Укатываемый цементобетон - эффективный строительный материал

В последние годы в США, Канаде, странах Европы наметилась тенденция строительства слоев оснований и покрытий автомобильных дорог и магистралей из цементобетонных смесей, уплотняемых укаткой. Отличительной особенностью таких смесей является меньший расход цемента по сравнению с традиционными смесями, широкое использование в их составе местных строительных материалов, наличие необходимых уплотняющих средств.


Фото 1. Общий вид асфальтобетоноукладчика модели Super 1700 фирмы "Vogele AG" (ФРГ) с гусеничной ходовой частью и брусом высокого уплотнения. Такие укладочные машины часто используют для устройства слоев дорожного покрытия из укатываемого бетона.


Фото 2. Общий вид асфальтобетоноукладочной машины модели Super 1704 фирмы "Vogele AG" с колесной ходовой частью и брусом высокого уплотнения. Машины этой модели также приспособлены для укладки слоев основания и покрытия дорог из укатываемого бетона.


Фото 3. Комбинированный каток модели Alfa 160 фирмы "ABG " (ФРГ) с высокопроизводительным вибратором, массой машины до 6,8 т, надежно уплотняет слои дорожных покрытий любой толщины из укатываемого бетона.


Фото 4. Комбинированный каток модели Alfa 196 фирмы "ABG" оснащен вибратором, установленным на 4 точках и предназначенным для максимальных нагрузок, а также электронным измерительным прибором АВG Vibrocontrol. Такой каток также приспособлен для уплотнения слоев покрытий дорог из укатываемого бетона.

Укатываемый бетон начинают использовать во многих странах в связи с ростом цен на битум, широким применением местных строительных материалов, развитием техники для укладки и уплотнения жестких бетонных смесей.

Во Франции, Чехии и Японии по покрытию из укатываемого бетона устраивают поверхностную обработку.

Затраты на строительство слоев покрытий из такого бетона почти на 30% меньше по сравнению с затратами на сооружение цементо- и асфальтобетонных покрытий.

В США интерес к покрытиям из укатываемого бетона объяснялся следующими причинами. Первая - поиск методов быстрого строительства дорожных покрытий в военное время. В этом случае главными являются скорость строительства дорог и применение несложного оборудования в минимальном количестве. Вторая - получение экономичного и долговечного покрытия, по которому могла бы передвигаться военная техника, при этом обеспечение ровности и текстуры не является главным требованием.

Укатываемый бетон отличается от цементогрунта тем, что он содержит крупный заполнитель, а от обработанного цементом основания - более высоким содержанием вяжущего. Построенные из этого материала покрытия дорог, площадок рассчитываются на восприятие более высоких нагрузок от транспортных средств, а потому они должны иметь более высокую прочность на сжатие и растяжение при изгабе, быть более морозостойкими и износостойкими.

Кроме того, применяя технологию устройства дорожных покрытий из укатываемого бетона, можно добиться значительной экономии энергоемкости при применении машин и оборудования, увеличить расстояние между швами в бетонном покрытии, обеспечить меньшую усадку бетона в процессе твердения из-за низкого водоцементного отношения.

Материалы, используемые для приготовления жестких бетонных смесей

Крупный и мелкий заполнитель

В настоящее время в США требования к заполнителям для укатанного бетона такие же, как и для традиционного бетона. В качестве крупного заполнителя используют щебень или дробленый гравий с максимальным размером зерен соответственно 19 или 16 мм. Допускается применение заполнителя размером зерен 38 мм, однако поверхность дорожного покрытия с таким заполнителем трудно обрабатывается и непросто достичь однородности цементобетонной смеси. Может возникнуть и расслоение бетонной смеси.

Согласно техническим нормам Военно-инженерного корпуса США, необходимо применение крупного заполнителя в следующих пределах: 80-100% по массе должно проходить через сито размером отверстий 19 мм и 2-8% - через сито размером отверстий 0,075 мм.

В некоторых составах укатываемого бетона размер зерен крупного заполнителя достигает 22 мм, содержание частиц мельче 0,075 мм может достигнуть 14%. При устройстве двухслойного дорожного покрытия крупность заполнителя нижнего слоя равна 40 мм.

При строительстве терминала Берлингтонской железной дороги максимальный размер зерен каменного материала составлял 25,4 мм. Для приготовления бетонной смеси использовали песчаную смесь, содержащую 45% крупного песка и 55% мелкого песка.

В г.Хьюстон (США) при строительстве бетонного покрытия пола и площадок грузовой станции применили заполнитель размером зерен 25 мм. С целью повышения качества поверхности дорожных покрытий и поверхности покрытий площадок различного назначения с применением укатываемого бетона целесообразно использовать крупный заполнитель с максимальным размером зерен 16-19 мм.

В настоящее время в связи с недостатком качественных заполнителей во многих странах мира широко используют такие материалы, как сланцы, дюнные пески, морской песок, глину, зольную пыль, ил - в основном для строительства слоев оснований дорожных одежд или различных площадок.

В Канаде (провинция Британская Колумбия) построена автомобильная дорога с покрытием из укатываемого бетона толщиной 180 мм. Максимальный размер крупного заполнителя составил 40 мм. Поверхность покрытия дороги была недостаточно ровная, поэтому поверх слоя бетона уложили слой из асфальтобетонной смеси толщиной 40 мм. При этом максимальная крупность заполнителя составляла 22 мм (95-90%) и 5-10% заполнителя проходило через сито размером отверстий 0,075 мм. В таких жестких смесях не происходит расслоения.

При строительстве покрытия дороги из укатываемого бетона в долине реки Фрейзер в его состав входило 50% песка от общей массы заполнителя. В этом случае поверхность дорожного покрытия толщиной 230 мм получилась удовлетворительной.

В Швеции во избежание расслоения жесткой бетонной смеси и с целью более качественной отделки поверхности дорожного покрытия рекомендуют использовать заполнитель с максимальным размером зерен 22 мм (иногда размером 16 мм). Заполнитель должен содержать мелких фракций больше, чем пластичные бетонные смеси. Чтобы получить плотную и непроницаемую поверхность дорожного покрытия, необходимо применять заполнитель с тщательно подобранным гранулометрическим составом.

В состав укатываемого бетона можно включать как природный, так и дробленый заполнитель. В случае применения природного заполнителя (природного гравия) требуется меньшее количество воды для приготовления укатываемой смеси, такая смесь лучше и легче уплотняется, редко возникает опасность ее расслоения (поскольку смесь на основе щебня расслаивается достаточно редко).

В ФРГ при строительстве магистрали кривая зернового состава заполнителя отличалась от стандартной кривой по DIN 1045. Подобранная смесь заполнителей содержала песок размером частиц 0-2 мм, гравий размерном зерен 2-8 и 8-16 мм и золу уноса.

Во Франции требования к каменному материалу для укатываемого бетона те же, что и для традиционного. Для предотвращения расслоения смеси и обеспечения хорошей отделки поверхности дорожного покрытия рекомендуется применять заполнитель размером зерен не более 20 мм. В основном используют две фракции 0-6 и 0-Д (Д - максимальный размер крупного заполнителя). Пески необходимо применять чистые дробленые и с добавкой естественных с песчаным эквивалентом не меньше 40. Допускается использование дробленых гравийных и местных материалов.

Вяжущее

В США содержание портландцемента в укатываемых бетонных смесях в два раза больше, чем в укрепленном цементом каменном материале (цементогрунте) и примерно равно содержанию цемента в традиционном бетоне.

Почти на всех построенных участках дорог или площадках в качестве вяжущего применяли портландцемент (тип 1 и тип II) и золу уноса. Количество цемента на 1 м3 бетонной смеси составляет 177-354 кг (12-14% от массы заполнителя), а золы уноса (классов С и F) 10,7-44,3 кг (15-20% от массы цемента).

В Канаде в соответствии с техническими условиями для устройства покрытий дорог из укатываемого бетона рекомендуется применять цемент типа 10 с нормой расхода 267 кг/м 3 и золу уноса класса F с нормой расхода 59 кг/м 3. По мнению специалистов, замена цемента золой уноса целесообразна с экономической точки зрения. При применении золы уноса уменьшается усадка бетона. Канадская Портландцементная ассоциация считает необходимым ограничить содержание золы уноса в смеси до 20% от общего количества вяжущего.

Содержание цемента для устройства верхнего слоя дорожного покрытия рекомендуется в пределах 10-14%, а нижнего слоя - 8% от массы заполнителя.

В Швеции в качестве вяжущего рекомендуют применять только портландцемент. Желательно применять цемент с низкой скоростью гидратации, который способствует уменьшению внутренних напряжений в материале, появляющихся в процессе твердения. На основании исследований, проведенных специалистами института цемента и бетона (г. Стокгольм, Швеция) по определению содержания вяжущего, рекомендуется применять его в количестве 14% от массы заполнителей. Исследовали две добавки: кремнийсодержащие пыли уноса (SiO 2) и тонкодисперсные золы уноса (FА). При содержании 10% от массы цемента может быть использована добавка SiO2 как наиболее реакционноспособная и повышающая морозостойкость бетона.

Во Франции в качестве вяжущего применяют стандартные цементы в количестве 8-14% от массы заполнителей. Наибольшее распространение получили цементы классов СРА 45 и 55 и CPJ 45. Такие цементы используются совместно с сульфатно-алюминиевой золой уноса (7% цемента + 5% золы). Наиболее часто применяют цемент класса СРА, поскольку он дает возможность максимально использовать пуццолановые способности зол, обеспечивая необходимые сроки схватывания, реже - цемент с добавкой шлака (предварительно измельченного или молотого), активных зол уноса или природных пуццоланов.

В Испании в качестве вяжущего материала для бетонных смесей, который вводили в количестве 12-14% от массы заполнителя, использовали смеси 50% цемента и 50% золы уноса или 40% цемента и 60% золы уноса.

Химические добавки

В Канаде техническими условиями не предусмотрено использование воздухововлекающих добавок, поскольку считается, что их введение не будет оказывать существенного влияния на образование системы воздушных пор.

В Швеции химические добавки применяют в исключительных случаях.

Военная научно-исследовательская лаборатория по изучению холодных районов США (USA CRREL) на одном из участков дорожного покрытия из укатываемого бетона применяла воздухововлекающие добавки, состоящие из водного раствора нейтрализованного винзола древесной смолы в количестве 2-2,13 г на 1 кг цемента.

Добавки, замедляющие творение, успешно применяли в CШA при строительстве стоянки для тяжелых транспортных средств в Форте Влиссе.

Во Франции в жесткую бетонную смесь вводят добавку гексафторсиликата магния в количестве 0,5-5% в виде раствора с концентрацией 5-20% и лигносульфоната щелочного или щелочноземельного металла в количестве до 0,5% от массы вяжущего. Для приготовления жесткой бетонной смеси применяют одно или несколько гидравлических или пуццолановых вяжущих типа цемента, золы уноса тепловых электростанций, молотого шлака в сочетании с активаторами или катализаторами или без них. Расход вяжущего принимают в пределах 10%, воды - от 3,5 до 8% от массы минеральной смеси, тогда как расход вяжущего без добавок достигает 15%, а воды - не менее 10%. Введение добавок повышает трещиностойкость и прочность бетона (на 15-30%), это позволяет отказаться от устройства защитного слоя.

Добавки вводятся в смесь при приготовлении ее или раствором добавок пропитывают верхний слой покрытия дороги в конце его уплотнения.

Чтобы устранить расслоение смеси и хрупкость (обезвоживание) верхнего слоя покрытия дороги, предлагается вводить в смесь водную суспензию или эмульсию полимера, желательно в сочетании с пластифицирующими поверхностно-активными веществами. В качестве полимера наиболее часто используют стирол, бутадиен, полиэфир, производные полиэтилена, полиуретана, полиизоцианатов, силиконов, акриловые и аналогичные соединения в количестве 0,5-5% от массы минеральных материалов. Прочность на растяжение при изгибе бетона с добавками на 15-30% выше прочности бетона без добавок и составляет 80-90 кг/см 2.

Подбор состава укатываемой смеси и прочностные характеристики бетона

В США Военно-инженерный корпус проектирует укатываемую бетонную смесь по методу, изложенному в руководстве ACI 207.5R. Согласно этому документу смесь рекомендуют подбирать по консистенции, пробным испытаниям, на основании которых подбирается оптимальное соотношение заполнителя и вяжущего материала, наличию необходимого уплотняющего оборудования.

Для оценки консистенций бетонной смеси применяется модифицированный прибор Вебе. Эффективная укладка при помощи асфальтоукладчика достигается при жесткости укатываемой бетонной смеси по модифицированному прибору Вебе 45-60 с.

Наиболее экономичное соотношение минерального заполнителя и вяжущего материала подбирается по максимальной плотности.

Для оценки уплотняемости смеси используют модифици рованный метод Проктора, который обычно используют для определения уплотняемости цементогрунта.

В Канаде рекомендуют подбирать состав бетонной смеси типа RCC-Pavements по тем же принципам, что при устройстве оснований, укрепленных цементом. Содержание воды в смеси определяют по оптимальной влажности при максимальной плотности, а не по водоцементному отношению.

Содержание цемента определяется на основе испытаний контрольных образцов на прочность растяжению при изгибе, которая составляет 4,1-4,8 МПa через 28 суток.

Технология строительства дорожных покрытий из укатываемого бетона

Пробное бетонирование

Такое бетонирование производят практически во всех странах с целью определения и изучения перед началом строительства свойств жесткой укатываемой смеси, процессов ее транспортировки, укладки, уплотнения и ухода за свежеуложенным бетоном. Американские специалисты рекомендуют проводить такое бетонирование за месяц до начала основных работ. Контрольные образцы вырубаются непосредственно из дорожного покрытия и испытываются на прочность.

На опытном участке дороги устанавливается максимальное уплотнение при минимальном числе проходов катка. Контроль плотности осуществляют радиометрическими методами. Для измерения степени уплотнения может применяться метод песчаного конуса.

На опытной секции пробного бетонирования устраивают "холодные" и "свежие" продольные и поперечные швы с целью отработки технологии устройства таких швов.

В США размер участка для пробного бетонирования составляет по ширине две-три полосы, по длине - не менее 45-90 м. Необходимо отметить, что при строительстве трех полос покрытия в первый день укладывают полторы полосы и во второй день - оставшуюся часть покрытия. Керны и балочки должны быть взяты из этого покрытия через 28 суток и испытаны в лаборатории для получения корреляционной кривой зависимости между прочностью бетона на растяжение при изгибе и раскалыванием. Такая кривая зависимости необходима для определения времени выпиливания контрольных балочек из дорожного покрытия.

В ФРГ при строительстве первого участка магистрали В 266 с покрытием из укатываемого бетона, пробное бетонирование произведено на участке площадью 2000 м 2. Дорожные специалисты получили данные о приготовлении укатываемой смеси, ее транспортировании, укладке и уплотнении, оnpoбовали различные варианты по уходу за бетоном, отработали технологию устройства швов в бетонном покрытии дороги.

Приготовление укатываемой бетонной смеси

В США для перемешивания укатываемых бетонных смесей стандартные заводы и смесительные установки для приготовления традиционных бетонных смесей используют сравнительно редко. Наиболее часто применяют дозаторные смесители и смесители непрерывного действия. В дозаторных смесительных установках длительность перемешивания для жестких бетонных смесей увеличивают по сравнению с пластичными смесями. Жесткие смеси чувствительны к воде, а потому необходимо тщательно контролировать консистенцию таких смесей, особенно при первых замесах.

При строительстве участка магистрали в США использовали смесительные установки Tyger Construction Company, а также дозаторные установки Noble 600 с двумя опрокидывающимися смесителями вместимостью по 6 м 3 и модифицированные Noble 600 с двумя шнековыми смесителями вместимостью по 3 м 3.

Дозаторные смесительные установки имеют меньшую производительность, но дают возможность со значительно большей точностью контролировать дозировку компонентов укатываемой бетонной смеси.

Смесители непрерывного действия наиболее широко применяют в Великобритании, Канаде (провинции Британская Колумбия), многих других странах при большом объеме строительства. Такие смесители имеют преимущество в том, что исключается время дозирования из общего времени приготовления укатываемой бетонной смеси (большая производительность), а также стоимость таких установок более низкая по сравнению со смесителями циклического действия.

По мнению американских дорожных специалистов, для производства укатываемых бетонных смесей необходимы смесительные установки принудительного действия, чтобы распределить небольшое количество воды качественно и равномерно по всему объему замеса. С этой целью используются двухвальные лопастные смесители, которые обычно применяют для перемешивания асфальтобетонных смесей.

Необходимо отметить, что производительность завода для приготовления укатываемых бетонных смесей должна соответствовать производительности укладочных и уплотняющих средств. Американские дорожные специалисты рекомендуют заводы с производительностью не менее 250 т/ч. Такой бетонный завод должен размещаться как можно ближе к месту укладки бетонной смеси, чтобы время транспортирования стройматериала было минимальным.

При строительстве в г. Порт-ленд (США) покрытия взлетно-посадочных полос аэродрома из укатываемого бетона использовали стационарный бетонный завод с двухосными лопастными смесителями с минимальной производительностью 600 т/ч.

В Форте Беннинге (США) укатываемую бетонную смесь готовили по следующей технологии. Щебень и песок подавали в бетономешалку по главному транспортеру через контрольные заслонки. Содержание воды и фракционный состав бетонной смеси зависят от количества материала, поступающего на транспортер из дозаторов. Цемент, отдозированный в объемном лопастном дозаторе, попадает в бетономешалку вместе с другими составляющими. Перед дозатором расположен накопительный бункер цемента вместимостью 200-340 кг. Во избежание сводообразования в силосах и бункерах используют вибрацию или аэрацию. Заводы фирмы "Аrаn" оборудованы изолированными ленточными питателями. Для цементных силосов заводов этой фирмы характерны плавные переходы от стенок к разгрузочному окну, поэтому аэрация может не применяться. При качественном монтаже и регулировке оборудования бетонного завода фирмы "Aran" (США) точность дозирования сухих компонентов бетонной смеси достигает 0,003%. Завод такого типа был использован для приготовления укатываемой бетонной смеси для устройства слоев покрытий площадок в порту Такома (США). Лопастной смеситель, который использовали для перемешивания компонентов бетонной укатываемой смеси, имел производительность 270 м 3/ч, время перемешивания составило 35 с.

Строительство дорожных покрытий из укатываемого бетона

Во Франции для приготовления жестких укатываемых бетонных смесей применяют цементы классов 45 или 55 в количестве 10-14% от массы сухого каменного материала, в качестве которого используют смесь песка и щебня. Чаще всего применяют дробленый песок или смесь дробленого и природного песка, а также дробленый щебень карьерного или аллювиального происхождения с размером зерен 0/14 или 0/20 мм. В случае укладки жесткой цементобетонной смеси слоем толщиной более 22 см в покрытие дорог, площадок, магистралей, для приготовления такой смеси может быть использован каменный материал с максимальным размером зерен 25 мм.

Известняковый щебень повышает устойчивость цементобетона к температурным воздействиям. Количество органических веществ, содержащихся в смеси, включая воду, должно быть ниже 0,2%. Водоцементное отношение жесткой цементобетонной смеси ниже, чем традиционной бетонной смеси.

Жесткую цементобетонную смесь укладывают финишером с мощными трамбующим и вибробрусьями, уплотняют вибро- и пневмокатком. Тип и количество катков выбирают в зависимости от толщины укладываемого слоя. Количество проходов может меняться от 15 до 20, пневмокатка - от 10 до 12 проходов по одному следу (см. фото 1, 2, 3 и 4).

Сразу после уплотнения по слою уложенного и уплотненного бетона может быть осуществлен розлив битумной эмульсии с последующей россыпью дробленого песка с размером зерен 2/4 мм. На скоростных магистралях и автострадах устраивают двойную поверхностную обработку. Такой защитный слой часто устраивают во Франции, Чехии, Японии для предохранения жесткого бетонного покрытия дороги от разрушения движущимися транспортными средствами с большой нагрузкой на ось.

Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР