выплески наблюдались по-прежнему. В 1960 – 1970-х годах казалось, что грунт, укрепленный цементом, позволит выйти из положения, но опыт показал, что цементогрунт насыщается водой и тоже подвержен выплескам. Кроме того, в нем образуются усадочные трещины при высыхании. В итоге, от применения цементогрунта в качестве основания жесткой дорожной одежды отказались в ряде штатов, например, в Калифорнии, а также в некоторых странах Западной Европы (например, в Германии, где раньше его широко применяли). В настоящее время предпочитают устраивать основания с верхним слоем из щебня; тощего цементобетона (с прочностью на сжатие в 2 – 4 раза меньше прочности цементобетонной плиты покрытия) либо из асфальтобетона. Однако имеется ряд нерешенных вопросов. Конечно, приятно укладывать цементобетонное покрытие поверх основания из плотного асфальтобетона, которое шире покрытия, но такое основание стоит немало. Кроме того, желательно обеспечить отток воды из-под плиты.

С этой целью стали применять высокопористый асфальтобетон, но в 1990-х годах выяснилось [6], что, во-первых, на его поверхности под полосой наката происходит шелушение асфальтобетона (под цементобетонным покрытием), а во-вторых, поры в асфальтобетоне засоряются мелкими частицами из расположенных ниже слоев, и его водопроницаемость уменьшается в 100 – 1000 раз. Есть проблемы и с применением в основании тощего цементобетона. Во-первых, в связи с перерывами в укладке в нем приходится устраивать рабочие швы, а во-вторых, он подвержен образованию усадочных и температурных трещин, хотя и в меньшей мере, чем обычный цементобетон. Эти трещины и швы впоследствии инициируют отраженные трещины в бетонной плите покрытия. Давно обсуждался вопрос о том, нужно ли обеспечивать сцепление между цементобетонным покрытием и его основанием, содержащим цемент, или, напротив, стремиться к гладкому контакту между ними. Сейчас пришли к выводу о целесообразности их отделения друг от друга. С этой целью на поверхность основания из тощего бетона или из укрепленного цементом щебня укладывают полотно из геотекстиля либо тонкий слой горячей асфальтобетонной смеси. Накопилось много информации, позволяющей судить о поведении цементобетонных покрытий на различных основаниях в идентичных условиях эксплуатации. Так, на фривее I-65 в 1967 г. построили восемь опытных конструкций дорожных одежд с цементобетонным покрытием толщиной 23 см и поперечными швами через 9 м. За 33 года службы общее число расчетных осевых нагрузок, прошедших по одной полосе проезжей части, составило около 25 млн. В 2001 г. дорогу детально обследовали [7]. Участки с основанием толщиной 15 – 23 см из грунта, укрепленного цементом, и толщиной 9 – 14 см из укрепленного цементом щебня оказались наихудшими.

Лучше всех были участки с асфальтобетонным основанием толщиной 10 см. Промежуточное положение заняло основание из фракционированного щебня, поверх которого был уложен тонкий слой асфальтобетона (менее 2,5 см), просто, чтобы защитить основание от влаги в период дождей во время строительства. На асфальтобетонном основании после 33 лет эксплуатации 94 % плит не имели существенных повреждений. Средняя высота уступа (рис. 6) в швах без штырей равнялась 5,9 мм на щебеночном основании и 4,2 мм на укрепленном цементом основании, а со штырями она была 4,8 мм на щебеночном основании и 2,5 мм на укрепленном цементом основании. При асфальтобетонном основании даже без штырей средняя высота уступа составила лишь 1,5 мм через 33 года службы. Под верхним слоем основания (base) жесткой дорожной одежды часто устраивают один или несколько дополнительных слоев основания (subbase). При назначении их толщины руководствуются сведениями о глубине залегания грунтовых вод, глубине промерзания и склонности грунта земляного полотна к морозному пучению. Существенное влияние на работу дорожной одежды оказывают деформационные швы. Их необходимость легко понять. В отсутствие деформационных швов снижение температуры покрытия на ΔT, вследствие невозможности сокращения длины покрытия, вызвало бы в бетоне растягивающее напряжение σT=EαΔT. Например, при модуле упругости бетона E=30×103 МПа и коэффициенте линейной температурной деформации α=1×10-5 1 / °C охлаждение лишь на 30 °С приводит к растяжению σT =30×103·1×10-5·30= 9 МПа, которое примерно вдвое выше прочности обычного дорожного бетона на осевое растяжение. Следовательно, если швов не будет, неизбежно появление температурных трещин при охлаждении покрытия. Поэтому совершенно необходимы швы сжатия. Их устраивают, чтобы заранее наметить место будущей трещины и заполнить ее. В бетоне выпиливают паз глубиной примерно до 1 / 3 толщины плиты, ослабляя тем самым ее сечение в этом месте, чтобы локализовать там образование трещины (рис. 7). В сущности, швы представляют собой искусственные трещины, устраиваемые взамен хаотических так, чтобы их было удобно герметизировать.

Имеется ряд чисто эмпирических правил назначения расстояния между швами. Так, Американская ассоциация цементобетонных покрытий (ACPA) рекомендует назначать максимальное расстояние между швами сжатия в 24 раза больше толщины плиты, если она устроена на основании, не укрепленном вяжущим, и в 21 раз больше — на укрепленном вяжущими основании [4]. Например, при толщине плиты 22 см расстояние между швами сжатия должно быть не больше 5,3 м на щебеночном основании и не больше 4,6 м — на основании из тощего бетона. Швы, как правило, нарезают в затвердевшем бетоне и тщательно заполняют (рис. 7). Основную цель заполнения видят в предотвращении засорения швов мелкими твердыми частицами в процессе эксплуатации покрытия. В противном случае при повышении температуры швы не будут закрываться, что вызывает выпучивание плит, отделение их от основания с образованием треугольного «трамплина» (рис. 8). Второй целью является предотвращение просачивания воды через трещину в земляное полотно. Любопытно, что расстояние между поперечными швами может оказывать существенное влияние на нагрузку, приложенную от автомобиля к покрытию. Это было замечено на фривеях Калифорнии, где много лет стандартное расстояние между деформационными швами (без штырей) было одинаковым и составляло 4,6 м. Оказалось, что подвеска многих грузовых автомобилей имеет такие характеристики, при которых проезд по таким покрытиям возбуждает вертикальные гармонические колебания движущегося автомобиля, и они входят в резонанс с собственными его колебаниями. Это нетрудно объяснить. Конструкторы автомобилей стремятся создать такую подвеску, при которой движение будет ощущаться водителем и пассажирами как комфортабельное. С этой целью подвеску проектируют так, чтобы частота собственных колебаний легкового автомобиля составляла около fс=1 Гц, а грузового или автобуса — fс=1 – 2 Гц. 

Периодические продольные неровности, обусловленные уступами в деформационных швах или выпуклостями от температурного коробления плит, имеющие шаг Lн, при скорости движения V возбуждают вертикальные колебания автомобиля с частотой fв= V / Lн. Частота этих вынужденных колебаний совпадет с частотой собственных колебаний при скорости V=fcLн, т. е. для fс=2 Гц и Lн=5 м резонанс наступит при скорости V=10 м / c=36 км / ч. Мы видим, что периодичность вынужденных колебаний, задаваемая равными расстояниями между поперечными швами, действительно может привести к резонансу при обычных для грузового автомобиля или автобуса скоростях движения. Поскольку скорость движения может быть различной, единственный выход состоит в том, чтобы «сбить систему с ритма», т. е. отказаться от одинакового расстояния между швами. Резонанс крайне нежелателен ни с точки зрения комфорта движения и сохранности грузов, ни в смысле разрушающего действия нагрузки на покрытие. Чтобы избежать резонанса, в Калифорнии сначала было решено задавать переменное расстояние между швами 4, 5,8, 5,5 и 3,7 м. Однако плиты по 5,8 и 5,5 м оказались слишком длинными: от их температурного коробления посредине плиты возникали поперечные трещины (рис. 9). В конечном счете в 1980-х остановились на последовательности расстояний между швами 3,7, 4,6, 4,0 и 4,3 м, и это привело к успеху.

Автор записи: Admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *