Развитие технологии поризованного бетона и первые опыты в Германии
РЕФЕРАТ. Поризованные поверхности цементобетона или асфальтобетона свободно пропускают дождевую воду и, кроме того, в большей степени способствуют снижению уровня шума по сравнению с бетоном, обладающим плотной микроструктурой.
Опытные бетонные участки на загруженных автомагистралях, созданные в предыдущий период, не показали достаточной долговечности. Повреждения заключались в выбивании зерен заполнителя из поризованного бетона и в появлении участков, на которых сцепление между бетонным покрытием и основанием было недостаточным. Кроме того, из-за транспортной нагрузки постепенно уменьшалось сцепление автомобильных шин с покрытием.
Поризованный бетон для дорожных покрытий с низким уровнем шума содержит только щебень с размером кусков 5—8 мм и обладает пустотностью 15—20 об. %. Чтобы обеспечить достаточную стойкость к циклам замораживания—оттаивания, в цементное тесто добавляют полимерную дисперсию.
Для ликвидации имеющихся недостатков была разработана новая специальная дисперсия полимера, обладающая достаточной стойкостью к низким температурам и высоким динамическим нагрузкам.
Целью испытаний, проведенных в апреле 2013 года в Майнц-Амёнебурге, было приобретение опыта по технологии укладки бетонной смеси при помощи усовершенствованного асфальтоукладчика. Для повышения долговечности и увеличения прочности при изгибе был создан участок с применением цемента CEM III/A 42.5 N, а также с применением высокомарочного цемента CEM II/BS 52.5 R.
Шоссе приведено в качестве примера в стандарте Немецкой научноисследовательской организации по вопросам дорожного движения и транспорта (Die Forschungsgesellschaft für Straßen und Verkehrswesen, FGSV) «Руководство по проницаемым проезжим частям», который будет введен в действие в ближайшем будущем.
Ключевые слова: цементобетонные дороги, поризованный бетон, испытательный участок, дорожное покрытие с низким уровнем шума, долговечность.
Keywords: cement concrete roads, porous concrete, test track, low noise pavement, durability.
1. Введение
Поризованный бетон для покрытий на магистралях и автострадах в первую очередь позволяет снизить уровень шума. Ранее были изучены различные варианты применения такого бетона [1]. Однако из-за низкой долговечности такого бетона и плохого сцепления между поризованным бетоном и плотным основанием) пока не набралось достаточного количества данных о его долгосрочных эксплуатационных характеристиках.
При использовании дренажного бетона в муниципальном дорожном строительстве и в улично-дорожной сети очень большое значение имеет его проницаемость. Задача заключается в том, чтобы направить как можно больше воды с покрытия непосредственно в лежащий под ними грунт, и тем самым уменьшить нагрузку на канализационную систему. Автостоянки крупных магазинов, велосипедные дорожки и придомовые автостоянки обычно асфальтируются или покрываются мостовым камнем и, следовательно, являются вполне подходящими объектами для применения такого бетона [2].
В апреле 2013 года на производственных территориях компании Dyckerhoff AG было уложено пробное дорожное полотно и проведено большое число испытаний. Покрытие изготовили из специально разработанного дренажного поризованного бетона, модифицированного полимером. Помимо определения проницаемости дренажного бетона в зависимости от времени исследовали его долговечность. Также был приобретен определенный опыт в области технологии укладки покрытия. Полученные результаты использованы для того, чтобы дополнить стандарт FGSV «Руководство по проницаемым проезжим частям» [3].
2. Предварительные испытания
2.1. Методы испытаний
Для характеристики дренажного бетона и параметров качества проведены описанные далее операции с бетонной смесью и затвердевшим бетоном.
2.1.1. Испытание бетонной смеси. Процедура подготовки жесткой бетонной смеси для оценки ее консистенции описана в стандарте DIN EN 12350—4. Контейнер размерами 200 х 2000 х 400 мм) заполняют бетонной смесью, не прикладывая какого-либо усилия, а избыток смеси удаляют. Смесь уплотняют на вибрационном столе и затем сверху помещают груз массой около 12 кг. Процесс повторяют до тех пор, пока объем смеси не перестает изменяться (по данным визуальной оценки).
2.1.2. Изготовление и хранение образцов. Заполнитель и армирующие волокна перемешивают с 1/3 всего количества воды в течение 15 с. Смесь выдерживают около 2 мин, после чего в течение 30 с добавляют в нее при перемешивании цемент. Затем вводят остальную воду, дисперсию и суперпластификатор и далее перемешивают в течение 3 мин.
Количество смеси на замес рассчитывают исходя из ее плотности и объема контейнера. Укладку выполняют в три слоя.
Смесь уплотняют на вибрационном столе с использованием пригруза. Через 24 ч образцы извлекают из контейнеров, оборачивают влажной тканью и запечатывают фольгой, чтобы обеспечить герметичность. Через 7 сут фольгу и ткань снимают. Затем до проведения испытаний образцы выдерживают при температуре 20 °C и влажности 65 %.
2.1.3. Испытания образцов затвердевшего бетона проводили в соответствии с требованиями стандартов, указанных в табл. 1.
2.2. Компоненты
Некоторые рекомендации стандарта [3], относящиеся к модифицированному полимером бетону с добавками, приведены в табл. 2. При составлении этих рекомендаций был учтен опыт, полученный на уже построенных проезжих частях. Для приготовления бетонных смесей применяли шлакопортландцемент CEM III/A 42.5 N, поставляемый заводом Amoeneburg. Использование высокомарочного цемента позволяет увеличить прочность дорожного покрытия при изгибе [4]. Поэтому в составе бетонной смеси, использовавшейся на экспериментальном участке, применен портландцемент CEM II/B-S 52.5 R (Variodur 30) завода Neuwied. Необходимо было проверить, не придаст ли он дополнительную жесткость поризованному бетону. Цементы типа CEM I не использовали, поскольку цементы CEM II и CEM III уже себя хорошо зарекомендовали. Данные по цементам приведены в табл. 3.
Заполнитель на 95 масс. % состоял из базальтового щебня с размером кусков 5—8 мм. Для увеличения сцепления с поверхностью использовали песок с размером зерен менее 2 мм в количестве 5 масс. %.
Для регулирования консистенции бетонной смеси использовали суперпластификатор ViscoFlow® 20. Бетонную смесь перевозили на испытательный участок обычными автобетоновозами, а также самосвалами, снабженными защитой от потери влаги. Поскольку впоследствии никаким способом нельзя повлиять на подвижность готовой смеси, необходимо заранее учесть изменение ее консистенции при длительной транспортировке в открытых самосвалах.
В предварительных опытах на растворных смесях для обоих видов цемента испытали серию добавок. Вначале подобрали количество воды затворения, необходимое для достижения начального расплыва растворной смеси равного 16 см (рис. 1, красная линия). Затем были введены добавки в дозировке 0,3 % массы цемента. Наилучшая консистенция растворных смесей была достигнута с добавкой Sika® ViscoFlow® 20 (синяя линия) независимо от типа цемента.
Рис. 1. Удобоукладываемость смесей на основе цемента CEM III/A 42.5 N N (а) и CEM II/B-S 52.5 R (б) в зависимости от времени. Красные линии соответствуют смесям без добавок, синие — смесям с добавкой Sika® ViscoFlow® 20, прочие — смесям с иными добавками
Для увеличения стойкости к механическим воздействиям и для улучшения удобоукладываемости были использованы щелочестойкие пластиковые волокна DOLANIT® 18 длиной 6 мм. При их введении в бетонную смесь уменьшается усадка и не образуются трещины. Кроме того, волокна способствуют адгезии цементного теста к заполнителям.
Чтобы увеличить долговечность дренажного бетона, и особенно устойчивость к циклическому замораживанию—оттаиванию, в бетонную смесь ввели новую полимерную дисперсию ETONIS® 260. Эта добавка увеличивает вязкость цементного теста, благодаря чему гарантируются хорошее сопротивление покрытия сжатию, растяжению и растрескиванию, а также значительно лучшая устойчивость к циклам замораживания—оттаивания.
2.3. Эксплуатационные свойства образцов дренажного бетона
Для обоих типов цемента провели оптимизацию рецептур. Помимо достижения необходимой прочности при сжатии и растяжении, консистенция смеси должна сохраняться на первоначальном уровне, в соответствии с указаниями стандарта [3], по крайней мере, в течение 90 мин. Первые рецептуры бетона обеспечивали пустотность 18 об. %. Для достижения требуемого предела прочности при растяжении (более 4 МПа) пустотность уменьшили до 15 об. %. Но и в этом случае была достигнута удовлетворительная водопроницаемость — более 5 · 10–5 м/с [3]. На основании данных предварительных испытаний остановились на рецептуре, приведенной в табл. 4.
Коэффициент степени сжатия, характеризующий консистенцию жесткой смеси по DIN EN 12350-4, находился в пределах 1,30—1,35.
Посредством уменьшения пустотности с 18 до 15 об. % предел прочности при растяжении удалось увеличить с 3,4 до 4,7 МПа. Проницаемость при этом не изменилась. В табл. 5 показаны результаты лабораторных испытаний 28-суточных образцов (средние значения каждого показателя, определенные по данным для трех образцов). Образцы в возрасте 35 сут исследовали только на устойчивость к циклическому замораживанию—оттаиванию и на водопроницаемость.
Цемент более высокого класса прочности не оказывает какого-либо влияния на прочность при сжатии, растяжении или раскалывании, но обеспечивает чуть более высокий модуль упругости дренажного бетона. Результаты испытаний на устойчивость к циклическому замораживанию—оттаиванию для бетонов на двух видах цемента различаются несущественно и свидетельствуют о высокой долговечности бетонов. В соответствии с этим в дальнейших работах использовали оба вида цемента.
3. Проведение испытаний
3.1. Строительство
Проект был спланирован в сотрудничестве с группой «Дренажный бетон» немецкой Федеральной ассоциации бетонной индустрии (Bundesverband der deutschen Transportbetonindustrie e.V., BTB). Разработанные составы бетонных смесей необходимо было испытать в реальных условиях строительства, при этом основное внимание уделяли технологиям приготовления и укладки смесей. Помимо этого нужно было сопоставить механические свойства материала с результатами предварительных испытаний. Был также запланирован длительный мониторинг состояния дорожного полотна (с целью установить его долговечность и степень проницаемости) сотрудниками факультета архитектуры, гражданского строительства и геоматики Университета прикладных наук во Франкфурте под руководством проф. У. Хинтервеллера.
Рекомендации, относящиеся к строительству объекта и толщине укладываемого слоя, основывали на положениях нормативного документа [5] и на специальных расчетах, сделанных Мюнхенским техническим университетом [6], которые приведены в руководстве [3]. Улица в основном используется для движения легковых автомашин, приезжающих на парковку (300 мест) и отъезжающих с нее. Кроме того, по ней движутся грузовики, перевозящие газ для газовой станции Dyckerhoff, а также легкие грузовики, автобусы и др. Поэтому строительство осуществлялось в соответствии с немецким нормативом RStO для класса загруженности Bk 0.3. Руководствуясь этим нормативом, необходимо было изготовить дренажное бетонное покрытие толщиной 23 см, а в проницаемом основании не следовало использовать связующее. Опытный участок дороги имел длину приблизительно 130 м и ширину 4,9 м. Одна часть участка дороги была возведена с применением цемента CEM III/A 42.5 N, другая — CEM II/B-S 52.5 R.
3.2. Производство строительного материала
Смесь для дренажного бетона произведена на предприятии по производству готовых бетонных смесей в Делкенхейме, принадлежащем филиалу Rhine-Main Taunus Dyckerhoff (рис. 2). Установлено, что смесь для специального дренажного бетона можно произвести с использованием технологий обычного смешивания и дозирования (при этом требуется определенное время смешивания) и поставлять во все регионы. Порядок дозирования был практически аналогичен производству обычных бетонных смесей, за исключением того, что волокна всыпали вручную одновременно с введением крупного заполнителя. Полимерную дисперсию дозировали циркуляционным насосом (по причине ее большого расхода) и вводили в бетонную смесь вместе с водой. На последней стадии вводили суперпластификатор в количестве, установленном лабораторией. После введения всех компонентов бетонную смесь перемешивали в течение 90 с и подавали в самосвалы (см. подраздел 3.4).
Рис. 2. Предприятие по производству готовых бетонных смесей в Делкенхейме
3.3. Контрольные тесты и результаты
Чтобы установить температуру и степень уплотнения смеси для оценки качества бетонных смесей отбирали пробы из каждого самосвала и на предприятии-изготовителе, и на стройплощадке. Дополнительно отбирали пробы для изготовления образцов бетона. В каждом случае были изготовлены шесть кубов с длиной ребра 150 мм, шесть балок размерами 700 × 150 × 150 мм и шесть цилиндров размерами ∅ 150 × 300 мм. В качестве образцов для определения прочности при раскалывании, устойчивости к циклическому замораживанию—оттаиванию и проницаемости использовались части балок, предназначенных для испытаний на прочность при изгибе. Параметры свежеуложенного и затвердевшего бетона приведены в табл. 6 (средние значения каждого показателя определяли по данным для шести образцов).
Бетонную смесь в объеме, рассчитанном с учетом плотности исходных компонентов и заданной пористости (см. подраздел 2.1.2), уложили в формы, расположенные на вибростоле (частота колебаний составляла 50 Гц), и тщательно уплотнили с использованием пригруза. Сразу после этого образцы покрыли влажной тканью и фольгой, спустя 1 сут распалубили и затем хранили во влажной ткани и фольге. Эта методика имитирует необходимый уход за дренажным бетоном. Через 7 сут образцы поместили в климатическую камеру (температура 20 °C, влажность 65 %), где их хранили до проведения испытаний.
Чтобы уложить смесь строительной компании потребовалась более подвижная ее консистенция; в результате пористость, которая предполагалась исходя из результатов лабораторных испытаний, не была достигнута. Бетонная смесь была уплотнена легче и быстрее, чем ожидалось. При этом достигнута более высокая прочность при сжатии, чем в лабораторных испытаниях.
Результаты применения двух различных видов цемента практически идентичны, за исключением различия в пустотности (приблизительно на 3 %). Очевиден положительный эффект применения цемента более высокой марки, который заключается в большей прочности бетона, имеющего более высокую пористость. Результаты испытаний на устойчивость к циклическому замораживанию—оттаиванию подтверждают результаты, полученные в лаборатории. Эрозия материала приблизительно на 30—50 г/м2 ниже обычного порогового значения 1500 г/м2. Ее существенной зависимости от типа цемента не отмечено.
3.4. Доставка и последующие операции
Транспортировка к строительной площадке производится бетоновозами (рис. 3), а также открытыми самосвалами. Укладка бетона выполнена асфальтобетонной компанией, которая предварительно получила опыт использования дренажного бетона на испытательных площадках. Устройство для укладки представляло собой усовершенствованный укладчик для асфальтовых дорог, с разравнивающим брусом, ширина которого регулируется под под ширину дороги (рис. 4). Его параметры были отрегулированы в соответствии с требуемой пористостью покрытия. Геометрия бруса и расположение опор были изменены таким образом, чтобы на покрытии не оставалось следа от бруса. Слой толщиной 23 см уплотняли путем трамбовки. Особая система вращения на бетоноукладчике, которая препятствовала провисанию бруса, и отрегулированная консистенция смеси обеспечили гладкую поверхность уложенного испытательного участка (рис. 5). Последующее уплотнение катками требовалось не во всех случаях.
Рис. 3. Доставка смеси бетоновозом
Рис. 4. Модифицированный бетоноукладчик для асфальтовых дорог
Рис. 5. Свежеуложенный дренажный бетон
Участки у крышек люков и садового гидранта уложили вручную. Готовую дорогу полностью укрыли влажной тканью и полиэтиленовой пленкой на две недели (рис. 6).
Рис. 6. Защита покрытия сразу после укладки флисовой тканью и пленкой
Работы специально выполняли без организации обычных швов для бетонных покрытий. При нарезании швов на затвердевшем бетоне возникает опасность разрушения их краев вследствие выбивания кусков цемента. По прошлому опыту известно, что из-за этого разрушения может произойти повреждение всего покрытия. Предполагается, что покрытие окажется более долговечным в случае неконтролируемого образования трещин. Во второй тестируемой секции (с CEM II/B-S 52.2 R) приблизительно через 4 недели образовалась трещина в середине, но в первой секции испытательной трассы (с CEM III/A 42.5 N) трещин до сих пор не обнаружено.
4. Проверка покрытия
4.1. Образцы, вырезанные из толщи бетона
Спустя 3 недели после укладки из толщи бетонного покрытия дороги были отобраны керны диаметром 10 см для определения толщины слоя, пустотности и предела прочности при сжатии. Средняя пустотность на участке с CEM III/A 42.5 N (12,3 об. %) была ниже, чем на участке с CEM II/B-S 52.5 R (16,4 об. %). Чтобы определить, как изменяется качество уплотнения бетона с расстоянием от поверхности и какова эффективность бруса бетоноукладчика, образцы разрезали пополам. Пустотность и предел прочности при сжатии определялись для верхних и нижних половин, имеющих высоту 10 см.
На рис. 7 показана зависимость между пустотностью и пределом прочности при сжатии образцов. Как и ожидалось, пустотность нижних половин (20,4 об. %) была выше, чем верхних (16,1 об. %). В данном случае во время проведения работ необходимо было решить, имеет ли смысл класть дренажный бетон толщиной 23 см в два слоя, что позволило бы избежать неоднородностей по толщине слоя. Предел прочности при сжатии уменьшается с увеличением пустотности. Кроме того, было выявлено влияние бруса бетоноукладчика: уплотнение покрытия под средней частью бруса было хуже, чем по краям, т. е. пустотность покрытия под левой и правой частями бруса была приблизительно на 4 об. % ниже, чем в середине покрытия. Это указывает на необходимость оптимизации техники и получения большего опыта в укладке дренажного бетона.
Рис. 7. Зависимость между пустотностью и пределом прочности при сжатии образцов бетона в возрасте 42 сут
4.2. Поверхность покрытия
Сотрудники исследовательского института федеральных автомагистралей определяли на данной дороге сцепление автомобильных шин с дорожным полотном (в соответствии с немецким стандартом (TP Griff StB) «Технические правила измерения коэффициента сцепления с дорожным полотном») (рис. 8) и звукопоглощение.
Рис. 8. Испытание сцепления шины с дорожной поверхностью
Коэффициент сцепления µSkm находился в диапазоне 0,55—0,70 при скорости движения автомобилей 20—60 км/ч. Развивать более высокую скорость было невозможно из-за короткой дистанции. Средняя глубина профиля составила 2 мм. Эксперименты по звукопоглощению пока не завершены.
5. Заключение
С завершением строительства новой дороги на заводских территориях компании Dyckerhoff AG проект «Дренажный бетон» успешно закончен. Проведены важные испытания, касающиеся приготовления бетонной смеси и ее укладки.
Результаты тестирования и совершенствования рецептуры дренажного бетона для проницаемых дорожных покрытий позволяют успешно внедрять его в производство и по существу открывают новый сегмент рынка применения готовых бетонных смесей. Опытная трасса находится под наблюдением сотрудников Университета прикладных наук (Франкфурт) и Института им. Вильгельма Дюкерхоффа. В ходе этих наблюдений находит подтверждение правильность выбора проницаемого материала, модифицированного полимером (рис. 9).
Рис. 9. Испытание трассы с движением транспорта и без него
ЛИТЕРАТУРА
1. Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen (bast): Verbundprojekt «Leiser Straßenverkehr-Reduzierte Reifen-Fahrbahn-Geräusche», Straßenbau 2004, Heft S 37.
2. Buttgereit A. Wasserdurchlässige Befestigungen von Verkehrsflächen // Das neue Merkblatt, Straße und Autobahn. 2013. N 11. S. 843—848.
3. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt für Versickerungsfähige Verkehrsflächen (M VV). Köln: FGSV Verlag, 2013. 947 S.
4. Whitetopping mit Hochleistungsbeton, Straße und Autobahn. 2010. N 9. S. 666—668.
5. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO 12). Köln: FGSV Verlag, 2012. 499 S.
6. Forschungsbericht Nr. 2629: Bemessung wasserdurchlässiger Verkehrsflächen mit Dränbeton der Bauklassen V und VI und mit geringer Verkehrsbelastung. TU München, Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau (unveröffentlicht). 2010.
Автор: П. Фогель, Й. Орбен |
Рубрика: Бетон |
Ключевые слова: цементобетонные дороги, поризованный бетон, испытательный участок, дорожное покрытие с низким уровнем шума, долговечность |