Ремонт цементобетонных дорожных покрытий в США

Многие дороги с цементобетонным покрытием в США имеют повреждения покрытия. Так, на дороге Остин-Даллас встречаются участки поврежденного покрытия протяженностью до 7 км. На двухполосной проезжей части наблюдается по 3-7 продольных трещин в одном поперечном сечении дороги.

При проектировании дорожных покрытий (на 20 лет) не предполагалось движение по ним тяжелых транспортных средств, что приводит к их повреждению. Однако срок службы покрытий на некоторых дорогах с интенсивным движением тяжелых транспортных средств превысил 27 лет. По данным американских специалистов-дорожников, разрушение покрытий, построенных с высоким качеством, начинается после 30 лет их эксплуатации, а при низком качестве этот срок сокращается до 12-15 лет.

Разрушение автомобильных дорог в США происходит в 1,5 раза быстрее, чем проводится их текущий ремонт. Но осуществление своевременного текущего ремонта покрытий более экономично, чем их восстановление.

Характерные разрушения цементобетонных покрытий и причины их появления

Перед дорожниками США встала серьезная проблема ремонта цементобетонных покрытий в связи с началом их массовых разрушений. А необходимость рационального использования выделенных на ремонт средств вызвала проведение значительных по объему научных исследований.

Основные причины разрушений цементобетонных дорожных покрытий следующие: тяжелая интенсивная нагрузка от движущихся автомобилей, превышающая запроектированную. Нагрузка на ось автомобиля за последнее время возросла с 8,1 тыс. кг до 9 тыс. кг, предполагается ее дальнейшее увеличение до 10,8 тыс. кг; широкое использование противогололедных солей, приводящее к интенсивному износу и шелушению покрытий; конструктивные недостатки устройства швов и их гидроизоляции, что приводит к переувлажнению основания и коррозии арматуры в швах от действия воды и противогололедный солей; недостаточный учет температурных деформаций в покрытии; влияние технологии строительства и качества проведения работ; недооценка воздействия водно-теплового режима основания и земляного полотна на срок службы покрытия; слабый контакт покрытия с основанием; неправильный выбор и устройство различных прослоек между цементобетонным покрытием и основанием; комбинации различных причин.

Центром транспортных исследований Техасского университета проведено обследование дорог с цементобетонным покрытием и выделено 6 категорий дефектов: поперечные трещины, локальные трещины, сколы в швах и трещинах, выплески воды из-за переувлажненного основания, выбоины, места с ямочным ремонтом. Дополнительно каждую категорию дефектов можно разделить на слабо и сильно заметные.

На основании проведенных исследований обнаружена зависимость между различными категориями разрушений покрытия. Появление в каком-либо месте одного дефекта влечет, как правило, появление других. В табл. 1 показана частота появления деформаций в покрытии в штате Техас.

В штате Калифорния на покрытиях наблюдаются трещины, осадки, пучины, разрушение швов, растрескивание плит, выкрашивание, поверхностное истирание и шлифование, уступы в поперечных швах, на подходах к мостам и над трубами.

В штате Колорадо на покрытиях дорог выявлены следующие основные дефекты: разрушение из-за выщелачивания и вымывания; продольные трещины как следствие существующей тяжелой нагрузки и выщелачивания цемента; поперечные трещины из-за температурных воздействий; колееобразование из-за прохода автомобилей с шипованными шинами; просадки, появляющиеся в основном из-за строительных дефектов; выплески воды с мелким минеральным материалом через швы и трещины из-за переувлажнения основания; сколы в швах; уступы в швах; разрушение углов плит.

В штате Иллинойс ямочный ремонт дорожных покрытий из неперывноармированного бетона CRCP осуществлен с помощью "заплат" из цементобетонной смеси. Наиболее характерной деформацией таких покрытий являются выбоины, образовавшиеся за счет опускания части покрытия между поперечными трещинами, или краевые выбоины, вызванные разрушением основания под плитой. Кроме того, наблюдаются следующие деформации: широкие трещины раскрываются, образуются уступы, края которых выкрашиваются. При раскрытии трещин нарушается связь вяжущего с минеральным материалом, а также в результате коррозии разрушается арматура около трещины; уступы в продольных швах (длина 1,53-15,24 м), на основе которых появляются группы краевых выбоин; локальный разлом плиты, образуемый в местах появления трещин, а также в результате низкого качества строительства; разрушение рабочих швов, связаное с образованием выбоин и широких трещин; сильное выкрашивание или разрушение CRCP в местах, близких к шву. Основной причиной являются низкое качество строительства; разрывы плит, происходящие из-за температурных деформаций или высокой влажности основания. Разрывы часто образуются из рабочих швов или из широких трещин, которые не были своевременно отремонтированы; растрескивание покрытия, происходящее за счет льдообразования в порах крупного заполнителя, что может привести к полному разрушению его через 8-15 лет.

Основным видом деформации цементобетонных покрытий автомобильных дорог США являются трещины. Они появляются даже при большой толщине слоя (до 30 см). Поперечные трещины образуются на многих участках цементобетонных покрытий.

В штате Юта на покрытиях дорог наблюдаются следующие виды трещин: трещины, разделяющие покрытие на блоки из-за усадки цементобетона и изменения его свойств; отраженные трещины в покрытии в связи с возникновением трещин в основании; поперечные, продольные и случайные трещины, причинами появления которых являются плохо загерметизированные швы покрытия, усадка покрытия за счет температурных изменений; трещины, образуемые в результате проскальзывания покрытия по основанию из-за слабой связи между слоями.

Учитывая количество трещин на цементобетонных покрытиях, в штате Техас пришли к выводу, что существует синусоидальная зависимость количества трещин от срока службы покрытия, которая показывает влияние водно-теплового режима земляного полотна и слоев основания, что подтверждается выведенным ранее законом распределения деформации дорожных одежд.

При разрушении швов происходит смещение отдельных плит, приводящее к образованию уступов и дальнейшему разрушению краев под динамическим воздействием транспортной нагрузки. Аналогичные деформации могут образовываться в трещинах. Постепенно происходят разрушение арматуры (из-за больших нагрузок и коррозии металла) и откол нижней части бетонных плит (см. рис. 1).

Если на старое цементобетонное покрытие уложено асфальтобетонное, то швы ощущаются при движении транспортного средства со скоростью более 90 км/ч.

О неоднородности цементобетона свидетельствует неоднократное проведение ямочного ремонта на одном и том же участке цементобетонного покрытия. Кроме того, о его неоднородности можно судить также по физико-механическим характеристикам образцов, взятых из покрытия автомобильных дорог в штате Техас. Прочность на раскол цилиндрических образцов составила 1,59-7,14 МПа при среднем значении прочности 5,21 МПа, то есть значение коэффициента вариации близко к 0,266, что говорит о наличии существенной неоднородности цементобетона (по данным исследователей из техасского университета Holsen M., Hudson W.R., Nayak B.C., Mc Cullough B.F.).

Коэффициенты вариации показателей основных физико-механических свойств цементобетонных покрытий приведены в табл. 2.

По мнению американских исследователей-дорожников, неоднородность цементобетона является одной из основных причин появления различных дефектов. Существенная неоднородность присуща сцеплению нового дорожного слоя покрытия со старым цементобетонным. По данным Техасского университета, коэффициент вариации силы сцепления двух слоев покрытия доходит до 0,45, что говорит о плохом обеспечении контакта между ними. Наблюдается неоднородность прочности контакта между старым и новым цементобетонными слоями покрытий. Так, в углу плиты прочность составляла 1,34 МПа, а в центре плиты - 1,70 МПа. Кроме того, напряжение в цементобетонном покрытии существенно зависит от его сцепления с основанием. Так, в цементобетонном покрытии на щебеночном основании напряжение примерно в 2 раза выше, чем на асфальтобетонном.

В г. Хьюстоне на опытной дороге с непрерывно армированным цементобетонным покрытием через 28 суток, еще до начала ее эксплуатации, появились поперечные трещины. Высверленные в этих местах керны разрушились по контакту старого и нового образцов (два образца из семи).

Прочность контакта между старым и новым тонким цементобетонными слоями покрытий зависит от влажности поверхности старого цементобетона, температуры укладки новой смеси и наличия подгрунтовки цементным молоком (см. табл. 3, составленную по данным K. Reilley).

Как видно из табл. 3, высокая температура укладки цементобетоннолй смеси способствует повышению прочности контакта на 1-12%, за исключением того случая, когда основание влажное и не обработано цементным молоком. При этом наблюдается снижение контактной прочности при высокой температуре укладки смеси (до 34%).

Сравнение контактной прочности, полученной при сухой, обработанной цементным молоком поверхности нижнего слоя цементобетона (рекомендуемая технология) и при влажной и необработанной поверхности (довольно часто встречающейся в практике дорожного строительства США), показало, что во втором случае прочность контакта падает в 2,23 раза. Таким образом, очевидна необходимость укладки цементобетонной смеси при ремонте покрытия на сухое, обработанное цементным молоком основание. Плохой контакт нового слоя цементобетона со старым приводит к появлению отраженных трещин.

На различных конференциях в США отмечались также следующие дополнительные причины разрушения цементобетонных покрытий: появление дефектов вблизи арматуры (большие пустоты, слабое сцепление с арматурой), и в связи с этим необходимость оптимизации содержания арматуры и применения фибробетона; наличие металлических волокон на поверхности из фибробетона, приводящее к микроразрушениям поверхности покрытия; подъем вновь уложенного тонкого покрытия над поперечными швами старого покрытия за счет температурных деформаций.

Таким образом, определение вида деформации цементобетонного покрытия, а также причин, вызвавших их появление, является основой для выбора правильной стратегии ремонта.

С этой целью разработана система ежегодного учета текущего состояния дорожных покрытий, которая позволяет своевременно с помощью различных методов и приборов определить и исправить дефекты, не допуская полного разрушения покрытий. Ежегодно дорожные управления создают комиссии по осмотру дорог, в состав которых входят проектировщики, исследователи, специалисты по материалам, эксплуатационники.

Для контроля состояния покрытий дорог в департаменте автомобильных дорог штата Техас имеется специальное оборудование: скидометры (аналоги приборам ПКРС-2у), профилометры, динафлекты (установки динамического нагружения), мэйсметры (аналоги толчкомерам), стационарные пункты учета интенсивности и состава движения, ручные сумматоры и передвижные контрольные пункты для наблюдения за интенсивностью и составом движения. Кроме того, при необходимости привлекается Центр транспортных исследований Техасского университета, который располагает достаточно большим количеством различных приборов и оборудования для контроля транспортно-эксплуатационных качеств дороги.

С целью автоматизации обследования дорог в США используют такие современные автоматизированные компьютерные системы, как PRS System.

Для сбора информации используются специально оборудованные машины, эксплуатируемые ночью при искусственном освещении. Скорость их движения 5-80 км/ч. С их помощью производят съемку внешнего вида дорог (на фото или магнитную пленку), определяют ее ровность (лазерными приборами, профилометрами), кривизну поверхности дороги в плане и профиле. Ровность и другие показатели записываются на магнитную ленту, которая затем обрабатывается и хранится в памяти компьютера. Таким образом, формируется банк данных о дорогах, которым в любое время можно пользоваться потребителю. Кроме того, компьютер производит расчет и оптимизацию стоимости ремонта дороги.



Рис. 1. Схема разрушения бетонного покрытия в шве: 1-деформация основания; 2-разлом; 3-трещина; 4-уступ; 5-направление движения транспортных средств; 6-арматура.

Таблица 1. Частота появления деформаций и разрушений в цементобетонных покрытиях дорог в штате Техас

Вид деформации	Частота появления разрушений, %	Частота появления разрушений без учета выбоин, %
Выбоины	58,9	-
Избыток битума на поверхности покрытия	9,4	23,0
Колея	6,1	14,8
Продольные усталостные трещины	6,0	14,6
Повреждение кромок	4,9	11,9
Волны	4,8	11,7
Трещины, разделяющие покрытие на блоки	4,0	9,7
Сетка усталостных трещин	2,6	6,3
Трещины на кромках	0,9	2,2
Конструктивные трещины	0,8	1,9
Продольные трещины	0,7	1,7
Усадочные трещины	0,5	1,2
Поперечные трещины	0,4	1,0

Таблица 2. Коэффициенты вариации показателей основных физико-механических свойств цементобетонных покрытий дорог

Наименование параметра	Значения коэффициента вариации параметра
	минимальные	средние	максимальные
Прочность на изгиб (по данным университета Нью-Мексико)	0,044	0,064	0,081
Прочность на сжатие (по данным исследователя Renier E.J.)	0,035	0,158	0,450
Прочность на сжатие (по данным Американского института бетона)	0,033	0,101	0,300
То же (по данным Техасского университета)	0,055	0,121	0,227
Прочность на растяжение (по данным университета Нью-Мексико)	0,190	0,200	0,290
Модуль упругости (по данным исследователя Tea R.D.)	0,060	0,167	0,281
Коэффициент Пуассона (по данным университета Нью-Мексико)	-	0,250	-
Осадка конуса	0,215	0,315	0,532
Плотность (по данным университета Нью-Мексико)	0,011	0,017	0,047
Содержание пустот	0,139	0,183	0,250
Раскрытие швов (по данным исследователей Vice J.M., Phillips R.G.)	0,145	0,501	2,000
Расстояние между трещинами	0,250	0,513	0,770
Показатель эксплуатационной надежности (по данным исследователя Wilcox B.W.)	0,057	0,081	0,106
Толщина слоя (по данным университета Нью-Мексико)	0,006	0,023	0,047

Таблица 3. Зависимость прочности контакта между старым и новым цементобетонным покрытием от температуры укладки бетонной смеси

Температура укладки смеси, °С	Величина контактной прочности между новым и старым цементобетонными покрытиями, МПа
	для сухого основания		для влажного основания
	при обработке цементным молоком	без обработки	при обработке цементным молоком	без обработки
38	1,99	1,68	1,88	0,88
20	1,94	1,50	1,85	1,35

Eвгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед

© строительство и недвижимость -