Характеристики дорожного бетона, уплотняемого катком

РЕФЕРАТ. Бетон, уплотняемый катком (БУК), находит успешное применение при укладке дорожных покрытий на промышленных объектах в США, а со сравнительно недавнего времени — и в Европе при укладке покрытий на таких объектах транспортной инфраструктуры, где к механическим характеристикам покрытий предъявляются высокие требования, например, на проезжих частях для трамваев и автобусов. Экономический эффект и технические достоинства — два неоспоримых преимущества этой технологии. Развитие технологий, имеющих отношение к дорожным покрытиям из обычного бетона (таких как создание деформационных швов, уход за свежеуложенным бетоном, методы подбора составов), и вместе с тем применение бетоноукладчиков, обеспечивающих высокую плотность покрытия, обеспечивают целесообразность использования БУК в дорожном строительстве. Кроме того, развитию технологии БУК должны способствовать новые тенденции применения вторичных материалов, в частности, включение в состав БУК бетонного лома (рециклинга) и использование гидравлического вяжущего с пониженным содержанием клинкера, поскольку эти тенденции способствуют уменьшению воздействия на окружающую среду. В данном исследовании рассмотрены БУК, содержащие очень небольшое количество клинкера (в составе цемента или гидравлического дорожного вяжущего) и 0—50 % заполнителей из бетонного лома. Эти бетоны были оптимизированы при помощи модели сжимаемой упаковки (с учетом эффекта «стенки» и разрыхления). Анализ результатов основан на соотношении между механическими характеристиками и воздействием на окружающую среду. Данное воздействие было оценено в результате так называемого анализа оценки жизненного цикла при помощи расчетной методики ECORCE 2.0, разработанной Французским институтом науки и технологий транспорта, развития и коммуникаций специально для выполнения такого анализа при проектировании дорог. Учитывались два фактора: выделение парниковых газов и суммарное энергопотребление. Хорошие эксплуатационные качества БУК с точки зрения технических характеристик и экологических показателей дают этим покрытиям явное преимущество по сравнению с бетонными покрытиями, уложенными по обычной технологии (с изготовлением температурных швов со стыковыми стержнями).

Ключевые слова: бетонные дороги, уплотнение катком, рециклинг, экологические показатели.

Keywords: concrete roads, roller compacted, recycling, environment indicators.

1. Введение

Бетонирование с уплотнением при помощи катка — технология старая, примененная впервые при строительстве плотин. Ее начали использовать для укладки дорожных покрытий 40 лет назад, преимущественно в Северной Америке (США и Канаде) [1—3]. Бетон, уплотняемый катком (БУК), содержит те же основные компоненты, что и обычный бетон (гидравлическое вяжущее, заполнители, добавки и воду), но имеет жесткую консистенцию (с нулевой осадкой конуса). Эта технология представляет интерес по двум основным причинам: 1) упаковка частиц в БУК более плотная, чем в обычном бетоне. Доля мелкого и крупного заполнителя, как правило, составляет 75—80 % общего объема бетонной смеси, тогда как в обычном бетоне эта доля — 65—75 %. Поскольку цементное тесто зачастую представляет собой самый слабый компонент бетона, БУК в основном обладает лучшими показателями в долгосрочном периоде при заданной прочности (например, малой усадкой); 2) состав БУК проектируется с более низким содержанием воды, чем в случае обы­чно­го бетона. Таким образом, для заданной прочности и при одном и том же соотношении В/Ц содержание цемента в БУК оказывается ниже, чем в обычном бетоне. 

Стоимость сооружений из БУК обычно ниже из-за отсутствия арматуры, низкого содержания цемента и быстрого ввода в экс­плуатацию [4].

Сегодня интерес к БУК, который во Франции известен с начала 1970-х годов, проявляется снова, но применительно к промышленным задачам (за последние 5 лет с использованием БУК возведено много доков и уложено много промышленных дорожных покрытий). В настоящее время развивается новый исследовательский проект под управлением IFSTTAR (Французского института науки и технологии для транспорта, развития и дорожных коммуникаций) и CEREMA (Центра экспертизы рисков, окружающей среды, мобильности и планирования) по использованию технологий дорожного строительства с уменьшенным использованием нефтепродуктов либо вообще без их использования — так называемых технологий P.O.P. (Post Oil Pavement Technologies). Совершенствование технологии создания деформационных швов, технологии ухода, проектирования бетонных смесей, а также использование асфальтоукладчиков, придающих покрытию высокую плотность, обеспечивают БУК вполне реалистичные перспективы [5].

Цель настоящего исследования — установить технические характеристики БУК для типичных дорожных сооружений с низким содержанием цемента (по сравнению с обычным бетоном), который, в свою очередь, содержит мало клинкера. При этом требовалось, чтобы характеристики БУК удовлетворяли французским нормам, согласно которым задаются, в частности, интервалы допустимых значений модуля Юнга, прочности при раскалывании и др. Кроме того, должно быть ограничено воздействие на окружающую среду в течение жизненного цикла БУК, обусловленное выделением парниковых газов и энергопотреблением.

2. Существующие решения и подходы

Исходя из свойств БУК и литературных данных, планировалось исследовать свойства БУК с относительно низким содержанием цемента (около 250 кг/м³). Представляется, что такое содержание цемента окажется достаточным для достижения требуемых свойств покрытия: прочности при раскалывании выше 2,7 МПа (в среднем выше 3,3 MПа) и модуля Юнга выше 35 ГПa. Цемент CEM III был выбран, чтобы уменьшить воздействие на окружающую среду и снизить усадку. По тем же соображениям заполнитель из бетонного лома использовали в количестве от 0 до 50 % общей массы заполнителя.

Чтобы компенсировать снижение технических качеств, обусловленное низким содержанием цемента, плотность укладки зерен заполнителей была увеличена путем оптимизации состава смеси. Все образцы БУК, рассмотренные в этом исследовании, спроектированы при помощи модели сжимаемой упаковки (Compressible Packing Model). Данная модель, разработанная в 1990-е годы [6], основана на концепции виртуальной плотности упаковки (Virtual Packing Density) частиц заполнителя и коэффициенте упаковки. Модель пригодна для предсказания плотности упаковки частиц различных диаметров d_i (d₁ > d₂ > ... > d_n).

Виртуальная плотность упаковки γ материала с частицами разных диаметров задается следующим соотношением:

где β_i — характеристическая плотность упаковки зерен i; y_i — массовая доля зерен i; a_ij и b_ij — функции (принимающие значения от 0 до 1), учитывающие возможные взаимодействия между частицами заполнителя разных размеров (например, мелкие зерна могут способствовать уменьшению плотности упаковки крупных зерен из-за эффекта разрыхления (функция a_ij). Аналогично, крупные зерна также могут уменьшать плотность упаковки малых частиц благодаря эффекту «стенки» («wall» effect), это учитывает функция b_ij.

Чем выше плотность упаковки, тем больше коэффициент упаковки К. Бесконечное значение величины K означает, что реальная плотность Φ равна виртуальной плотности упаковки зерен γ.

Соотношение между K и плотностями (виртуальной и реальной) имеет следующий вид:

Оценить значение β_i можно по результатам измерения насыпной плотности каждого заполнителя в сухом состоянии с использованием вибростола [7].

В данном случае материалы помещали в цилиндр размерами ∅ 16 × 32 см, сверху вставляли поршень, сообщающий нагрузку 10 КПа, и подвергали цилиндр с материалом 100 встряхиваниям с амплитудой 1 см (60 ударов производились без нагружения и 40 — с нагружением). Плотность упаковки определяли по конечному объему образца. Основываясь на уравнениях (1) и (2), β_i для каждой фракции можно оценить при условии, что β_i постоянна для данного материала.

В случае порошков метод заключается в оценке количества воды, необходимой для того, чтобы тесто достигло требуемой консистенции [6, 8].

Типичные значения коэффициента К материалов по результатам его определения различными методами приведены в табл. 1.

3. Материалы и методы

3.1. Заполнитель и цемент. В табл. 2 приведены свойства использованных материалов: заполнителей с частицами угловатой формы, полученных при дроблении изверженных пород из карьера Pont de Colonne (Франция), и вторичных заполнителей из бетонного лома, поступившего с пункта вторичной переработки Eurovia (Gonesse, Франция). В случае натуральных заполнителей использованы три фракции: 0—2, 2—14 и 12,5—20,0 мм. В случае вторичных заполнителей также использованы три фракции: 0—4, 4—10 и 10—20 мм.

Для выполнения работы был выбран традиционно использующийся для дорожных работ цемент CEM III/B 32,5 N LH CE PM-ES-CP1, поскольку он преимущественно состоит из доменного шлака, а содержание клинкера в нем низкое (29 масс. %). Этот цемента сравнивался с гидравлическим вяжущим для дорожных работ HRB 30, содержащим 10 % клинкера. Свойства обоих вяжущих приведены в табл. 3.

3.2. Состав заполнителей и модифицированный тест Прок­тора. Зернистые структуры четырех типов БУК оптимизировали путем замещения в них 0, 15, 30 и 50 % массы природного заполнителя вторичными заполнителями. Модель сжимаемой упаковки после калибровки использовали, чтобы определить содержание зерен разных фракций, обеспечивающее максимальную плотность сухой смеси с постоянным содержанием цемента (250 кг/м³) и индексом К = 13, что соответствует оптимальным условиям теста Проктора [9]. Затем для оптимальных структур были получены прокторовские кривые (для проверки теоретического подхода). Экспериментальные кривые представлены на рис. 1 вместе с результатами расчета значений, которые должны быть оптимальными при проведении прокторовского теста (последним соответствуют треугольники). Видно, что модель довольно точна, несмотря на то, что «точность предсказания» слегка снижается с ростом содержания вторичного заполнителя. Это можно отчас­ти объяснить следую­щим образом: 1) трудно удостовериться, что вода, используемая для насыщения заполнителя в течение 2 ч перед смешиванием, полностью поглотилась и не участвует в смачивании системы в ходе уплотнения (другими словами, в экспериментах с высоким содержанием вторичного заполнителя действительная эффективность свободной воды может быть недооценена из-за высокой абсорб­ционной способности вторичных заполнителей); 2) в расчетной модели не была принята во внимание крошимость вторичного заполнителя, что приводит к недооценке максимальной плотности сухого вещества ρ_d. Тем не менее полученные результаты свидетельствуют, что модель может быть хорошим инструментом для дальнейшей оптимизации БУК, имеющих в своем составе вторичные заполнители.

Рис. 1. Результаты модифицированного теста Проктора и расчета с использованием уплотнительной модели (для CEM III). Указано общее содержание воды, в том числе абсорбированной. Числа у кривых — доля бетонного лома, % общей массы заполнителей

Плотность сухого вещества ρ_d уменьшается в ходе оптимизированного теста Проктора, когда добавляются вторичные заполнители, из-за низкой плотности частиц вторичного заполнителя, а не из-за уменьшения плотности упаковки структуры (0,858 при 0 % вторичного заполнителя и 0,862 — при 50 %), даже если предполагать, что вторичные заполнители более шероховатые и истирающиеся.

Следовательно, содержание свободной воды в оптимизированном тесте Проктора почти постоянное (табл. 4), даже если общее содержание воды возрастает с увеличением содержания вторичного заполнителя, чтобы компенсировать абсорбцию воды его частицами.

Отметим, что при использовании больших количеств вторичного заполнителя прокторовские кривые, соответствующие его содержанию 30 и 50 %, принимают более сглаженный вид (рис. 1), что объясняется уменьшением чувствительности результатов тестирования к содержанию воды, и это является несомненным практическим преимуществом.

Наконец, экспериментальным путем для условий оптимизированного теста Проктора были определены содержание воды и плотность сухого вещества (см. данные для различных рецептур в табл. 4). Оптимизация выполнена для CEM III, но те же самые составы воспроизведены для HRB, поскольку водопотребность для этих двух вяжущих была почти одинаковой.

3.3. Приготовление образцов. Заполнители предварительно насыщались водой в течение 2 ч, затем все составные части перемешивались 2 мин в миксере типа Gtmax, оснащенном S-образной лопастью на дне. Из каждой смеси были отформованы (в соответствии с условиями оптимизированного метода Проктора согласно табл. 4) путем послойной укладки (семь слоев) цилиндрические образцы размерами ∅ 16 × 32 см. Для обеспечения гомогенности и связности слоев между собой поверхность каждого уплотненного слоя разрыхляли. Когда уплотнение было завершено, цилиндры закрывали и помещали в камеру со 100 %-й влажностью на 1 неделю. Затем образцы удаляли из форм (рис. 2) и помещали в воду на время выдержки бетона.

Рис. 2. Вид образца после извлечения из формы сбоку (а) и сверху (б) 

4. Результаты испытаний

Для каждого состава были выполнены механические испытания двух типов: определение жесткости (модуля Юнга, международный стандарт ISO 1920-10) при малых деформациях и прочности на раскалывание (R_tb, европейский стандарт EN 12390-6). При измерениях модуля Юнга относительные деформации не превышали 50 · 10^–6 м/м (измерения выполнены при помощи датчика перемещения на основе дифференциального трансформатора, который помещали в центральную часть образца). Результаты приведены в табл. 5 и на рис. 3—5 для каждого типа связующего компонента — CEM III и HRB. Испытания проводились на образцах, выдержанных от 7 до 100 сут.

Рис. 3. Модуль Юнга (а) и R_tb (б) для БУК с CEM III в зависимости от времени и от содержания бетонного лома при времени выдержки 7, 28 или 90 сут. Здесь и на рис. 4, 5 BC2, BC3, BC4, BC5 — нижняя граница интервала значений R_tb или модуля Юнга для бетона соответствующего класса 

Рис.4. Модуль Юнга и R_tb в зависимости от времени для БУК с CEM III, без вторичного заполнителя 

Рис. 5. Модуль Юнга (а) и R_tb (б) для БУК с гидравлическим дорожным вяжущим при времени выдержки, равном 56 сут, в зависимости от содержания бетонного лома

На основании результатов, приведенных на рис. 3—5, можно сделать следующие предварительные выводы:

• механические характеристики БУК ухудшаются с увеличением содержания вторичного заполнителя (как указывалось ранее в работе [10]). Потери прочности бетона на раскалывание R_tb более ярко выражены, чем уменьшение модуля упругости;

• характеристики, полученные с применением HRB в возрасте 56 сут, несколько ниже тех, которые получены с CEM III в возрасте 28 сут, несмотря на то, что прочность обоих связующих компонентов одинакова (см. табл. 3). Кроме того, стандартные отклонения выше в случае применения HRB;

• характеристики, требующиеся для верх­него слоя бетона (бетон класса 5 со средней прочностью R_tb ≥ 3,3 MПa), в случае базового состава достигаются через 28 сут, в то время как для состава, содержащего 15 % CEM III — спустя 90 сут. Оба состава через 7 сут имеют прочность R_tb, превышающую 2,0 MПa, что позволяет быстро открыть движение транспорта по дорожному покрытию из БУК;

• после достижения возраста 28 сут механические показатели составов с CEM III продолжают увеличиваться — рост R_tb в период от 28 до 90 сут в среднем составляет более 10 %;

• учитывая, что увеличение прочности при растяжении в период между 56 и 90 сут для HRB в основном больше 15 %, состав с 30 % HRB достигнет характеристик бетона класса 3 (BC3, R_tb ≥ 2,4 MПa) в течение 90 сут.

В описанных далее испытаниях по оценке воздействия на окружающую среду была выбрана следующая схема: состав с 15 % CEM III был использован для базового/верх­него слоя бетона класса 5, состав с 30 % HRB — для нижнего слоя бетона класса 3. Для большего приближения к реальности поверхность подвергали механической обработке.

5. Оценка воздействия БУК на окружающую среду

5.1. Экоэкспертиза ECORCE 2.0. Расчетная методика ECORCE 2.0 является инструментом экоэкспер­тизы оценки жизненного цикла и оптимизации при проектировании дорог, разработанным IFSTTAR в 2012 году [11, 12]. Эта методика позволяет оценить влия­ние на окружающую среду различных процессов, происходящих при создании конкретной дорожной инфраструктуры: вскрышных работ, добычи, просеивания, проработки сырья и вторичных материалов, перевозки и т. д. 

Значения индикаторов (категории воздействия) выражаются в специальных единицах на 1 кг: потреб­ленная энергия (MДж), потенциал глобального потепления (кг-экв. CO₂), потреб­ленная вода (м³), потенциал кислот­ности (кг-экв. SO₂), индекс загрязнения водоемов водорослями (кг-экв. PO₄), фотохимический озонный потенциал (кг-экв. C₂H₄), токсичность для человека и экотоксические потенциалы (кг-экв. 1,4-ди­хлорбензола).

Информация в виде различных индикаторов прямым образом не соотносится с воздействием на окружающую среду и имеет смысл только при сравнении различных технических решений.

При помощи расчетной методики ECORCE можно оценить три технических фактора, связанных с движением транс­порта. В целях упрощения расчетов здесь представлены только результаты оценки потенциа­ла глобального потепления и энергопотребления. Транспортировка материа­лов не была принята во внимание в этих имитационных моделях.

5.2. Применение «эквивалентов» к дорожным сооружениям. Использованная методология основана на французском стандарте рационального проектирования дорожных покрытий с использованием закона накопления повреждений Майнера и усталости нижнего слоя материала по Волеру. Распределение напряжений в структуре представлено полуаналитической моделью Бурмистера.

При проектировании использовались следующие положения:

1) отправной точкой при проектировании дорог во Франции является национальный стандарт NF P98-086 «Рациональный метод проектирования дорог»;

2) средняя интенсивность движения — 500 грузовиков в сутки;

3) среднее динамическое воздействие — 0,8 (исходя из стандартной для Франции стационарной нагрузки — 13 т на колесную ось);

4) риск — 5 %, модуль деформации грунта — 120 MПa;

5) коэффициент разрыва для жесткой конструкции k_d (учитывается разрыв жесткой структуры из-за трещин, образовавшихся в результате усадки бетона) равен 1,47 для бетона со стыковыми стержнями и 1,7 для уплотненного катком бетона;

6) срок службы конструкций — 20 лет.

Были рассмотрены три варианта устройства дорожного полотна, адаптированных для этого уровня интенсивности движения:

1) обычный бетон с температурными швами со стыковыми стержнями (Concrete With Dowelled Joints, CDJ) на основе обычного цемента CEM II, уложенный на слой бетона с пониженным содержанием цемента (Lean Concrete, LC);

• CDJ на основе цемента с пониженным содержанием клинкера CEM III, уложенный на слой LC;

• БУК на основе CEM III и HRB (в обоих случаях использовался бетонный лом).

Параметры полученных структур (толщины слоев) и материалов приведены в табл. 6 и на рис. 6.

Рис. 6. Схемы устройства дорожного полотна (материал слоев и их толщина) для вариантов CDJ/LC (а) и БУК/БУК (б) 

Для оценки воздействия на окружающую среду (парниковые газы и потребленная энергия) объектом исследования стала двухполос­ная дорога шириной 8,5 м и длиной 500 м. Индикаторы потребленной энергии и выброса парниковых газов для трех структур (см. табл. 6 и рис. 6), приведены на рис. 7. Как и ожидалось, обычный бетон (с изготовлением температурных швов со стыковыми стержнями) требовал бóльших энергозатрат и способствовал большему выделению парниковых газов. При использовании в обычном бетоне цемента с низким содержанием клинкера (CEM III-B) параметры образования парниковых газов и суммарное потребление энергии были значительно ниже.

Рис. 7. Результаты экосравнения различных структур (ECORCE 2.0): выбросы парниковых газов (а) и индикатор суммарного потребления энергии (б) 

Применение БУК с низким содержанием клинкера в цементе и оптимизированной структурой обеспечило наименьшие значения обоих параметров по сравнению с обычным бетоном. Показатели динамического воздействия оказались практически в 3 раза меньше по сравнению с обычным бетоном, показатели энергопотребления — в 2 раза меньше.

5. Выводы

Выполнено экспериментальное исследование БУК применительно к дорожному покрытию. Состав БУК был оптимизирован с помощью модели уплотняемой упаковки, с использованием вторичных заполнителей и цемента с низким содержанием клинкера. Показано, что такой БУК при расходе цемента 250 кг/м³ к 28-суточному возрасту может достичь характеристик, требуемых для бетонного покрытия (бетон 5-го класса).

Анализ воздействия на окружающую среду и результаты механических испытаний подтверждают, что БУК перспективен для дорожного строительства с точки зрения прочности материала и его соответствия принципам устойчивого развития.

Благодарности

Авторы (CEREMA/DTCE/DLA и IFSTTAR-Nantes) благодарят компанию Eurovia за предоставленный вторично-переработанный бетон и компании Calcia и Holcim за обеспечение данного исследования вяжущими материалами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Marchand J., Gagne R., Ouellet E., Lapage S. Mixture proportioning of roller compacted concrete — a review, advance in concrete technology // Proc. of the Third CANMET/AC I Intern. Conf., SP 171, Auckland, New Zealand, 1997. P. 457—485.

2. Pigott R.W. Roller compacted concrete pavements — a study of long term performance. RP 366, Portland Cement Association, Skokie, Il., 1999.

3. С. Золлингер. Достижения в технологии бетона, уплотняемого катком, и его использование в США // Цемент и его применение. 2015. № 1. С. 99—105.

4. Joffre C., Abdo J. et al. The use of roller compacted concrete for roads. PIARC Technical Committee on Concrete Roads. 1993.

5. Palmer D.W. Paving with roller compacted concrete: RCC topped with asphalt quickly provides durable street // Public Works. January 2005.

6. De Larrard F. Concrete mixing proportioning: a scientific approach // Modern Concrete Technology Series, 9. London: E & FN Spon, 1999.

7. LCPC. Essai de compacité des fractions granulaires à la table à secousses. Méthode d’essai des LPC N°61 («Measurement of granular fractions with impact table», test method LPC N° 61) in French. 2004.

8. Sedran T., de Larrard F., Le Guen L. Détermination de la compacité des ciments et additions minérales à la sonde de vicat (Determination of cement and mineral addition packing with Vicat probe) // Note technique. Bull. des Laboratoires des Ponts et Chaussées. 2007, octobre-décembre. P. 270—271 (на французском языке).

9. Pouliot N., Sedran T., De Larrard F., Marchand J. Prédiction de la compacité des bétons compactés au rouleau à l‘aide d‘un modèle d’empilement granulaire (Prediction of the density of roller-compacted concrete using a granular packing model) // J.-Bull. liaison. 2001. LPC 233. P. 23—36 (на французском языке).

10. Delhez P., Willem X., Michel F., Courard L. Use of concrete recycled aggregates in roller compacted concrete // Intern. Rilem Conf. on the use of recycled materials in buildings and structures, 8—11 November 2004, Barcelona, Spain.

11. Ventura A., Jullien A., Tamagny P., Dauvergne M. ECORCE: a life cycle assessment tool for construction and maintenance of road pavements // Proc. of the 20th annual meeting of the Soc. of Environmental Toxicology and Chemi­stry. Seville, 2010. P. 282.

12. Dauvergne M., Jullien A., Ventura A., Boussafir Y. et al. ECORCE 2.0 — ECO-comparison software for road construction and maintenance, Unit Road method, reference manual, 2012.