Бетонные дороги в Чешской Республике

РЕФЕРАТ. Статья подводит итоги развития строительства бетонных дорог в Чехословакии и затем в Чешской Республике в период между двумя главными профильными мероприятиями, произошедшими в Праге, — XIV Всемирным дорожным конгрессом (1971 год) и 12-м Международным симпозиумом по бетонным дорогам (2014 год). Бетонные покрытия используются при строительстве автострад, высокоскоростных дорог, парковок и аэродромов. В статье на ряде примеров проиллюстрировано развитие строительных технологий, структуры дорожных одежд и дорожных покрытий. Упоминается специальный дорожный цемент, обсуждаются методы испытаний в отношении щелоче-кремнеземных реакций (ЩКР) в бетоне и устойчивости бетона к циклам замерзания и оттаивания в присутствии антигололедных препаратов.

Ключевые слова: бетонные дороги, сопротивление скольжению, бетон с обнаженным заполнителем, щелоче-кремнеземная реакция, устойчивость к замерзанию-оттаиванию

Keywords: concrete roads, skid resistance, alkali-silica reaction, freeze-thaw resistance

1. Бетонные автострады, построенные до 1994 года

В эту группу входят наиболее загруженные автостраду D1 между Прагой и Брно и автострада D2, продленную вплоть до современной границы со Словакией. Общая длина указанных бетонных автострад достигает примерно 185 км; длительность их эксплуатации — от 34 до 42 лет. После завершения работ на этих участках было возведено дополнительно 40 км бетонного дорожного полотна на участке автострады D11 (от Праги до Градец -Кралове) и на 25 км продлена трасса D1 на моравском участке Брно—Вишков. Участки находятся в эксплуатации около 32 лет.

Бетонные дорожные покрытия не были изначально рассчитаны на такой интенсивный трафик движения, который возник в ходе их эксплуатации. Дорожная «одежда» состоит из относительно тонкой бетонной плиты и цементированного основания с низкими парамет­рами качества. В результате этого возникли серьезные дефекты покрытия, требующие его реконструкции или модернизации.

1.1. Автомагистраль D1

Строительство первого участка главной чехословацкой автомагистрали D1 протяженностью около 200 км между Прагой и Брно началось в 1967 году. На преобладающей части D1 было уложено бетонное покрытие. По мере завершения работ отдельные участки постепенно вводились в эксплуатацию с 1971 по 1980 годы. Укладка высококачественного, пластифицированного бетона с оптимальным воздухововлечением выполнялась в один слой с помощью передовой (для того времени) бетоноукладочной машины со скользящей опалубкой Guntert-Zimmermann. Бетонный слой толщиной 240 мм был неармированным, без стыковых стержней и анкерных стяжек в местах стыковок. Его укладывали преимущественно на промежуточный слой асфальта толщиной 40 мм. Цементированное основание толщиной 200 мм соответствовало классу C_3/4 в терминологии современных европейских стандартов. Подстилающий слой толщиной 250 мм выполнен из песчано-гравийной смеси или дробленого гравия [1].

Сотрудничество собственника Ředitelství dálnic (Дирекция автомагистралей) с проектными институтами, научно-исследовательской базой и подрядчиками, контроль работы, выполняемой всеми вовлеченными в строительство, — все это имело значение для качества бетонного покрытия. Были выбраны и соответствующим образом протестированы заполнители и цемент; спроектирован состав бетонной смеси. За тщательными приготовлениями следовало высококачественное выполнение бетонного покрытия, включая производство бетонной смеси с воздухововлечением, ее укладку и уход за свежеуложенным покрытием. Последующие действия, такие как обслуживание, ремонт и тестирование, также выполнялись в сотрудничестве с учреждениями, имеющими научно-исследовательскую базу, с учетом практического опыта. Был опуб­ликован полный и детальный обзор сведений, касающихся проектирования, строительства и испытаний бетонных дорожных покрытий [2].

В настоящее время этот участок автомагистрали, возрастом от 34 до 42 лет, все еще находится в эксплуатации, обеспечивая ежедневную интенсивность движения в среднем приблизительно 100 000 транспортных средств вблизи Праги и приблизительно 75 000 — вблизи Брно [3]. Столь значительная долговечность бетона на этой старой автомагистрали объясняется сочетанием многих факторов. Прежде всего этот параметр обеспечивался созданием в бетоне эффективной системы воздушных пор благодаря использованию высококачественной воздухововлекающей добавки. Долговечность бетона улучшили в еще большей степени путем обработки свежеуложенного бетона продуктом чешского производства Ochronal (резиной, растворенной в толуоле); пленка этого покрытия была все еще видна после многих лет эксплуатации. Эту процедуру выполнили повторно через несколько лет. Необходимая дозировка определялась непосредственно на месте, в зависимости от абсорбционной способности бетонного покрытия.

Что касается проблем в использовании дорожных покрытий старых автомагистралей, они заключаются в образовании дефектов по краям поперечных швов, чрезмерном раскрытии продольных швов, «выветривании» материала из поперечных швов (что, однако, можно в основном предотвратить при своевременном обслуживании). Эти дефекты не имеют ничего общего с качеством бетона как материала. На состояние бетонного дорожного полотна на трассе D1 в значительной степени оказало влияние то, что сквозь швы, которые не заделывались в течение длительного времени, в структуру покрытия проникали вода и антифризы. В результате возникали коррозия нижней части бетонных плит и эрозия цементированного основания, что приводило к появлению между плитами перепадов по высоте, образованию крупных дефектов в продольных швах. Другая основная причина постоянно ухудшающегося состояния полотна заключается в увеличении интенсивности движения, на которое дорожное покрытие не было рассчитано.

1.2. Автомагистраль D11

Следующий этап дорожного строительства в Чехии был ознаменован сооружением бетонного покрытия на автомагистрали D11 между Прагой и Градец-Кралове. С 1984 по 1990 годы было введено в эксплуатацию около 40 км этой автомагистрали с бетонным покрытием толщиной 240 мм, уложенным на 40-миллиметровый промежуточный слой асфальта, 220-миллиметровое основание, обработанное цементом (современный эквивалент — класс C_3/4), и слой гравийного песка толщиной 200 мм.

На участках этой автомагистрали постепенно стали появляться некоторые тревожные сигналы — сокращение ширины поперечных швов, вздутие вдоль границы асфальта и бетона, трещины на поверхности и у швов (рис. 1). Со временем эти мозаичные трещины разрастались, в результате чего происходило разрушение бетона.

Рис. 1. Поверхность автострады D11 — деформированные поперечные швы и система трещин

Было совершенно однозначно установлено, что причиной повреждений является взаимодействие используемого в бетоне заполнителя со щелочами. Разрушение бетона из-за ЩКР на трассе D11 со временем лишь возрастало. На рис. 2 хорошо виден гель SiO₂ — типичный продукт этой деструктивной реакции.

Рис. 2. Микрофотография образца бетона, взятого в 1999 году на 39-м километре автострады D11

Несмотря на то, что существовал чешский стандарт, касающийся установления реакционной способности заполнителя [4], при строительстве трассы он фактически не применялся должным образом. Политическая система государства (так называемый «развитой социализм») и связанное с ней состояние общества наложили здесь свой отпечаток. Качество строительных работ, производимых в то время, снизилось; было почти невозможно получить доступ к международной специализированной литературе, посвященной ЩКР. Да и вообще реакционную природу предлагаемого к использованию заполнителя было сложно выявить в то время. Среди причин — практически полное отсутствие знаний о значении этой опасной реакции в дорожном строительстве. Другим фактором было то, что чешский стандарт был уже устаревшим, и результаты тестов, выполненных в соответствии с ним, не могли достаточно надежно установить характер реакционной способности заполнителя. Массовое проявление дефектов из-за ЩКР на трассе D11 привело к созданию нового стандарта, предусматривавшего тестирование заполнителя в отношении ЩКР [5]. В настоящее время заполнитель в обязательном порядке тестируется на реакционную способность по отношению к ЩКР, и результаты являются обязательной составляющей в оценке пригодности заполнителя для изготовления бетона.

Из-за опасений по поводу воздействия ЩКР даже те деструктивные явления, которые были вызваны иными причинами, в настоящее время иногда безапелляционно трактуют­ся как результат реакции заполнителя со щелочами.

2. Состояние бетонных автомагистралей после 1994 года

Смена политического курса в 1989 году привела к более благоприятным условиям для сотрудничества со странами с высокоразвитой экономикой. Были установлены связи между чешскими и зарубежными строительными компаниями; стало возможным участие чешских строительных компаний в международных специализированных мероприятиях, открылся доступ к специализированной литературе и зарубежным стандартам, в том числе через Интернет. Это также привело к внедрению передовых технологий строительства бетонных автомагистралей в Чешской Республике, в том числе к изменению в структуре дорожных «одежд» и в обработке их бетонных поверх­ностей.

В настоящее время в строительстве бетонных дорожных покрытий реализована преимущественно двухслойная технология со стальными элементами в швах. Толщина бетонного покрытия проектируется с расчетом на напряженный трафик. Швы проектируются с пазами и скрепляются горячими герметиками или, в некоторых случаях (в аэропортах), холодными герметиками. Технологию обработки поверхности путем волочения мешковины заменили технологией отделки методом обнажения зерен заполнителя (промывной бетон), что обеспечивает условия для противоскользящих свойств. Нижележащий слой — это или цементированное основание класса С_8/10, или специальный гранулированный подстилающий слой (соответственно увеличивается толщина бетонного слоя).

2.1. Двухслойная технология дорожной плиты

В Чешской Республике для строительства бетонных дорожных покрытий реализуются либо однослойная, либо двухслойная технологии. При необходимости в однослойной технологии в швах используются соединительные стальные элементы, закрепляемые в арматурных сетках. Сооружение покрытия по двухслойной технологии выполняется двумя отдельными или связанными в пару бетоноукладчиками со скользящей опалубкой, способом «свежий к свежему», с автоматической вставкой стыковых штырей в поперечные швы. Анкерные стяжки вставляются в продольные соединения. Чтобы уменьшить уровень шума, при обработке поверхности, вместо создания поперечной текстуры с помощью щеток стали использовать технику продольного волочения мешковины. При уходе за свежеуложенным бетоном стали применять экологически чистые водные дисперсии парафина.

Первое дорожное покрытие, реализованное по двухслойной технологии, было уложено на участке высокоскоростной дороги R35 возле г. Оломоуц в Моравии. Другой жизненно важный проект (на то время крупнейший транспортный проект в Европе) был реа­лизован на участке автомагистрали D5 протяженностью около 60 км (между городами Пльзень и Розвадов). Работы по проекту были начаты в 1994 году; бетонное покрытие площадью приблизительно 1,3 млн м² и толщиной 270 мм было уложено на основание толщиной 150 мм, изготовленное из цементированной смеси (соответствующей современному классу C_8/10), и подстилающий слой из дробленого гравия толщиной 260 мм. Бетонное покрытие и цементированное основание были выполнены в соответствии с немецкими стандартами. Объект был введен в эксплуатацию осенью 1997 года и связал между собой чешские и немецкие сети автодорог. Поскольку значение соединения автомагистралей D5 и A6 сопоставимо с установлением дорожного сообщения между Прагой и имперским Нюрн­бергом в эпоху Карла IV, дорога получила название Виa Каролина.

2.2. Толстая плита на несвязанном основании

В 1999 году началось строительство южного 15-километрового участка объездной дороги вокруг г. Оломоуца по технологии укладки смесей без связующего в качестве основания под бетонное покрытие. Бетонное покрытие толщиной 300 мм уложили на зернистое основание толщиной 180 мм и слой дробленого гравия толщиной 150 мм. Покрытие было построено по двухслойной технологии со стыковыми штырями и анкерными стяжками в швах, с обработкой свежеуложенного бетона продольным волочением мешковины.

Этот тип конструкции был отчасти применен на южной части окружной дороги вокруг Праги (рис. 3), которую ввели в строй в 2010 году. соединив автомагистрали D1 и D5.

Рис. 3. Зернистое основание

3. Текстурирование поверхности

С первых дней истории строительства автомагистралей текстурирование поверхности свежеуложенных бетонных покрытий выполнялось путем поперечного волочения щеток со стальными или нейлоновыми прутьями. Возросшие требования к глубине текстуры бетона привели к тому, что чрезмерно повысился уровень шума при движении автотранспорта. В то же время следует признать, что сопротивление скольжению этих поверхностей было очень хорошим в течение длительного периода времени.

В первой половине 1990-х годов требования общественности снизить уровень шума от бетонных дорог привели к появлению технологии финишной отделки путем поперечного волочения щеток, в которых в качестве зубцов использовались плоско ориентированные стальные полоски шириной менее 3 мм. Эти поверхности показывали хорошие противоскользящие характеристики, отличные дренирующие свойства и относительно низкий уровень шума.

В 1994 году на смену концепции глубокого поперечного текстурирования пришла технология волочения джутовой ткани, позволяющая снизить шум от движения транспорта при меньших финансовых затратах на меры шумоподавления. Начальные значения коэффициента трения изготовленных таким способом покрытий были весьма обнадеживающими, но со временем измеренные показатели противоскольжения ухудшились, главным образом на участках, имеющих большой трафик.

Понижение показателей противоскольжения дорог с бетонным покрытием стало в Чешской Республике проблемой, которую нужно было решать.

В настоящее время считается, что ее решением может быть зарубежная технология бетонного покрытия с обнаженным заполнителем. После апробации на экспериментальных участках эту технологию применили в 2012—2013 годах на ответственных участках автомагистрали D1 к северу от Брно. Общая длина участков составила около 10 км. Покрытие с обнаженным заполнителем показано на рис. 4.

Рис. 4. Покрытие с обнаженным заполнителем, автомагистраль D1, 223,0 км

Особенно важны противоскользящие качества трассы в туннелях. Показатели коэффициентов трения бетонных покрытий после финишной отделки путем волочения джутовой ткани в некоторых туннелях оказались близкими к катастрофическим в отношении коэффициентов трения еще во время действия гарантийных обязательств. По этой причине при строительстве кольцевой дороги вокруг Праги текстурирование бетонного покрытия в двух туннелях выполнили при помощи старого и проверенного метода поперечного волочения стальных щеток, несмотря на ожидавшийся в связи с этим рост уровня шума.

Однако ожидания в отношении противоскользящих свойств такого покрытия не оправдались; в качестве примера можно привести туннель Лохков (рис. 5). Ожидаемые  коэффициенты продольного трения не были достигнуты даже по результатам измерений, проведенных всего через пять дней после ввода участка трассы в эксплуатацию. Их расчетные значения становились хуже и хуже с течением времени; коэффициэнты значения были достигнуты после 19 месяцев с момента открытия движения, и только после того, как была проведена специальная обработка поверхности проезжей части. Эти факты свидетельствуют о загрязнении покрытия продуктами сгорания топлива в туннелях; вероятным представляется также влияние неразрушенной пленки отверждающего реагента.

Рис. 5. Поперечная текстура, полученная с применением стальных щеток, туннель Лохков

Эти данные соответствуют результатам австрийского исследования, даже для случая бетонных покрытий с обнаженным заполнителем [6, 7]; главный вывод гласит: плохие противоскользящие свойства чаще всего обусловливаются отнюдь не особенностями текстуры покрытия. Внутри и за пределами туннеля были получены совершенно различные уровни противоскольжения при совершенно идентичной текстуре покрытия.

4. Бетон

Долговечность бетона, несомненно, задается характеристиками исходных компонентов, составом бетонной смесии его свойствами.

В Чешской Республике для строительства автомагистралей и аэродромов использовался специальный дорожный цемент CEM I 42,5R, удовлетворяющий дополнительным требованиям по некоторым химическим и физическим/механическим характеристикам. Среди прочих характеристик этого цемента — содержание в нем C₃A менее 8 %, Na₂O_экв — менее 0,80 %, удельная поверхность по Блейну — менее 3500 см²/г.

Чешские тесты, определяющие морозостойкость бетона и его стойкость к противогололедным препаратам [8], специфичны. Их методология является результатом чехословацких, позднее чешских, научно-исследовательских работ. С конца 1970-х до середины 1980-х годов применялся метод обработки солями в ручном режиме, с визуальным установлением уровня разрушения. В 1985 и 2003 годах стандарт был дополнен двумя методами циклических испытаний в автоматическом режиме. Система автоматического цикла используется для испытания, в котором заранее предусмотрено циклическое изменение температуры от положительных до отрицательных значений. Рабочая поверхность образца бетона подвергается воздействию противогололедного агента (обычно 3 %-го раствора NaCl). Отшелушивание материала от испытываемых образцов или кернов определяется путем взвешивания после определенного числа циклов. Число циклов, предписанных для контрольных испытаний, равное 100 или 75 (в зависимости от выбранного метода), увеличивается на 50 % в случае предварительного испытания бетона. Предельно допустимый уровень потери массы составляет 1000 г/м².

5. Выводы

Бетонные автомагистрали, введенные в эксплуатацию до 1994 года, в соответствии с чешскими стандартами были построены с использованием шовных бетонных покрытий толщиной 240 мм, без армирования швов, с асфальтовым промежуточным слоем, на цементированном основании класса C_3/4 и на подстилающем гравийно-песчаном слое.

Покрытия из шовных плит толщиной от 270 до 300 мм — в зависимости от типа нижележащего слоя (цементированного или не цементированного), сооруженные по двухслойной технологии, типичны для бетонных дорог, построенных после 1994 года. Материал цементированного нижележащего слоя имеет класс C_8/10. Поперечные швы укреплены стыковочными штырями, продольные — анкерными стяжками. В последние годы текстурирование бетонных покрытий дорог и автомагистралей путем волочения джутовой ткани заменили обнажением заполнителя (промывной бетон). В целом требования, предъявляемые к бетонным автомагистралям, ужесточились после перехода к европейским стандартам.

В настоящее время бетонные дорожные покрытия строятся в Чешской Республике на аэродромах, автомагистралях, высокоскоростных дорогах и парковках. Более 850 км бетонных покрытий в настоящее время находится в экс­плуатации (автомагистрали, высокоскоростные дороги). Трасса D1 является старейшей в стране и подвергается воздействию интенсивных нагрузок, при том, что продолжительность ее эксплуатации уже превышает запроектированный срок службы. Поэтому на повестке — восстановление в общей сложности 160 км этой автомагистрали. Четыре секции общей длиной около 32 км восстановлены в 2014—2015 годах способом укладки бетонного покрытия с обнаженным заполнителем.

ЛИТЕРАТУРА

1. 25 Let Ředitelství dálnic 1967—1992. Praha: Ředitelství dálnic. 1992. 

2. Šlachta E. Vozovky z cementového betonu. SNTL. Praha, 1981.

3. Silnice a dálnice v České republice. Ředitelství silnic a dálnic ČR, 2013.

4. ČSN 72 1179 Stanovení reaktivnosti kameniva s alkáliemi.

5. TP 137 Vyloučení alkalické reakce kameniva v betonu na stavbách pozemních komunikací. Ministerstvo dopravy, Ředitelství silnic a dálnic ČR, 2003.

6. Maurer P. et al. Skid resistance in Austrian tunnels with special attention to concrete pavements // 10th Intern. Symp. on Concrete Roads. Brussels, 2006.

7. Schneider A. et al. Griffigkeit in Tunnelbauwerke in Österreich-Erfahrungen, Forschungsergebnisse und Verbesserungmaßnahmen. Betonové vozovky. Praha, 2012.

8. ČSN 73 1326 Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek.