Опыт проектирования и строительства бетонных дорог в Польше

РЕФЕРАТ. Описан опыт работ, связанных с проектированием и строительством бетонных дорог в Польше. Особое внимание уделено технологии финишной отделки покрытия и температурным воздействиям, которые определяют требования к проекту и технологический режим строительства. Помимо этого приведены типы и критерии выбора устройства бетонных покрытий в соответствии с «Каталогом типовых конструкций жестких покрытий».

Ключевые слова: бетонные дороги, дорожное покрытие, проектирование, строительство, финишная отделка.

Keywords: concrete roads, road pavement, design, construction, finishing.

Введение

Развитие технологии дорожных покрытий в Польше до конца 1980-х годов основывалось преимущественно на принципах применения асфальта при строительстве дорог. Бетонные покрытия главным образом использовались на аэродромах, парковках и внутризаводских проездах. Наступивший энергетический кризис в мировой экономике (в том числе в экономике Польши) вызвал интерес дорожного ведомства к бетонным покрытиям. Эта заинтересованность возросла, когда в середине 1990-х было повсеместно отмечено появление колейности на асфальтовом покрытии, вызванное в том числе возрастающей осевой нагрузкой транспортных средств и ростом трафика.

Число изданных публикаций и инструкций по бетонным покрытиям в Польше невелико: в 1935 году вышли в свет первые рекомендации по строительству бетонных покрытий [1], а первое пособие по бетонным покрытиям [2] было издано Союзом польских заводов порт­ландцемента в 1939 году. Позже появились пособия, касающиеся аэродромных покрытий и содержащие основные принципы проектирования и строительства бетонных трасс [3, 4].

В 1983 году вышли в свет очередное пособие «Современные бетонные покрытия», написанное С. Роллей, много лет работавшим в сфере польского дорожного строительства [5], и книга Ч. Левиновского «Расчет конструкций проезжей части из цементного бетона» [6].

В 2001 году издан «Каталог типовых конструкций жестких покрытий», а в 2004-м появилась книга А. Шидло «Дорожные покрытия из цементного бетона. Теория, расчеты, реа­лизация» [7]. В 2005-м опубликована работа «Бетонное покрытие на дорогах местного значения» [8]. В 2014-м вышло в свет переработанное и дополненное издание «Каталога типовых конструкций жестких покрытий» [9].

Первые участки с бетонным покрытием появились на автостраде А4. В 1995 году была закончена перестройка отрезка Кшива—Кшижова протяженностью 17 км, первоначальное бетонное покрытие которого было заменено на новое (рис. 1). На следующем этапе перестроен участок Вроцлав—Кшижова (92 км, 2002 год), затем Кшижова—Згожелец (50 км, 2010 год). В 2009-м отстроен участок трассы А18 Кшива—Ольшина длиной 60 км. Наконец, в 2011-м в эксплуатацию введен участок авто­магистрали на трассе А2 протяженностью около 106 км, построенный в соответ­ствии с новейшими мировыми стандартами. На этом участке верхний слой выполнили по технологии «обнаженного заполнителя», чтобы улучшить условия движения и снизить шум. В 2012 году реконструирована дорога S8 длиной 160 км. В настоящее время покрытия из бетона используются и на дорогах низшего класса, в том числе местного значения [8]. Отметим, что в Польше появляется все больше участков дорог с бетонным покрытием. Состояние на 2016 год в соотнесении с другими типами дорог в стране отображено на рис. 2.

Рис. 1. Ресайклинг старого бетонного покрытия автострады А4 на участке Кшива—Кшижова

Рис. 2. Сеть автострад и скоростных дорог в Польше и типы покрытий (2016 год

Бетонные покрытия обладают множеством достоинств, в том числе высокой степенью безопасности, обусловленной светлым цветом полотна дороги и хорошими противоскользящими свойствами. С учетом стоимости строи­тельства и дальнейшей эксплуатации они обладают определенным преимуществом по сравнению с другими типами покрытий. Кроме того, они способны выдерживать бóльшую нагрузку, распределяя давление на большей площади (рис. 3). Существенно меньше также нагрузка на нижние слои трасс с таким покрытием, что способствует значительному снижению деформации плит. При увеличении толщины бетонной плиты значительно повышается ее способность выдерживать большую нагрузку, что в случае превышения нормативных нагрузок становится очевидным преимуществом по сравнению с другими типами покрытий.

Рис. 3. Распределение давления от нагрузки на гибком и жестком покрытиях

2. Критерии выбора типовых покрытий

Покрытие из цементного бетона конструктивно представляет собой несколько слоев, уложенных на земляное полотно (грунт в естественном или укрепленном состоянии). На рис. 4 показана вся система слоев жестких дорожных одежд.

Рис. 4. Устройство дорожных одежд с жестким покрытием

Верхние слои конструкции включают собственно покрытие (плита с дюбелями и анкерами, бездюбельная, армированная), выравнивающий слой и основание. Их главное назначение состоит в распределении и передаче нагрузок от движущегося автотранс­порта. Эти слои подбирают в зависимости от категории трафика и материала основания.

Нижние слои дорожных одежд состоят из дополнительного основания и морозозащитного слоя и представляют собой «фундамент» для верхних слоев дорожных одежд.

Указанные слои подбирают в зависимости от несущей способности земляного полотна и от требуемой несущей способности верхних слоев дорожных одежд. Морозозащитный слой может также выполнять функцию дренажного слоя. Дорожные одежды лежат на земляном полотне. При необходимости земляное полотно можно усилить, расположив на его поверхности укрепленный слой.

Отправная точка при проектировании дорожного покрытия — определение трафика, приходящегося на расчетную полосу [9], для одной из двух стандартных осей (с нагрузкой на ось, равной 115 или 100 кН; далее — ось 115 кН и ось 100 кН). Выбор стандартной оси для определения категории трафика не связан непосредственно с требованиями максимально допустимого давления. Тем не менее рекомендуется связать значение нагрузки на стандартную ось с давлением, допустимым для данной дороги. Приведем пример зависимости для оси 100 кН:

где N₁₀₀ — планируемый трафик (суммарное число стандартных осей 100 кН, приходящееся на расчетную полосу в течение периода экс­плуатации покрытия); N_A, N_C, N_{C + P} — реальный трафик (суммарное число автобусов (A), грузовиков без прицепов (C), грузовиков с прицепами и тягачей с полуприцепами (C + P) в течение периода эксплуатации соответственно);  — коэффициенты пересчета числа автобусов (A), грузовиков без прицепов (C), грузовиков с прицепами и тягачей с полуприцепами (C + P) на число стандартных осей 100 кН; f₁, f₂, f₃ — коэффициенты для расчетной полосы движения, учитывающие ее ширину и уклон.

Необходимо обратить внимание, что в данном случае имеется в виду суммарное число транспортных средств за весь заданный период эксплуатации (необходимо спрогнозировать интенсивность движения на дороге в последующие 30 лет). Коэффициенты пересчета для грузовых транспортных средств учитывают их агрессивное воздействие на покрытие. Они были предложены на основе анализа данных со станций взвешивания транспортных средств на дорогах Польши за последние 4 года. Эти коэффициенты также учитывают разнообразие транспортных средств с точки зрения конфигурации оси и нагрузки. В табл. 1 приведены значения коэффициентов для осей 100 и 115 кН. Знание стандартных осей позволяет проектировщику определить категорию движения (от КR1 до KR7). В табл. 2 показана классификация трафика для периода 30 лет.

На следующем этапе проектирования учитывается состояние грунта и грунтовых вод, на основании данных о котором определяется класс несущей способности грунта (G1—G4) и при необходимости осуществляется его усиление (здесь и далее обозначения материалов и их характеристик приведены в соответствии с европейскими нормативными документами). При этом важно обеспечить несущую способность, которая требуется для нижнего слоя покрытия задаваемой категории (табл. 3). Несущую способность определяют исходя из значения модуля упругости материала плиты Е₂, который вычисляется по результатам испытаний под статическим давлением. Конструкцию верхнего слоя выбирают в зависимости от материала основания и категории трафика (табл. 4—6). Основание может быть выполнено из несвязанных материалов (C_50/30, C_90/3); асфальтобетона; смесей, связанных гидравлическими связующими веществами (C_5/6, C_8/10); грунтов, стабилизированных гидравлическими связующими веществами (C_3/4, C_5/6).

Для категорий движения KR1 и KR2 применяют бездюбельную бетонную плиту, в то время как для категорий KR3, KR4, KR5, KR6 и KR7 следует применять дюбели в поперечных швах и анкерные крепления в продольных швах. Для категории KR7 при основании, изготовленном из смеси на гид­равлическом связующем, можно использовать также бетонную плиту непрерывного армирования, без деформационных швов. В случае однослойной или двухслойной структуры покрытия в технологии классического текстурирования надлежит выполнить слои «влажным по влажному» из той же самой бетонной смеси. На заключительном этапе подбора конструкции проверяется условие прочности, при этом принимают во внимание категорию основания, категорию трафика, а также глубину промерзания в зависимости от региона Польши.

Типовые виды бетонных покрытий

Для более «интенсивных» категорий трафика, чем KR3, наиболее популярны дюбельные и анкерные покрытия, в которых для обеспечения правильного взаимодей­ствия плит под нагрузкой применяются штыри — дюбели (в поперечных швах) и анкеры (в продольных швах). Помимо штырей на взаимодействие плит влияют и другие факторы, связанные с опорой бетонной плиты и воздействием факторов, разрушающих швы [10—12]. В каталоге [9] в расчетах приняты бетонные плиты с дюбелями с шагом 25 см (диаметр 25 мм, длина 50—60 см) и анкерами с шагом 100 см (диаметр 20 мм, длина 80 см). В расчетах анализируется число дюбелей, участвующих в передаче нагрузки с одной плиты на другую, а также напряжения в бетоне под дюбелем (и вокруг него) в целях обеспечения взаимодействия плит на уровне 80% [13, 14]. На рис. 5 показана схема устройства покрытий с дюбелями и анкерами.

Рис. 5. Покрытие из цементного бетона со штырями

Поскольку бетон чувствителен к влиянию влажности и перепадам температуры, для снижения его чувствительности в бетонных покрытиях применяется система продольных и поперечных швов. Частота нарезаемых швов зависит от так называемой критической длины плиты (L_крит). Необходимо, чтобы длина бетонных плит, определяемая расстоянием между швами, не превышала критического значения. Например, для плиты толщиной 25—30 см максимальное расстояние между швами составляет около 5 м. Это связано с воздействием температуры на плиту. В каталоге [9] на основании полевых измерений проведен детальный анализ влияния суточных изменений температуры на деформации и напряжения в плите. На рис. 6 и 7 показана деформация длинных и коротких плит в зависимости от воздействия температуры. Для коротких плит действие их собственного веса не приводит к появлению значительных температурных напряжений.

Рис. 6. Деформации длинных плит

Рис. 7. Деформации коротких плит

Если температура на верхней поверх­ности плиты выше, чем на нижней, то плита имеет тенденцию изгибаться вверх, но в результате действия ее собственного веса и того, что скрепленные с ней соседние плиты препятствуют увеличению ее размера, наибольшее растягивающее напряжение возникает на нижней поверх­ности плиты (рис. 8, справа). Если же температура на нижней поверхности плиты выше, чем на верхней, то плита имеет тенденцию к деформации с изгибом книзу, и тогда самые большие напряжения растяжения, обусловленные действием ее собственного веса, появляются на верхней поверхности (рис. 8, слева).

Рис. 8. Изгиб бетонной плиты в зависимости от температурных условий

Воздействие температуры имеет также существенное влияние на напряжения, появляющиеся в бетоне около дюбелей [15, 16].

Менее восприимчиво к термическим воздействиям бетонное покрытие с непрерывным армированием (рис. 9): поперечные пруты диа­метром 12 мм укладываются под углом 65° с шагом 70 см, продольные пруты диаметром 20 мм — внахлест на 70 см с шагом 18 см [9]. На рис. 10 показано типичное расположение арматуры. В Польше построе­ны два экспериментальных участка покрытий с непрерывным армированием на трассах А4 и А2, оба имеют длину по 1 км. Их эксплуа­тация не вызывает нареканий.

Рис. 9. Бетонное покрытие с непрерывным армированием

Рис. 10. Укладка арматуры при строительстве трассы А4

В Европе используются также другие типы бетонных покрытий. Примером может быть толстая плита (рис. 11), используемая во Франции. Она укладывается непосредственно на дренажный слой из заполнителя или геотекстиля. Толстая плита менее чувствительна к перепадам температуры и меньше подвержена деформациям; из-за большей силы трения к основанию у нее меньше усадка и внутренние напряжения. Вместе с тем необходим хороший дренаж под плитой и отвод воды за пределы проезжей части. В соответствии с французскими требованиями, используются плиты толщиной 31—37 см, причем толщина плиты в поперечном сечении не постоянна (разница в толщине плиты может достигать 10 см). Это обусловлено большей нагрузкой на правый край проезжей части, которую создает грузовой транспорт. Такой тип покрытия создан на трассе А4 на участке протяженностью 1300 м. К нему тоже нет нареканий. В покрытиях данного типа также используются дюбели и анкеры.

Рис. 11. Толстая плита

Кроме того, выделим покрытия смешанного типа (рис. 12). Они находят широкое применение в Великобритании и могут использоваться для укрепления существующих асфальтовых или бетонных покрытий.

Рис. 12. Покрытие смешанного типа

4. Финишная отделка поверхности бетонной плиты

После укладки верхнего слоя дорожного покрытия необходимо сгладить поверхность и придать ей нужную текстуру. На поверхности покрытия формируют слой цементно-песчаного раствора (рис. 13), воздействуя на который можно регулировать шероховатость поверхности. Финишная отделка поверхности путем придания ей определенной текстуры важна для безопасности движения, поскольку позволяет обеспечить сцепление колеса с дорожным покрытием и быстрое удаление воды с покрытия. Текстура также суще­ственно влияет на уровень шума при движении транс­порта.

Рис. 13. Сечение покрытия в приповерхностной зоне

Чтобы получить необходимую шероховатую поверхность, на ней создают текстуру с помощью следующих приемов:

• волочения джутовой ткани в направлении движения;

• воздействия на свежеуложенную бетонную смесь стальной щеткой в направлении, перпендикулярном движению транспорта;

• процарапывания поперечных бороздок металлическими граблями (используется редко);

• задержки гидратации цемента в верхнем слое свежеуложенного покрытия (например, путем добавления глюкозы) с последующим вымыванием ослабленного слоя цементного раствора струей воды либо его удалением щеткой.

Каждый из этих способов обладает своими достоинствами и недостатками. Использование джута — самый дешевый способ, однако таким образом достигается минимальная текстура поверхности — с высотой выступов 0,2—0,6 мм. Ее долговечность — от 1 года до 3 лет. Тем не менее данный способ имеет и свои преимущества. Например, профилированная таким образом поверх­ность обеспечивает снижение шума на 1—2 дБ. Обработка щетками в поперечном направлении дает более выраженную текстуру с выступами высотой 1,0—1,5 мм. Однако при этом увеличивается шум. Достоин­ствами этого способа являются быстрое удаление воды, а также высокий коэффициент сцепления колеса с покрытием. Долговечность такой текстуры — от 3 до 5 лет. 

В США в последнее время все более распространенными методами отделки поверхности бетонного покрытия становятся рифление и шлифование с использованием алмазных дисков (рис. 14 [17]). Этот метод основан на создании в покрытии двух типов продольных борозд. Исследования показали, что этот метод позволяет значительно улучшить сце пление при одновременном повышении ровности покрытия, характеризуемой международным индексом неровности (International Roughness Index, IRI), и значительном снижении уровня шума, создаваемого транспортными средствами.

Рис. 14. Отделка покрытия путем алмазного рифления и шлифования (а) и его вид после отделки (б) [17]

Заслуживает внимания технология «обнажения заполнителя», обеспечивающая текстуру «промытого» бетона. Несмотря на то что первые эксперименты прошли в США, значительное развитие и эффективная разработка технологии «обнаженного заполнителя» имели место в европейских странах. Исследования, проведенные в Европе, однозначно подтвердили результативность технологии для уменьшения уровня шума (рис. 15 [18]).

Рис. 15. Результаты исследований «европейских» покрытий [18

На основании итогов первых исследований, выполненных в Австрии, с 1990 года установлены технические требования, касающиеся необходимого диаметра зерен и содержания фракций заполнителя, используемого в бетонных дорожных покрытиях. В дальнейшем технологии «обнаженного заполнителя» развивались в Бельгии, Великобритании и Германии. Результатом стало снижение уровня дорожного шума на 6—10 дБ (в диапазоне частот выше 1000 Гц) по сравнению с шумом, характерным для обычных бетонных покрытий. Технология «обнаженного заполнителя» также использована в Польше на автостраде А2 (рис. 16) и на скоростной трассе S8.

Рис. 16. Пример покрытия, выполненного по технологии обнаженного заполнителя на автостраде А2 в Польше

Чтобы выполнить покрытие по технологии «обнаженного заполнителя», бетон укладывают в два слоя «влажный по влажному»; при укладке верхнего слоя (толщиной 5 см) используется щебень крупностью до 8 мм, для нижнего слоя — крупностью 22 мм. После укладки верхний слой орошают раствором, замедляющим гидратацию (например, раствором глюкозы) и расстилают на нем защитную пленку (вместо этого можно обработать поверхность струей воды под давлением). Деформационные швы в бетонном слое прорезают через пленку. На следующем этапе, по истечении примерно 2 сут (в зависимости от климатических условий и состава бетона), пленку удаляют с поверхности, а ослабленный цементный раствор вымывают водой или счищают щеткой, при этом на поверхности обнажается заполнитель. Получаемая текстура обеспечивает необходимые свойства противоскольжения.

В настоящее время в соответствии с национальной программой «Развитие дорожных инноваций» (Rozwój Innowacji Drogowych, RID) в Польше проводятся исследования текстуры бетонных покрытий. Анализу подверглись три участка дорог А2, S8 и А4 (рис. 17) со следующими видами покрытий:

• на автостраде А2 — покрытие с непрерывным армированием на основании из минерально-асфальтовой смеси и покрытие на основании из тощего бетона. Их поверх­ность текстурирована с использованием технологии обнаженного заполнителя;

• на скоростной трассе S8 — покрытие с обнаженным заполнителем на основании из тощего бетона со слоем геотекстиля;

• на трассе А4 — покрытие с дюбелями на основании из заполнителя, покрытие с непрерывным армированием на тощем бетоне, а также покрытие с дюбелями на основании из тощего бетона, на котором уложен геотекстиль. Поверхность текстурирована по технологии поперечной чистки щеткой.

Рис. 17. Расположение участков бетонных покрытий, выбранных для измерений текстуры (Польша)

Изучен характер текстуры (определена средняя глубина профиля — Mean Prole Depth, MPD, по ISO 10844:2011) на участках этих автотрасс (рис. 18). Наилучший результат получен на недавно сданном участке S8, выполненном по технологии обнаженного заполнителя. Работы еще продолжаются; будет оценено влияние текстуры на уровень шума.

Рис. 18. Результаты измерений показателя текстуры MPD для различных типов покрытия

5. Подведение итогов

Потребность в применении бетонных покрытий в связи с увеличением интенсивности движения как нельзя более обоснована. Расходы на поддержание этого типа покрытий в течение длительного периода эксплуатации таковы, что технология бетонных покрытий применяется в Польше все чаще. Примером могут служить автострады и скоростные дороги, запланированные новые участки автотрасс по этой технологии. В новом издании каталога жестких покрытий [9] учтен имеющийся отечественный и зарубежный опыт в сфере технологий строительства бетонных покрытий. Заслуживает внимания широкий диапазон конструкций покрытий с армированием, а также разных типов оснований из заполнителя. Это позволяет проектировщику и исполнителю сделать оптимальный выбор с учетом финансовых возможностей. Учет критериев усталости, повышенной нагрузки на ось, современных технологических решений ставит данный каталог наравне с другими европейскими каталогами.

В Польше проводится множество исследований, посвященных бетонным покрытиям. Осуществляется мониторинг движения транс­портных средств, анализируется влияние климата на появление дополнительных напряжений в бетонной плите, а также изучается текстура, влияющая на характеристики противоскольжения.

На дальнейшем этапе развития бетонных покрытий в Польше надлежит усовершен­ствовать их технологию, чтобы уменьшить шум, вызываемый движением транспорта, и продолжить работу над концепцией долговечных покрытий.

Проекты, описанные в данной статье, выполнены в рамках программы RID, которая финансируется Национальным центром исследований и разработок, а также Генеральной дирекцией национальных дорог и автострад.

ЛИТЕРАТУРА

1. Wytyczne budowy nawierzchni betonowych. Warszawa: Drogowy Instytut Badawczy, 1935.

2. Bratro E. Betonowe nawierzchnie drogowe. Związek Polskich Fabryk Portland Cementu. 1939.

3. Łopatek Z. Projektowanie konstrukcji nawierzchni lotnisko­wych. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1967.

4. Kozieł S. Lotniskowe nawierzchnie betonowe. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1972.

5. Rolla S. Nowoczesne nawierzchnie betonowe, wyd. I. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1983.

6. Lewinowski C. Wymiarowanie konstrukcji jezdni drogo­wych z betonu cementowego. Państwowe Wydawnictwa Naukowe. Warszawa, 1983.

7. Szydło A. Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego. Teoria wymiarowanie, realizacja. Kraków: Polski Cement, 2004.

8. Szydło A., Mackiewicz P. Nawierzchnie betonowe na drogach gminnych. Kraków: Polski Cement, 2005.

9. Szydło A., Mackiewicz P., Wardęga R., Krawczyk B. Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Sztywnych // Raport. GDDKiA. Warszawa, 2014.

10. Roesler J.R., et al. Concrete slab analyses with field-assigned non-uniform support conditions // Intern. J. of Pavement Engineering. 2016. Vol. 17, N 7. P. 578—589.

11. Sii H.B., et al. Effect of dowel looseness on response of jointed concrete pavements using three- dimensional finite element analysis // Advanced Mater. Res. 2014. Vol. 900. P. 435—444.

12. Zhang Y., Gao L. Effect of dowel bar position deviation on joint load-transfer ability of cement concrete pavement // Intern. J. of Pavement Res. and Technol. 2016. Vol. 9, N 1. P. 30—36.

13. Mackiewicz P. Analysis of stresses in concrete pavement under a dowel according to its diameter and load transfer efficiency // Canadian J. of Civil Engineering. 2015. Vol. 42, N 11. P. 845—853.

14. Mackiewicz P. Finite-element analysis of stress concentration around dowel bars in jointed plain concrete pavement // J. of Transportation Engineering. 2015. Vol. 141, N 6.

15. Mackiewicz P. Thermal stress analysis of jointed plane in concrete pavements // App. Therm. Eng. 2014. Vol. 73. P. 1167—1174.

16. Shoukry S.N., William G.W., Riad M.Y. Effect of thermal stresses on mid-slab cracking in dowel jointed concrete pavements // Struct. and Infr. Eng. 2007. Vol. 3, N 1. P. 43—51.

17. Scofield L. Transportation noise and concrete pavements, using quiet concrete pavements as the noise solution. ACPA, 2009.

18. Hendrickx I.L. Noiseless concrete pavements // DOSSIER CEMENT. 1998. N 18.