Новый опыт в разработке и применении проницаемых бетонных покрытий в Германии
РЕФЕРАТ. Проницаемый бетон — это пористый материал для дорожных покрытий, сквозь который может просачиваться дождевая и ливневая вода, что позволяет избежать затопления прилегающих территорий и ливневой канализации. Вместе с тем в последние годы повышенное внимание привлекает его способность снижать уровень шума при движении транспорта. В статье представлен общий обзор различных систем из проницаемого бетона, технических требований к ним и областей их применения, а также описано развитие технологии дорожных покрытий из такого бетона в Германии за последние 25 лет.
Ключевые слова: проницаемые бетонные покрытия, стабилизация дорожной обочины, сельские дороги, надежные дорожные покрытия, железнодорожные пути.
Keywords: pervious concrete pavements, road shoulder stabilisation, rural roads, sustainable pavements, railroad tracks.
1. Введение
Быстрый рост численности населения, его возрастающие потребности в совершении поездок и в увеличении скорости передвижения заставляют более активно заниматься поиском материалов, соответствующих запросам современного общества. Негативные последствия интенсивного трафика, например, высокий уровень шума, влияющий на здоровье человека, а также последствия наводнений, вызванных ливнями в городских районах, требуют инновационных решений, которые помимо всего прочего должны соответствовать существующим экологическим и экономическим требованиям. Использование проницаемых бетонных дорожных покрытий показало, что они очень эффективны в управлении ливневыми стоками, а также в снижении уровня шума.
Проницаемый бетон — это пористый материал для дорожных покрытий, сквозь который может просачиваться дождевая и ливневая вода, что позволяет избежать затопления прилегающих территорий и ливневой канализации. Обычно он представляет собой смесь крупнозернистого заполнителя (одного вида), гидравлического вяжущего — цемента, других вяжущих материалов, добавок и воды. Песок отсутствует или содержится в незначительном количестве. Цементное тесто покрывает толстым слоем частицы заполнителя, при этом создается система сообщающихся пустот, которая обеспечивает быстрое дренирование. Как правило, пустотность затвердевшего бетона составляет 15—25 %.
С начала 1990-х годов проницаемые бетонные покрытия тестировались в разных районах Германии. Приведем перечень основных проектов и разработок с применением проницаемого бетона за последние 25 лет:
• 1994 — автомагистраль A5 Bruchsal;
• 2002 — государственная автомагистраль В56 и развязка в Хоккенхайме;
• 2012 — туннель Bebenroth;
• 2013 — подъездная дорога к цементному заводу и экспериментальная дорога BASt;
• 2014 — стабилизация дорожной обочины на трассе в Мюнстере с использованием материала Bankettbeton, разработанного компанией HeidelbergCement;
• 2016 — парковочная зона Silberbach.
Первоначально основное назначение проницаемых бетонных дорожных покрытий в Германии заключалось в шумоподавлении при контакте шины с покрытием. Система сообщающихся пустот работает как акустический поглотитель. Исследования показали, что проницаемые бетонные покрытия значительно уменьшают шум, вызванный шинами, в наилучшем случае — до 7 дБА [1]. Хотя основное внимание уделялось именно этому направлению, неоспоримым преимуществом проницаемого бетона оказалась его способность пропускать сквозь себя воду в землю. Однако в последние годы в исследовательских проектах в Германии оба свойства были преднамеренно разделены, чтобы сосредоточиться только на одной из целей. Это привело к различным обозначениям проницаемых бетонных систем в зависимости от основного назначения. На рис. 1 приведены сведения о двух основных классах проницаемого бетона: слева — о проницаемом бетоне с основным упором на дренажную способность (DB), справа — об открытопористом бетоне, в основном предназначенном для снижения уровня шума (OPB).
Рис. 1. Характеристики однослойной (а) и двухслойной (б) конструкций, выполненных с использованием проницаемого бетона. kf — коэффициент проницаемости базового слоя, EV2 — модуль статической деформации
2. Основные принципы
2.1. Однослойная система
В случае однослойной системы проницаемый бетон обычно укладывают на водопроницаемый базовый слой из гравия, щебня или проницаемой смеси с гидравлическим связующим (HBM) в соответствии с Немецким техническим бюллетенем для проницаемого бетонного покрытия [2, 3]. Коэффициент проницаемости базового слоя kf не должен быть меньше 5 · 10–5 м/с.
Проницаемый бетон традиционно используется в покрытиях паркингов, дорог с невысокой интенсивностью движения, улиц в жилой застройке и пешеходных дорожек и может играть важную роль в подпитке грунтовых вод и сокращении объема ливневых стоков. Толщина слоя (10—25 см) зависит от напряженности трафика. На сегодняшний день в большинстве случаев проницаемый бетон используется в качестве нижнего слоя многослойной системы на несвязанном нижнем основании дорожного покрытия; верхний слой, как правило, укладывается при помощи бетоноукладчиков.
2.2. Двухслойная система
Двухслойная система из открытопористого бетона служит преимущественно для шумоподавления при контакте шины с дорожным покрытием и размещается на непроницаемом бетонном слое из стандартного дорожного бетона или уплотненной бетонной смеси, уложенной бетоноукладчиком (рис. 2). Чтобы обеспечить высокий уровень адгезии между двумя бетонными слоями, перед укладкой проницаемого бетона нужно устанавливать скрепляющие элементы. Толщина всей конструкции определяется в соответствии с Нормами стандартного проектирования транспортных зон в Германии [4]. Требуемая прочность на изгиб слоя из проницаемого бетона зависит от общей толщины конструкции. Наилучшие результаты в шумоподавлении достигнуты при толщине верхнего слоя 5—8 см.
Рис. 2. Двухслойная проницаемая бетонная конструкция (а) и использование модифицированного асфальтоукладчика при ее возведении (б)
Швы формируют иначе, чем для других дорожных покрытий. В общем случае верхний слой из открытопористого бетона изготавливается без швов, тогда как в нижнем слое из обычного бетона создают типовую систему швов. Считается, что усадочные швы нижнего слоя спровоцируют образование трещин в верхнем слое; предполагается, что эти трещины очень малы и в достаточной мере обеспечивают передачу касательных нагрузок.
2.3. Специальное применение — железные дороги
Применение открытопористых бетонных систем не ограничивается только автодорожными покрытиями; они вполне пригодны для строительства специальных объектов, например, современных железных дорог. Их ценность в этом случае заключается в эффективном шумопоглощении. Первым в данном направлении стал проект Urban Track, финансируемый ЕС; это исследовательский проект, направленный на разработку инновационных железнодорожных технологий с низкой стоимостью эксплуатации, высокой производительностью, системами модульных конструкций, повышенной безопасностью, низким уровнем шума и вибраций. Один из подпроектов был направлен на решение именно двух последних задач с целью повысить комфортабельность поездок по железным дорогам с вновь разработанным полотном (рис. 3). Поэтому был использован проницаемый бетон. Удалось снизить шум до 5 дБА.
Рис. 3. Железная дорога в Брюсселе с инновационным полотном, разработанным в ходе реализации исследовательского проекта Urban Track, 2010 год. Фото: S. Riffel
Еще один железнодорожный проект был реализован в 2012 году, когда немецкая железнодорожная компания Deutsche Bahn решила использовать проницаемый бетон в туннеле Bebenroth (рис. 4). Европейские правила безопасности требуют, чтобы любой железнодорожный туннель длиной более 1 км был легко доступен для аварийно-спасательных служб и пожарных машин. Кроме того, вода, занесенная в туннель поездами, как и поступающая грунтовая вода, должна свободно уходить. Применяемый в этих условиях проницаемый бетон должен иметь класс прочности на сжатие C20/25 при объемной доле пустот 18 ± 2 %.
Рис. 4. Туннель Bebenroth, Германия, 2012 год. Фото: S. Riffel
2.4. Состав смесей
Каждый вид проницаемой бетонной системы для достижения желаемого результата должен иметь свои уникальные характеристики состава (вид крупного заполнителя, содержание цемента и добавок; см. табл. 1). В частности, важную роль играют свойства крупного заполнителя (размер, гранулометрия и форма зерен), особенно при использовании в открытопористой системе с высокими требованиями к шумоподавлению. Последние исследования показали, что с наибольшей вероятностью уменьшить шум более чем на 5 дБА можно только при использовании заполнителя с узким гранулометрическим составом и почти кубической формой частиц.
3. Стабилизация дорожных обочин — новые возможности
3.1. Основные положения
Дорожная обочина — это зона рядом с дорожным покрытием, обычно изготовленная из несвязанных материалов, таких как песок, гравий или щебень. В сельской местности наиболее распространены небольшие дороги шириной 3,0—3,5 м, и встречные транспортные средства вынуждены использовать песчаную обочину дороги (рис. 5). Но и на более широких дорогах автомобили используют зону обочины, например, входя в поворот. В дорожной сети Германии имеются тысячи километров таких обочин из несвязанного материала. Из-за их частого использования во время движения, особенно грузовиками и сельскохозяйственными машинами, сторона дорог из несвязанных материалов повреждается, что сокращает срок службы всей конструкции в целом. Со временем износ приводит к выбоинам и разрушению границ, что создает огромный риск для безопасности участников дорожного движения. Дорожным службам приходится увеличивать расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание в связи с ремонтом и реконструкцией таких дорог. Сдерживание роста объема затрат при сохранении безопасности дорожного движения, а также минимизация времени закрытия дорог из-за ремонта входят в число приоритетных задач для местных дорожных служб.
Рис. 5. Схема обочины (слева) и заезд автомобилей на обочину при встречном дорожном движении (справа). Фото: S. Fuchs
В связи с этим стабилизация и укрепление обочин, и вместе с тем повышение безопасности движения, стали целями компании HeidelbergCement в Германии. После обсуждения этой темы с представителями нескольких местных дорожных служб стало ясно, что новый материал должен не только иметь высокую морозостойкость, но также обеспечить свободную фильтрацию воды и ее просачивание в землю. Основываясь на опыте Нидерландов в использовании продукта Bermcrete®, применяющегося в основном на второстепенных сельских дорогах для упрочнения обочин, было решено приспособить этот продукт к техническим требованиям рынка Германии [5].
Основные технические требования к этому продукту и его свойства следующие:
• толщина и ширина слоя — 20—30 и 50—90 см соответственно;
• укладка машинным способом с применением скользящей опалубки;
• достаточная морозостойкость по методу CDF (m28 не более 1500 г/м2);
• пустотность 18 ± 3 об. %;
• водопроницаемость kf не менее 5 · 10–5 м/с;
• возможность приготовления специального состава бетонной смеси на бетоносмесительном узле;
• экологичность (водопроницаемость) и экономичность (возможная ежедневная производительность мощения более 1000 м);
• повышение безопасности дорожного движения при минимальных затратах на техническое обслуживание;
• обеспечение сохранности дорожной кромки и срока эксплуатации дорожного покрытия;
• отсутствие необходимости создания швов;
• возможность вторичной переработки бетона.
3.2. Материал и состав смесей
Модифицированный состав бетонных смесей для стабилизации дорог представлен в табл. 2. Основное отличие от составов для обычных проницаемых бетонов заключается в использовании специальной добавки (в виде порошка), которая обеспечивает два основных преимущества:
1) свежая бетонная смесь обладает тиксотропными свойствами, что предотвращает расслаивание и сползание цементного теста с частиц заполнителя. Это совершенно необходимо, так как бетонирование выполняется при помощи высокоэффективных бетоноукладчиков со скользящей опалубкой, с применением интенсивных вибрационных воздействий;
2) затвердевший бетон имеет достаточный уровень морозостойкости, что необходимо, когда вода просачивается в него из нижнего слоя дорожного покрытия.
Для обеспечения коэффициента водопроницаемости kf ≥ 5 · 10–5 м/с объемная доля пустот должна находиться в пределах 15—25 %. Отметим, что для достижения требуемой дренажной способности она должна быть не меньше 15 %.
3.3. Строительство и монтаж
Ремонт дорожной обочины представляет собой довольно простую процедуру:
1) нужно сделать глубокий распил на краю существующего покрытия, чтобы обеспечить чистый и прямой продольный конструкционный шов между существующим бетонным покрытием и новым проницаемым;
2) с участка обочины, имеющего ширину немного больше требуемой и необходимую глубину, при помощи дорожной фрезы удаляют старый несвязанный материал;
3) восстанавливают слой основания и уплотняют его так, чтобы обеспечить значение модуля статической деформации материала EV2 не менее 120 МПа.
Для достижения высокого качества и постоянства пустотности, особенно при толщине покрытия 25—30 см, бетонную смесь укладывают при помощи бетоноукладчика со скользящей опалубкой, но не вручную. Другим преимуществом этого метода является возможность мощения более 1000 м в сутки, в зависимости от общего размера обочины. Поверхность может быть немного ниже поверхности дороги, чтобы обновленная трасса не казалась шире первоначальной (рис. 6). Это необходимо по той причине, что водители склонны повышать скорость, когда дорога кажется шире. При необходимости можно также установить вдоль обочины светоотражающие столбики (рис. 7), пока бетон еще не затвердел, что избавляет от необходимости выбуривания отверстий после его затвердевания. Как правило, дорога может быть вновь открыта для движения через 7 сут после укладки бетона, однако это время можно сократить, если прочность на сжатие образцов-кубов, хранящихся в месте проведения работ, уже достигла достаточных значений.
Рис. 6. Бетоноукладчик со скользящей опалубкой в работе (фото слева) и конечный результат работ (фото справа)
Рис. 7. Установка стойки светоотражателя (фото сверху) и уход за свежеуложенным бетоном (фото снизу)
3.4. Долговечность
Одним из основных факторов долговечности бетона является морозостойкость, т. е. способность выдерживать повторяющиеся циклы замораживания—оттаивания. Для ее повышения бетонные конструкции изготавливают с применением воздухововлекающих добавок, обеспечивающих образование воздушных микропузырьков в теле бетона. Однако это не помогает в случае проницаемого бетона. Поэтому установленные правила требуют использовать полимер в составе проницаемого бетона, если необходима высокая морозостойкость. Его нужно вводить в количестве 10—20 % от массы цемента, и на практике соответствующий рост затрат не компенсируется реальной выгодой. Вместе с тем можно было бы полагать, что в случае поризованного материала нет необходимости заботиться о его морозостойкости, поскольку вода должна свободно фильтроваться через систему взаимосвязанных пустот, не оставаясь внутри. На самом деле это предположение несправедливо: предыдущий опыт применения проницаемого бетона в экстремальном климате (с многократными циклами замораживания—оттаивания) показал, что эксплуатация покрытия из плохо спроектированного бетона, при разработке которого не учтены требования по морозостойкости, в конечном счете дает неудовлетворительные результаты при поступлении воды в покрытие обратно из основания.
Итак, как поступить в ситуации, когда проницаемый бетон покрыт водой и подвергается циклическому замораживанию—оттаиванию? В Немецком техническом бюллетене по проницаемым бетонным покрытиям [3] предлагается использовать модифицированный CDF-тест в соответствии с нормативами [6]. Модификация заключается в том, что образцы не герметизируют ни с одной из сторон. Вместо этого их помещают в контейнер с 3 %-м раствором NaCl, поддерживая толщину слоя раствора над поверхностью образцов 10 ± 1 мм, и подвергают циклическому замораживанию—оттаиванию. Образец считается выдержавшим испытание, если после 28 циклов потеря его массы не превышает 1500 г/м2.
В качестве примера на рис. 8 приведены результаты испытания бетонов № 1—4. Проницаемые бетоны из обычной смеси (без полимера) не прошли модифицированный CDF-тест (образцы № 1—3). На рис. 9, а, показан образец, не прошедший испытание — после 28 циклов замораживания—оттаивания он практически разрушен. Заполнитель выкрошился из образца, а цементное тесто явно отслаивается. Недавно разработанный проницаемый бетон со специальной добавкой выдержал модифицированный тест CDF (образец HC, рис. 8). Судя по виду этого образца после 28 циклов замораживания—оттаивания (рис. 9, б), потери материала незначительны либо вообще отсутствуют. Таким образом, новый проницаемый бетон, предназначенный для стабилизации обочины, соответствует классу экспозиции XF4 (высокая насыщенность водой с антиобледенителем) в соответствии с немецким стандартом. Еще раз подчеркнем, что обычные проницаемые бетонные смеси (если в них не добавлен полимер) не подходят для использования в качестве материала покрытий дорожных обочин, так как бетон из них недостаточно устойчив к замораживанию—оттаиванию.
Рис. 8. Результаты испытания бетонов с использованием модифицированной CDF-методики, описанной в бюллетене [3]. У кривых указаны номера образцов
Рис. 9. Образцы бетонов после испытаний по модифицированной CDF-методике (28 циклов замораживания—оттаивания): а — разрушившийся образец, б — образец HC
3.5. Развитие рынка
Как и в случае любого нового продукта, первоначальные испытания и экспериментальные проекты имеют решающее значение для последующей успешной реализации. В конце 2014 года был выполнен первый проект по стабилизации дорожной обочины. Ее состояние спустя 3 года после укладки бетона не изменилось (рис. 10), проницаемый бетон не имеет каких-либо повреждений или дефектов.
Рис. 10. Экспериментальный проект «Мюнстер»: современное состояние обочины спустя 3 года после укладки. Фото: Vahland
На сегодняшний день в Германии специальные проницаемые бетонные покрытия уложены на обочинах дорог длиной около 45 км. Самый первый проект был реализован за 1 сут — около 70 м3 бетона уложили на участке дороги длиной около 300 м. В дальнейшем проекты стали многодневными и более крупными: в рамках одного проекта укладывается до 800 м3 бетона на участке дороги длиной до 5000 м. Благодаря росту масштаба проектов их эффективность растет, а стоимость строительства сокращается, что повышает привлекательность для местных дорожных ведомств.
Благодаря трехлетнему опыту укладки покрытий из проницаемого бетона строительные компании осваивают новые области его применения и поддерживают дальнейшие изыскания. В числе таких новых сфер применения — покрытия водосточных канав в холмистых и гористых районах (рис. 11). Дорожными службами одного из таких районов принято решение опробовать проницаемый бетон в этом качестве, поскольку в данной местности регулярно возникают сильные потоки ливневых вод. Вода не может достаточно быстро уходить в грунт из-за крутого уклона дороги и огромного количества воды, поступающей со склона. Поэтому в водосточных канавах были уложены покрытия из проницаемого бетона, чтобы дольше удерживать избыток воды. Пока система успешно работает по назначению, предохраняя дорогу от регулярного затопления.
Рис. 11. Сточные канавы из проницаемого бетона (а) и их бетонирование (б). Фото: S. Riffel
4. Заключение
Проницаемые бетоны существуют уже много десятилетий. Благодаря имеющейся в них системе сообщающихся пустот, которые позволяют воде свободно проходить через материал и просачиваться в землю, они существенно сокращают ливневые стоки. Еще одним важным преимуществом является способность проницаемого бетона снижать уровень шума. Система взаимосвязанных пустот работает как акустический поглотитель, который позволяет снизить на 4—8 дБА шум, возникающий при контакте с покрытием шин движущихся автомобилей.
Эти два основных свойства реализуются соответственно в виде одно- и двухслойной систем. Обычный пористый бетон в однослойном покрытии преимущественно обеспечивает дренаж, в то время как открытопористый бетон в покрытии в виде двухслойной системы в основном предназначен для снижения шума.
Новые разработки в последние годы расширили спектр применений поризованного бетона. Его способность снижать уровень шума привела к развитию некоторых многообещающих инноваций в железнодорожной отрасли. Можно использовать поризованный бетон также на путях внутри железнодорожных туннелей, что позволяет обеспечить легкий доступ для аварийно-спасательных служб и пожарных машин при сохранении эффективной дренажной системы.
Еще одна область применения проницаемого бетона — новая система стабилизации дорожных обочин. Она была разработана в Нидерландах и затем адаптирована к условиям Германии, чтобы удовлетворить конкретные требования не только экологического, но и экономического характера. Благодаря специальному поризованному бетону рядом с дорожным покрытием можно укладывать долговечное и надежное покрытие обочины на участке дороги длиной более 1000 м за сутки. Это дает местным дорожным ведомствам возможность значительно сократить затраты на техническое обслуживание автотрасс, особенно в сельских районах, при сохранении высокого уровня безопасности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bericht zum Forschungsprojekt 01.331: Verbundprojekt «Leiser Straßenverkehr — Reduzierte Reifen-Fahrbahn-Geräusche», Berichte der BASt — Straßenbau Heft S 37, Dezember 2004.
2. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt für Dränbetontragschichten (M DBT), Ausgabe 2013, FGSV-Verlag Köln.
3. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt für Versickerungsfähige Verkehrsflächen (M VV), Ausgabe 2013, FGSV-Verlag Köln.
4. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen, RStO 12, Ausgabe 2012, FGSV-Verlag Köln.
5. Riffel S. Bankettbeton — Dauerhafte Hilfe für marode Straßenbankette // Straße und Autobahn, H. 9, Jahrgang 2015, Kirschbaum Verlag Bonn.
6. DIN CEN/TS 12390–9: Testing hardened concrete. Pt 9: Freeze-thaw resistance with de-icing salts — Scaling; German version CEN/TS 12390–9:2016 Normenausschuss Materialprüfung (NMP) im DIN Deutsches Institut für Normung e.V.
Автор: Р. Бахманн |
Рубрика: Бетон |
Ключевые слова: проницаемые бетонные покрытия, стабилизация дорожной обочины, сельские дороги, надежные дорожные покрытия, железнодорожные пути. |