федеральное дорожное агентство
Министерства транспорта российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
"ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР ПО АВТОМОБИЛЬНЫМ ДОРОГАМ"

Автомобильные дороги и мосты

ПРИМЕНЕНИЕ ПОРИСТОГО (ДРЕНИРУЮЩЕГО) ЦЕМЕНТОБЕТОНА
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СЛОЕВ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ

ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Выпуск 6/2007

СОДЕРЖАНИЕ

В данном выпуске обзорной информации обобщен зарубежный и отечественный опыт исследований и применения пористых цементобетонов в слоях дорожных одежд с точки зрения их дренирующей способности и влияния на поглощение шума от движения транспортных средств.

Приведены особенности их составов, технологии уплотнения и свойств. Рассматриваются вопросы обеспечения долговечности пористых цементобетонов для слоев покрытия посредством применения химических добавок, в том числе полимеров, а также некоторых минеральных добавок. Освещены специальные методы исследований для оценки свойств пористых цементобетонов.

Кроме того, показаны экологические преимущества пористого цементобетона и его недостатки, а также дается экономическая оценка применения такого материала в дорожном покрытии.

Обзор подготовила канд. техн. наук Ю.Г. Ланге (ОАО «Союздорнии»).

1. ВВЕДЕНИЕ

Обзор мирового опыта исследований пористого (дренирующего) цементобетона, устройства и эксплуатации слоев дорожной одежды из него показывает технико-экономическую целесообразность и эффективность их применения.

Он представляет собой материал с высокой открытой пористостью, которая обеспечивает хорошие шумопоглощающие свойства и дренирующую способность в сочетании с шероховатостью, ровностью и поперечным трением.

При применении в верхнем слое покрытия дорог материал должен выдерживать тяжелое интенсивное движение, обладать высокой морозо- и солестойкостью и иметь хорошие шумопоглощающие характеристики. Целью устройства слоев основания под дорожным покрытием является улучшение (ускорение) отвода воды. Например, отвод воды из-под асфальтобетонного покрытия на пористом цементобетонном основании в осенне-весенний периоды способствует повышению долговечности дорожной одежды, предохраняя покрытие от растрескивания и отслаивания в зоне ее скопления в процессе замерзания и оттаивания. Отвод воды с поверхности пористого цементобетонного покрытия позволяет снизить скользкость и повысить безопасность движения. Пористое покрытие создает также условия для быстрого просушивания поверхности. Кроме того, покрытия из пористого цементобетона при определенных условиях снижают уровень шума от движущихся транспортных средств на 3 - 5 дБ.

Пористый цементобетон отличается от обычного плотного цементобетона, как правило, тем, что состоит из смеси крупного заполнителя и растворной части в количестве, необходимом для обмазки и склеивания зерен заполнителя. Зерна крупного заполнителя склеиваются вяжущим при контакте друг с другом, а пространство между ними остается свободным и представляет собой систему крупных «сквозных» воздушных пор, размер которых зависит от размера зерен заполнителя. Содержание «сквозной» воздушной пористости может составлять 10 - 25% по объему в зависимости от назначения (слои основания или покрытия), требуемой прочности и морозостойкости цементобетона. Высокая пористость (до 25%), доступная для воды, достигается за счет прерывистого гранулометрического состава минерального заполнителя. Для регулирования свойств пористого цементобетона вводят полимерные добавки.

В разных странах проведены исследования с целью оптимизации составов цементобетона и обеспечения его морозо- и морозосолестойкости. Для получения этих свойств были установлены требования в отношении прочности при сжатии, изгибе, открытой пористости и динамического модуля упругости.

Применение пористых цементобетонов в покрытии и основании осуществляется во многих странах (Австрии, Бельгии, Великобритании, Германии, Испании, Нидерландах, США, Франции, ^Швейцарии, Японии и др.). В настоящее время на многих скоростных дорогах Швейцарии применяются дорожные покрытия с открытыми порами, которые начали использовать в конце 1970-х годов. Небольшой опыт применения и исследований пористого цементобетона при устройстве дорожных оснований имеется и в России. В Союздорнии выполнены поисковые исследования по изучению его свойств дою строительства покрытий.

Достоинства покрытий из пористого цементобетона, по данным зарубежных исследований, следующие: быстрое удаление воды с поверхности покрытия в случае дождя и улучшение дренажа дорожной одежды, что уменьшает риск аквапланирования транспортных средств и повышает безопасность движения в дождливую погоду; повышенная и устойчивая шероховатость поверхности; снижение уровня шума от движения автомобилей. Дренирующая способность покрытия делает его практически сухим, оно также обладает высокой степенью звукопоглощения. Недостатком пористых покрытий является «заиливание» (загрязнение) пор в процессе эксплуатации, что значительно снижает эффект их использования. Одним из способов восстановления дренирующих свойств таких покрытий является промывка поверхности сильной струей воды при помощи специальных машин с последующим всасыванием (вакуумированием) и удалением загрязненной воды.

2. ОПЫТ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИМЕНЕНИЯ ПОРИСТОГО ЦЕМЕНТОБЕТОНА В СЛОЯХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

На протяжении многих десятилетий строятся цементобетонные покрытия автомагистралей с высокими эксплуатационными показателями и долговечностью. Тем не менее, необходим непрерывный прогресс для удовлетворения изменяющихся требований в связи с увеличением объема движения, а также требований экологии и экономики.

Возросшая интенсивность движения на автомобильных дорогах в Европе за последние десятилетия привела к увеличению ДТП и шума на дорогах. В результате этого возник особый интерес к строительству таких типов дорог, которые позволяют сократить шум от движущихся транспортных средств и увеличить безопасность дорожного движения. В этом контексте применение пористых цементобетонов для покрытий является интересной технологией, так как такие покрытия поглощают шум и позволяют избежать присутствия воды на поверхности дороги. Поэтому они улучшают шероховатость (сцепление колеса автомобиля с покрытием дороги), а следовательно, увеличивают безопасность движения. Опыт исследований в различных странах показывает, что пористые цементобетоны, как и дренирующий асфальтобетон, предназначены для уменьшения шума от движения транспортных средств и быстрого удаления воды, избегая ее выплесков под воздействием движения.

Пористым цементобетоном называют цементобетон с открытой структурой крупных (гроздеобразных) пор, который в качестве вяжущего материала содержит такое количество цементного теста или тонкого раствора, чтобы полностью заполнять пустоты между зернами заполнителя после уплотнения (рис. 1). Содержание пустот зависит от объемов растворной части, т.е. суммы объемов цемента, песка и воды. В предварительных исследованиях этот объем варьировался между 30 и 45%, расчетный объем пустот принимался равным 25%.

Рис. 1. Поверхность пористого цементобетона на щебне размером зерен 5 - 8мм

Важнейшей характеристикой пористого цементобетона является улучшение сцепления шин автомобиля с влажным покрытием, быстрый отвод ливневых вод с поверхности покрытия, уменьшение эффекта аквапланирования, снижение уровня шума и вибрации автомобиля. Покрытие из водопроницаемого пористого материала является альтернативным способом организации поверхностного водоотвода [1]. Принцип работы таких покрытий заключается в свободном проникании ливневых вод внутрь дренирующего материала покрытия с возможностью их дальнейшей фильтрации. Скорость фильтрации при этом зависит от дренирующей способности цементобетона и поперечных уклонов покрытия.

Ранее пористые цементобетоны использовали в дорожных одеждах в основном благодаря дренажным свойствам из-за их крупной пористости и водопроницаемости [2, 3, 4, 5, 6, 7]. Они успешно применялись на полосах аварийных остановок с целью улучшения дренажа и устранения явлений выплеска тонкодисперсных фракций на дорогу. Их использовали также в насыпных и верхних слоях оснований дорог и на аэродромных покрытиях [8]. В этих случаях пористый цементобетон являлся частью конструкции, что требовало учета дренажных свойств материала, а также механических характеристик (прочности, усталости). Так как пористость цементобетона оказывает противоположное влияние на водопроницаемость и прочность (водопроницаемость и дренажные свойства повышаются с увеличением пористости, а прочностные характеристики ухудшаются), то необходимо было достигнуть компромисса между этими двумя параметрами.

Одним из основных критериев применения пористого цементобетона является сочетание хорошей водопроницаемости и сопротивления механическим воздействиям, в том числе и окружающей среды. При использовании пористого цементобетона для устройства полос аварийных остановок или верхних слоев оснований указанные выше характеристики могут быть достигнуты путем относительно небольшой дозировки цемента (не превышающей 200 кг/м³). Если пористый цементобетон применяется для покрытий и подвергается непосредственному воздействию колес автомобилей, то труднее найти компромисс между водопроницаемостью и прочностными характеристиками, включая сопротивление отрыву щебенок. В этом случае следует повышать содержание цемента (до 300 - 400 кг/м³) или вводить небольшое количество цемента, но с определенными добавками (в основном полимеров или микрокремнезема), которые улучшают прочность цементобетона, не уменьшая его пористость [3, 8, 9].

Обобщенные данные по составу и свойствам пористого цементобетона следующие: щебень с максимальным размером зерен от 7 - 8 до 12 - 18 мм; песок размером частиц 0 - 2 мм; расход цемента 300 - 400 кг/м³; водоцементное отношение 0,25 - 0,32; добавки - пластификатор, полимер; открытая пористость (содержание пустот) - 20 - 25% по объему, прочность при сжатии в возрасте 28 сут от 18 до 25 МПа, прочность на растяжение при изгибе - более 4,5 МПа; уровень шума на покрытии - порядка 72 дБ (менее предельной нормы 78 дБ), снижение шума на 3,5 - 5,0 дБ; коэффициент проницаемости более 0,01 см/с. Толщина слоя пористого цементобетона на опытных участках составляла 4,4 см (Бельгия), 8 - 15 см (Германия), 12 см (Испания), 16 см (Франция), 22 см (Япония) [2, 3, 10, 11].

Химические добавки являются главным ингредиентом любой применяемой в настоящее время пористой смеси. В основном используются суперразжижители и модификаторы гидратации. Результаты экспериментов показывают, что свойства пористого цементобетона в большей степени зависят от свойств полимерцементного теста и сцепления между ним и заполнителем.

Кроме того, важной характеристикой такого цементобетона является достаточная сопротивляемость замораживанию-оттаиванию под действием солей, так как раствор между зернами заполнителя, благодаря высокому содержанию пустот, подвергается усиленным воздействиям мороза и противогололедных солей. Для этого во многих странах проведены соответствующие эксперименты с применением различных методов испытаний.

Поскольку добавки полимеров способствуют увеличению стоимости строительства, рекомендуется оптимизировать (как можно больше уменьшить) толщину применяемого пористого цементобетона. Большинством исследований подтверждается возможность устройства слоев износа из пористого цементобетона толщиной 5 - 8 см, которые укладывают на нижний слой из плотного цементобетона с применением клеящей прослойки для хорошего сцепления. Это позволило обеспечить высокие прочностные показатели дороги, а также снижение шума, преобладающего на внегородских дорогах. В черте города рекомендовано строительство дорог с покрытием из пористого цементобетона большей толщины или устраивать слои полностью из пористого цементобетона для обеспечения лучшего шумопоглощения. В случае усиления или повторной обработки покрытий дорог (реконструкции), движение на которых нельзя закрыть на длительный период (например, основные городские дороги), необходимо учитывать другое условие - получение относительно высокой прочности в раннем возрасте.

Если дороги с покрытием из пористого цементобетона расположены в суровых климатических условиях с холодными зимами, то материал должен обладать высоким сопротивлением замораживанию-оттаиванию, антигололедным солям и в некоторых странах - также воздействию шин с шипами.

Для разработки шероховатых малошумных цементобетонных покрытий автомагистралей, сохраняющих эти качества в течение длительного периода времени, в 1994 г. был разработан Европейский проект научно-технических исследований Brite-Euram BE-3415 «Optimization of the surface characteristics of concrete roads in accordance with environmental acceptance and traffic safety», финансируемый Европейской комиссией. В реализации проекта принимали участие исследовательские организации и строительные фирмы Германии, Испании, Нидерландов, Бельгии, Франции. В течение нескольких лет проводились серьезные исследования, как в лабораторных условиях, так и на опытных участках с целью разработки соответствующих составов и оптимизации свойств пористых цементобетонов, применяемых в покрытиях [2, 8, 12, 13].

В Японии широко используются дренажные асфальто- и цементобетонные дорожные покрытия [10, 14, 15, 16]. Прочность на изгиб пористых цементобетонов в возрасте 1 - 3 сут составляет более 4,5 МПа, что выше стандартного требования для традиционного цементобетона для дорожных покрытий; такой цементобетон характеризуется пористостью 16,5 - 18,0% и водопроницаемостью более 0,01 см/с, что является стандартной величиной для дренирующих асфальтобетонных дорожных покрытий [14, 15]. Установлено преимущество пористых цементобетонных покрытий по проницаемости и долговечности по сравнению с асфальтобетонными покрытиями.

В зависимости от нагрузки и толщины однослойного пористого покрытия (от 8 до 25 см) его можно применять при строительстве городских и магистральных дорог, стоянок автомобилей и т.д. С использованием однослойной технологии строительства - пористый цементобетон на несвязном основании - в Германии успешно построено несколько опытных участков, таких, как площадь выставки BAUMA 95; стоянки легковых автомобилей; кольцевая дорога в г. Хоккенхайме, при возведении которой применялся укладчик с регулируемой толщиной укладываемого слоя [9].

По технологии двухслойного способа строительства были построены опытный участок протяженностью 50 м на федеральной дороге А5 у г. Брухзаля; новая подъездная дорога протяженностью 270 м к стоянке на кольцевой дороге; новая подъездная дорога протяженностью 80 м к гейдельбергской строительной технике в г. Лаймене.

Из-за высоких требований к прочности, износу, морозо- и морозосолестойкости пористый цементобетон при этом способе строительства, как правило, модифицируется высококачественными добавками полимеров. За исключением некоторых лабораторных испытаний, все прежние практические опыты были проведены на составах, модифицированных полимерами. Двухслойное строительство - пористый цементобетон на плотном цементобетоне с приклеиваемым ковриком - было выполнено в Германии в 1993 г. в рамках нескольких небольших опытных участков. Опыт по укладке пористой цементобетонной смеси на свежеуложенный укатанный цементобетон без клеящего коврика не дал положительных результатов в отношении безупречного соединения слоев [2, 8, 13].

Первые лабораторные опыты с пористым цементобетоном на асфальтобетонном основании прошли успешно. Перед применением на практике проводились многочисленные исследования его долговечности в лабораторных условиях.

Для достижения механической прочности плотных цементобетонов, применяемых в последнее время в дорожном строительстве Франции, в них вводят высокие дозировки цемента (400 кг/м³ и более с добавкой 8% микрокремнезема) [8]. Такой же расход цемента был использован и в пористой цементобетонной смеси при устройстве дорожного покрытия в г. Париже, где движение транспортных средств открывалось менее чем через 72 ч после ее укладки. Там же проведена реконструкция покрытия (площадью 3800 м² при ширине 11 м между бордюрами). Вместо разрушенных бетонных плит произведена укладка дренирующего слоя цементобетона толщиной 5 см с пустотностью 10%. Доставленная на место производства работ смесь распределялась укладчиком Vogele 1700 с легкой вибрацией; по свежеуложенному цементобетону распределялась пленка со светоотражающим эффектом [17]. По результатам эксплуатации отмечены бесшумность движения транспортных средств, отсутствие воды на покрытии во время дождя. К достоинствам этого типа покрытия относят также отсутствие аквапланирования, колей и отдельных деформаций поверхности, устойчивость при колебаниях температуры, возможность окрашивания в 32 цвета, повышенная и устойчивая шероховатость поверхности. Считается, что таким цементобетоном могут перекрываться не только цементобетонные, но и асфальтобетонные покрытия.

В табл. 1 приведены различные дозировки и величины прочности и водопроницаемости пористых цементобетонов, применяемых на различных дорогах Франции, на полосах аварийной остановки, в верхних слоях оснований, в покрытиях дорог с малоинтенсивным движением и городских дорог [8]. Из табл. 1 видно, что при дозировке цемента 400 кг/м³ на 28 сут получена прочность цементобетона на растяжение при изгибе 4 МПа, которая допускается даже для дорог с высокой интенсивностью движения.

Таблица 1

Характеристики пористых цементобетонов, применяемых во Франции

Примечание. (1) - дорога с грузонапряженным движением и автобусной остановкой на повороте; (2) - добавка 8% микрокремнезема; (3) - смесь на основе равных частей щебня размером зерен 5/20 и 20/40 мм; (4) - щебень размером зерен 6/20 мм.

В работе [8] представлены результаты совместных исследований свойств пористых цементобетонов, проведенных в Нидерландах, Германии и Испании в рамках проекта научно-технических исследований Brite-Euram BE-3415.

Предварительно были установлены следующие основные условия:

- соответствие свойств по шумопоглощению и дренирующей способности;

- обеспечение механической прочности, соответствующих характеристик поверхности (шероховатости или ровности) и долговечности (прочного сцепления между слоями из пористого и плотного цементобетонов, стойкости при воздействии циклов замораживания-оттаивания и т.д.);

- осуществление строительства современными оборудованием и техникой;

- конкурентоспособная стоимость материалов, включая строительство и содержание (ремонт).

В табл. 2 приводятся характеристики некоторых пористых цементобетонов, исследуемых в Испании. Представлены результаты испытаний на прочность при отрыве под названием Cantabro* (кантабро), проводимого обычно для дренирующего асфальтобетона. Для этих материалов считаются допустимыми потери массы менее 30%. Для пористых цементобетонов пока не удалось установить предельную величину. Для определения сцепления пористых цементобетонов применяли этот метод, но с использованием цилиндрических образцов диаметром 15 см и высотой 10 см.

Наиболее важным преимуществом пористого цементобетона является значительное шумопоглощение. Для измерения и оценки степени снижения шума обычно используется статистический метод с проходом транспортных средств (Statistical Pass-By-Method ISO 11819-1; 1995).

* Испытание разработано в Испании для исследования дренирующего асфальтобетона. При этом образцы один за другим подвергают воздействию вращательных движений в Лос-Анджелесском барабане без применения традиционных шаров при определенной температуре (25°С). Критерием является абразивный износ, выраженный потерей массы в процентах. Потеря за счет износа уменьшается при увеличении содержания вяжущего в испытуемых образцах. Это испытание является методом стандарта NLT-352/86 (стандарты CEDEX, центр научных и экспериментальных общественных работ). (Примеч. автора).

Таблица 2

Характеристики некоторых пористых цементобетонов, исследуемых в Испании (проект Brite-Euram BE-3415)

По сравнению с традиционным асфальтобетоном (на щебне размером зерен 0/11 мм), который считается эталоном в Германии, опытные участки в Великобритании, Бельгии и Германии показывают, что покрытия из пористого цементобетона снижают шум приблизительно на 4 дБ (А) [3, 4, 5, 13, 18]. Отмечается, что пористое покрытие создает также условия для быстрого просушивания поверхности дороги, а снижение шума объясняется лучшим взаимодействием покрытия и протекторов шин автомобиля, частичным поглощением воздуха под шинами с помощью пор в цементобетоне [19].

Наряду со значительными преимуществами: снижением уровня шума, уменьшением разбрызгивания, повышением безопасности движения в дождливую погоду, снижением риска аквапланирования, уменьшением объемного и удельного веса пористый цементобетон обладает следующими недостатками: высокой стоимостью строительства, сокращением длительности срока службы, проблемами со швами, дополнительными расходами на очистку покрытия, сложным ремонтом и содержанием разрушенных участков, дополнительными расходами на мероприятия по борьбе с гололедом.

Основное требование к обеспечению работоспособности пористого покрытия заключается в сохранении его свойств в течение всего периода эксплуатации. Для своевременного отвода воды с поверхности покрытия дренирующий цементобетон должен обладать определенной фильтрационной способностью.

Согласно результатам исследований, выполненных в различных странах, пористые покрытия в результате эксплуатации быстро загрязняются, что значительно снижает эффект их использования. Забивка пустот частицами грязи (пыли) приводит к быстрому снижению водопроницаемости и звукопоглощения. Засорение пор водопроницаемых покрытий происходит в результате наноса пыли и грунта с подъездных дорог без твердого покрытия, неудовлетворительного содержания обочин, попадания материала изношенных шин транспортных средств, применения противогололедных материалов в виде песчано-соляных смесей, которые снижают фильтрующую способность дренирующих покрытий. Это означает, что длительность наличия наиболее важного преимущества, а именно шумопоглощения, и безопасность движения в дождливую погоду значительно меньше, чем их долговечность по физико-механическим характеристикам цементобетона.

Измерения распространения шума в пористом цементобетоне показали, что значения имеют такой же порядок величин, как и в дренирующем асфальтобетоне [13]. В результате изучения развития дренирующей способности и уровня шума на примере пористого асфальтобетона установлено, что его дренирующая способность уже через 2,5 года уменьшается на 10%. Хотя уровень шума увеличивается не в такой же мере, однако имеется тенденция уже через 5 лет истощения всех преимуществ в отношении снижения шума по сравнению с плотным цементобетоном. Такое поведение цементобетона позволило предположить, что покрытие с открытой пористостью следует рассматривать как слои износа, которые ввиду их короткой функциональной возможности требуют частого обновления.

Для очистки покрытия необходимо применять специальное вакуумное устройство. В частности, фирма Beugnet (Германия) опробовала способ восстановления свойств путем вакуумирования пористых покрытий [20]. Принцип действия вакуумного устройства основан на подаче струи воды под высоким давлением на очищаемое покрытие, отсосе загрязненной воды, ила и частиц грунта и сбросе их в водоотводную систему.

Первые опыты по очистке были успешно выполнены на кольцевой дороге в г. Хоккенхайме [9]. Заполнение пор частично возникло уже в процессе строительства, а также из-за различных организационных мероприятий. После двух процедур очистки водопроницаемость покрытия была восстановлена до уровня нового покрытия. Расход воды составил 35 - 38 л/мин.

Продолжаются работы по совершенствованию вакуум-уборочных машин с целью повышения их очищающей способности. Аналогичные машины разработаны в Японии [15].

Вопрос ремонтопригодности, т.е. приведения в исправность поврежденных мест пористого цементобетона, в настоящее время находится на стадии исследований.

Задачами дальнейших исследований являются разработка и испытание более долговечных и малошумных поверхностей из пористого цементобетона. Шумопоглощение должно быть увеличено за счет тщательного подбора материалов, например, оптимизации зернового состава заполнителей, полного исключения зерен заполнителя большого размера и т.д. Долговечность должна быть улучшена путем введения ряда добавок. Инновационное проектирование будет достигаться также путем укладки пористой цементобетонной смеси на непрерывно армированный цементо- или асфальтобетон с использованием специальных связующих материалов.

3. СЛОИ ОСНОВАНИЯ ИЗ ПОРИСТОГО ЦЕМЕНТОБЕТОНА

Дорожные покрытия из цементобетона способны выдерживать тяжелейшие нагрузки от движения транспортных средств, но и они получают повреждения, если между непроницаемым несущим слоем (основанием) и покрытием находится вода, которая становится причиной разрушения (эрозии) несущего слоя. Это, в свою очередь, приводит к поднятию покрытия в зоне швов и трещинообразованию, в особенности на полосах движения тяжеловесных автомобилей.

Поэтому на долговечность покрытия большое влияние оказывает конструктивное выполнение водоотвода. Одним из его вариантов является сооружение водопроницаемого несущего слоя из пористого цементобетона вместо плотных слоев из материалов, укрепленных неорганическими или органическими вяжущими.

Крупнопористый беспесчаный цементобетон в 80-е годы прошлого века был применен в дорожном основании в России [21]. Технологические и конструктивные преимущества такого материала упрощают производство работ и обеспечивают экономический эффект.

3.1. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В работах [6, 7, 22] представлены результаты выполненных в Германии экспериментальных исследований пористого цементобетона в основаниях. Составы смесей на природном (щебне и песке) и рециклированном материалах и свойства цементобетона (прочность, пористость и водопроницаемость), полученные в лабораторных исследованиях, приведены в табл. 3.

Рециклированный материал состоял из разрушенного старого цементобетона с включениями асфальтобетона, взятого из покрытия. Материал размером зерен 0/45 мм был просеян через сита с размером ячеек 8 и 31,5 мм, и в дальнейшем применялись частицы размером только 8/32 мм, а в качестве песка - природный песок.

Время перемешивания смеси материалов в лабораторном смесителе составляло 2 мин. При применении сильно впитывающего (поглощающего) воду рециклированного материала она подавалась за 1 ч до перемешивания, затем смесь укрывалась влажной мешковиной.

Для всех смесей предварительно проводились испытания по Проктору и определялась их плотность. Образцы для различных испытаний (цилиндры диаметром 150 и высотой 125 мм) уплотнялись таким образом, чтобы была достигнута расчетная плотность.

Таблица 3

Составы смеси и свойства пористого цементобетона для слоев основания, полученные при лабораторных исследованиях

Образцы через сутки распалубливались и до возраста 28 сут хранились при температуре 20°С в туманной камере для защиты против водяных капель.

Прочность при сжатии образцов составляла 10,9 - 23,7 МПа (см. табл. 3) и увеличивалась с повышением содержания цемента, но в несколько меньшей степени, чем при повышении количества песка. Прочность при сжатии цементобетона на рециклированном материале при равном содержании цемента была ниже, чем с природными щебнем и песком, так как рециклированный материал почти на 1/3 состоял из «мягкого» дробленого асфальтобетона. Требуемая прочность при сжатии, равная 12 МПа, была достигнута на обоих материалах и частично превышена. В случае применения рециклированного материала необходимо было повышенное содержание цемента.

Наряду с изменением содержания песка и (или) цемента на прочность могли оказывать влияние также колебания водосодержания и различная степень уплотнения. При очень высоком содержании воды и соответственно слишком пластичном растворе существовала опасность, что раствор будет осаждаться, в то время как при чрезмерно сухом растворе зерна заполнителя неравномерно обволакиваются из-за недостатка цементного теста. Превышение оптимального водосодержания на 3% ведет к незначительной потере прочности при сжатии по сравнению с его снижением. Влияние различной степени уплотнения выражается линейной зависимостью между прочностью при сжатии и плотностью и таким образом открытой пористостью. Повышение плотности на 0,05 кг/дм³ приводит к увеличению прочности на 5 МПа. Из этого следует, что большое значение для обеспечения прочности пористого цементобетона имеют точное дозирование добавляемой воды и надлежащее уплотнение.

Пористость и водопроницаемость уменьшаются с увеличением содержания песка и (или) цемента. Водопроницаемость до получения пористости 15% медленно повышается (рис. 2); если пористость превышает 15%, наблюдается ее нелинейное резкое повышение. Причиной этого является то, что при определенной пористости поры связаны друг с другом, так что вода может течь значительно быстрее. Между обоими исходными материалами не выявлено значительного различия. При пористости около 15% водопроницаемость составляла примерно 10³ м/с.

Рис. 2. Прочность при сжатии и водопроницаемость образцов в зависимости от их пористости при применении:

а - природного (щебня и песка); б - рецитированного материала;
1 - прочность при сжатии; 2 - водопроницаемость

Таким образом, несущий слой является очень водопроницаемым. Поэтому в качестве требования к пористости с точки зрения обеспечения достаточной водопроницаемости, должна гарантироваться минимальная величина около 15%.

При пористости в диапазоне от 15 до 20% выполняется требование как к прочности при сжатии, равной 12 МПа, при применении природной смеси щебня/песка и рециклированного материала, так и гарантируется быстрое истечение воды (см. рис. 2).

Испытания на морозостойкость были проведены тремя методами.

А. Стандартный метод ТР BF-StB 86, при котором определяли изменение длины образцов в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания в солевом растворе. При этом потери массы не являлись характеристической величиной.

Максимально допустимое изменение длины в 1‰ после 12 циклов замораживания-оттаивания было превышено всеми составами с природными и рециклированными материалами (рис. 3). После 100 циклов максимальное изменение длины образцов составов с природными щебнем/песком также было ниже 1‰. Различие между отдельными составами было незначительно. Метод не позволил выявить точные различия в отношении морозостойкости различных составов на природном заполнителе.

При применении рециклированного материала после 100 циклов замораживания-оттаивания величина в 1‰ была превышена всеми составами, за исключением состава № 8 (см. табл. 3) с 10% цемента и 15% песка, который показал отчетливо ступенями изменение длины образца в процессе испытаний. Оно увеличивалось с повышением содержания цемента и песка (см. рис. 3,б). Состав № 10 с 12% цемента показал необычно высокое изменение длины, которое можно объяснить неоднородностью при приготовлении образца. Таким образом, рециклированный материал оказался непригодным к применению.

Рис. 3. Изменение длины образцов в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания при применении:

а - природного (щебня и песка); б - рецитированного материала (испытания по методу TP BF-StB 86);
1 - смесь из 6% цемента и 10% песка; 2 - смесь из 8% цемента и 10% песка; 3 - смесь из 10% цемента и 10% песка; 4 - смесь из 8% цемента и 5% песка; 5 - смесь из 8% цемента и 15% песка; 6 - смесь из 10% цемента и 5% песка; 7 - смесь из 10% цемента и 15% песка

В. Метод замораживания на воздухе и оттаивания в воде, при котором потери массы образцов после 100 циклов замораживания-оттаивания с незначительными исключениями составляли менее 2% (рис. 4).

Рис. 4. Потеря массы образцов в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания при применении:

а - природного (щебня и песка); б - рециклированного материала;
1 - смесь из 6% цемента и 10% песка; 2 - смесь из 8% цемента и 10% песка; 3 - смесь из 10% цемента и 10% песка; 4 - смесь из 8% цемента и 5% песка; 5 - смесь из 8% цемента и 15% песка; 6 - смесь из 10% цемента и 5% песка; 7 - смесь из 10% цемента и 15% песка

Наибольшие потери массы имели составы на природных заполнителях (щебне и песке) с содержанием цемента 6% по массе, а также состав с содержанием 8% по массе цемента и 5% по массе песка; при применении рециклированного материала - состав с содержанием 8% по массе цемента. Различие поведения цементобетонов разных составов при испытаниях на морозостойкость лучше характеризуется изменением динамического модуля Е. Даже при содержании цемента 10% по массе минимальное падение модуля Е составляло 5% в цементобетоне на природных заполнителях и более 15% в цементобетоне с применением рециклированного материала (рис. 5). В других испытаниях оценку морозостойкости пористого цементобетона проводили по трем критериям: изменению модуля Е, прочности при сжатии и потере массы. Отмечается, что при значительном снижении прочности и модуля Е потеря массы не превышала 0,6%. Внутренняя структура образца была разрушена без появления поверхностного шелушения. Поэтому критерий «потеря массы» для специального водопроницаемого несущего слоя (основания) может быть пригоден только условно для оценки морозостойкости.

С. Метод ванны, при котором три испытанные состава показали лишь незначительное снижение модуля Е. Потеря массы состава № 4 с 6% цемента была очень высокой. С увеличенным содержанием цемента до 8 и 10% (остальные составы) она составляла менее 1%. После 100 циклов испытаний потеря массы в этом методе была лишь несколько больше, чем при методе В.

Результаты испытания пористого цементобетона на морозостойкость тремя методами различны. Испытания по методу А не позволяют выявить различия между составами, особенно в случае проведения только 12 циклов замораживания-оттаивания и воздействия солевого раствора. Существенно большее различие между составами получается при испытании по методу В, при котором для достаточной оценки морозосолестойкости наряду с потерей массы также определяется снижение модуля Е. Известно, что при недостаточной морозосолестойкости может произойти разрушение внутренней структуры, которое не должно быть заметным через поверхностное шелушение.

Для объяснения полученных результатов необходимы дальнейшие исследования. Однако прежде всего целесообразно будущие исследования провести с применением метода В и при этом определять как изменение длины образцов, потери массы, так и снижение модуля Е.

Рис. 5. Изменение динамического модуля Е в зависимости от количества циклов замораживания (на воздухе) и оттаивания (в воде) образцов при применении:

а - природного (щебня и песка); б - рециклированного материала;
1 - смесь из 6% цемента и 10% песка; 2 - смесь из 8% цемента и 10% песка; 3 - смесь из 10% цемента и 10% песка; 4 - смесь из 8% цемента и 5% песка; 5 - смесь из 8% цемента и 15% песка; 6 - смесь из 10% цемента и 5% песка; 7 - смесь из 10% цемента и 15% песка

Обобщая результаты испытаний тремя методами, можно заключить, что для достаточной морозостойкости пористого слоя основания содержание раствора (цемент + вода +песок) в составе не должно быть слишком малым. Содержание песка в смеси заполнителя должно составлять примерно 10% по массе. Раствор должен иметь достаточную прочность, и содержание цемента не должно быть низким. В данных составах оно не должно быть ниже 8% в смеси на природных щебне и песке и 10% - в смеси с рециклированным материалом.

Для проверки результатов лабораторных исследований в опытном порядке были построены участки с применением составов смесей, приведенных ниже.

Состав смеси                                                                  Содержание, кг/м³ (% по массе

минерального заполнителя)

Участок дороги А30             Участок дороги А7

(г. Зальцберген)                    (г. Хоттельн)

Песок размером

частиц 0/2 мм                                                      180 (10)                                  140 (9)

Щебень размером зерен, мм:

8/16                                                                       810 (45)

16/22                                                                     810 (45)

Рециклированный материал

размером зерен 8/32 мм                                     -                                              1460 (91)

Цемент PZ 35F                                                    200 (11)                                  195 (12)

Вода                                                                     90                                           100

Средняя плотность смеси на участке дороги А30 составляла 2090 кг/м³, на участке дороги А7 - 1895 кг/м³.

Два опытных участка имели протяженность по 1000 м, их устраивали под цементобетонным покрытием на стоянке автомобилей. Смесь для пористого цементобетона приготавливалась как способом смешения на месте производства работ (около 500 м), так и в смесительной установке (около 500 м).

Для оценки свойств цементобетона из опытных участков были выбурены керны, на которых определялись прочность при сжатии, пористость и водопроницаемость. По сравнению с лабораторными результатами керны показали несколько меньшую пористость. Причиной этого является повышенное водосодержание смеси, которое привело к улучшению уплотняемости и таким образом - к меньшей пористости цементобетона. Полученная пористость составляла около 15% и водопроницаемость k_f около 1·10^-3 м/с. Прочность при сжатии в кернах была в двух случаях несколько ниже, чем в лабораторных образцах (11,7 и 10,3 МПа) и в одном случае (перемешивание в смесительной установке) - выше (16,9 МПа). Возможными причинами меньшей прочности можно назвать нарушение структуры при отборе керна или различие в уходе за опытным участком и контрольными образцами. Образцы из той же смеси, уплотненные в приборе Проктора, показали значительно большую прочность при сжатии.

По результатам экспериментальной проверки были сделаны выводы, что как на основе новых, так и рециклированных материалов могут быть изготовлены несущие слои (основания), которые соответствуют требованиям по прочности, имеют достаточную морозостойкость и благодаря конгломерату (скоплению) пор гарантируют быстрое отведение воды (дренирование).

При этом к составу смеси должны предъявляться следующие требования:

- наибольший размер зерен заполнителя от 22 до 32 мм;

- отсутствие заполнителя размером зерен 2/4 и 2/8 мм;

- содержание песка около 10% от общей массы заполнителей;

- содержание цемента около 200 кг/м³;

- водоцементное отношение примерно 0,40 - 0,45.

Минимальная пористость должна составлять 15%, чтобы водопроницаемость была не менее 10^-3 м/с.

3.2. УСТРОЙСТВО НЕСУЩИХ СЛОЕВ ИЗ ПОРИСТОГО ЦЕМЕНТОБЕТОНА

В разработанной в Германии памятке по устройству несущих слоев из пористого цементобетона (Merkblatt fur Dranbetontragschichten) для улучшения водоотвода считается достаточным выполнять их под покрытием, в основном на стоянках автомобилей. На автомагистралях из этого материала могут быть устроены основания также под мостовыми и сборными покрытиями. В этом случае между основанием и подстилающим слоем следует укладывать геотекстиль.

В отличие от других типов основания, несущие слои из пористого цементобетона состоят из смеси заполнителей, к которой добавляется столько мелкозернистого раствора, чтобы он смог их покрыть и склеить друг с другом. Пустоты между зернами заполнителя после уплотнения не должны быть заполнены раствором.

Состав смеси следует определять в соответствии со следующими требованиями:

минимальное содержание открытых пор должно составлять не менее 15% по объему;

• водопроницаемость (k_f) должна быть не менее 10^-3 м/с (сильнопроницаемый цементобетон);

• средняя прочность при сжатии трех образцов одного состава (диаметром 150 мм, высотой 125 мм) в возрасте 28 сут должна быть не менее 15 МПа.

Согласно существующему опыту, эти требования могут быть удовлетворены при следующих составах смесей:

- щебень размером зерен 8/22 или 8/32 мм - 90% (1500 - 1600 кг/м³);

- песок размером частиц 0/1 или 0/2 мм - 10% (150 - 180 кг/м³);

- цемент СЕМ 132,5 R - 8 - 12% по массе заполнителя (150 - 220 кг/м³);

- вода - 3 - 6% по массе заполнителя и цемента (60 - 90 кг/м³).

Водоцементное отношение В/Ц не должно превышать 0,4.

Более высокие расходы цемента и воды требуются для заполнителей из рециклированного цементобетона.

Чтобы обеспечить требуемое содержание пустот, заполнитель размером зерен 0/22 или 0/32 мм должен иметь прерывистую гранулометрию с отсутствием зерен размером 2/4 или 2/8 мм при возможно меньшем расходе песка.

Для достижения повышенной прочности на растяжение при изгибе и лучшего сцепления раствора с заполнителем размером зерен более 8 мм рекомендуются дробленые заполнители. Использование округлых зерен также допускается.

Доля раствора должна быть установлена таким образом, чтобы он полностью обволакивал зерна заполнителя, но не стекал с них. Использование песка размером частиц 0/1 мм предпочтительнее, потому что при этом можно получить более тонкую пленку раствора.

Состояние несущих слоев из пористого цементобетона зависит от состава смеси. Недостаточное содержание воды в большей степени отражается на уменьшении прочности, чем его превышение. Повышенные расходы цемента и песка при прочих одинаковых условиях приводят к почти линейному возрастанию прочности при сжатии. При увеличении расхода цемента содержание открытой пористости и водопроницаемость уменьшаются незначительно, тогда как повышение расхода песка способствует снижению значений обоих показателей.

Эти зависимости необходимо учитывать особенно при смешении компонентов на месте производства работ. Чтобы избежать изменений прочности и вытекающей в связи с этим опасности трещинообразования, для несущих слоев из пористого цементобетона следует использовать цемент той же марки, что и для соседнего несущего слоя.

Добавка стабилизатора может быть целесообразна, если имеются опасения, что пленка раствора свежеуложенного слоя из пористого цементобетона может разрушиться в результате выветривания.

В качестве подстилающего слоя под основание из пористого цементобетона могут применяться следующие материалы:

- связные плотные слои (например, укрепленные грунты), с поверхности которых может стекать просочившаяся вода (только для материалов, приготовленных в централизованных смесительных установках);

- несвязные водопроницаемые слои (например, морозозащитные слои), которые служат в качестве поверхностного фильтра.

До укладки покрытия из плотного цементобетона при сильных осадках дождевая вода, стекающая с прилегающего плотного несущего слоя и проходящая через несущий слой из пористого цементобетона, способна размыть насыпь. После укладки покрытия этого не произойдет, так как теперь лишь относительно малое количество воды будет попадать туда.

Если несущий слой из пористого цементобетона длительное время не перекрывается слоем покрытия, то при наличии песчаных грунтов в основании необходимо предусмотреть защитные мероприятия против размывания, например, устройство укрепления под несущим слоем.

Несущие слои из пористого цементобетона можно устраивать с помощью обычного дорожно-строительного оборудования по способу смешения в централизованных смесительных установках или на строительной площадке. Однако высокая однородность смеси лучше достигается при их приготовлении в централизованной установке и распределении укладчиком или скрепером и грейдером. При смешении в установке время перемешивания должно составлять не менее 60 с.

При смешении на месте производства работ сначала раскладывают требуемое по составу количество песка и крупного заполнителя, а затем перемешивают с добавлением цемента и воды. Если такой же песок использован в подстилающем слое, то при проходах фрезы он может быть смешан с крупным заполнителем. Чтобы обеспечить проектную толщину и высотное положение устраиваемого слоя основания, необходимо путем предварительных испытаний установить нужные толщины слоев крупного заполнителя и песка. В обоих случаях требуется использование фрезы с возможностью пропуска воды через разбрызгивающее сопло поверх вала фрезерования, так как одного только увлажнения разложенной зерновой смеси недостаточно вследствие малой водоудерживающей способности материала.

Перемешивание целесообразно проводить на полную ширину слоя за один рабочий ход. Если рабочая ширина фрезы меньше ширины несущего слоя, то образуются нахлестки в продольном направлении, что может привести к неоднородности смеси, а в результате к повышению плотности, уменьшению содержания пустот и большей прочности в поперечном сечении слоя.

Внутреннюю кромку несущего слоя следует выполнять таким образом, чтобы вода, просачивающаяся сквозь вышележащие продольные швы покрытия из плотного цементобетона, была надежно «схвачена». Типовая конструкция покрытия с пористым цементобетоном под полосой стоянки представлена на рис. 6.

Рис. 6. Типовое поперечное сечение покрытия со слоем пористого цементобетона под полосой стоянки автомобилей:

1 - цементобетонное покрытие; 2 - укрепленный грунт; 3 - морозозащитный слой; 4 - анкер; 5 - зона смешения при способе перемешивания на месте производства работ; 6 - пористый цементобетон с продольными и поперечными насечками

При смешении на месте производства работ слой из пористого цементобетона должен быть устроен прежде всего в зоне шва под смежной полосой на ширину 50 см. При укладке слоя на смежной полосе по способу «свежий на свежий» компоненты смеси в зоне шириной 30 см следует еще раз перемешать фрезой, чтобы обеспечить равномерный переход условий опирания и получить зону дренирования шириной примерно 20 см. При смешении компонентов смеси в централизованной смесительной установке в зоне продольного шва необходимо устраивать перехлест шириной не менее 20 см. Слой основания следует уплотнять таким образом, чтобы, с одной стороны, была достигнута требуемая прочность, а с другой стороны - содержание пустот.

Целесообразными способами уплотнения в настоящее время признаны:

- при смешении материалов в установке - предварительное уплотнение с помощью укладчика и окончательное уплотнение гладковальцовым катком без вибрации;

- при смешении на месте производства работ - вдавливание готовой смеси катком с резиновыми вальцами и уплотнение гладковальцовым катком без вибрации.

Как и в других несущих слоях на гидравлических вяжущих, в основании из пористого цементобетона следует устраивать прорези (надрезы) в свежеуложенном слое в продольном и поперечном направлениях и обеспечивать последующий уход. Под покрытием из плотного цементобетона прорези должны согласовываться с положением продольных и поперечных швов в покрытии, а под мостовыми и сборными покрытиями их устраивают на расстоянии не более 5 м в продольном и поперечном направлениях. Вследствие большого объема открытых пор (пустот) влажный уход возможен лишь в исключительных случаях. Целесообразно содержание в течение не менее 3 сут путем укрытия слоя основания влагосодержащим материалом или пленкой.

Так как слои основания из пористого цементобетона устраивают только на небольших площадях, рекомендуется для контроля прочности проводить три испытания на площади 1200 м².

Цементобетонные плотные покрытия могут десятилетиями выдерживать тяжелейшие транспортные нагрузки, даже в неблагоприятных условиях водоотвода. Срок их службы можно увеличить путем устройства пористых слоев основания.

4. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ПОРИСТОГО ЦЕМЕНТОБЕТОНА

Многолетнего практического опыта по долговечности покрытий из пористого цементобетона пока не имеется. Долговечность таких покрытий оценивается по морозосолестойкости, сцеплению между нижним слоем из плотного цементобетона и верхним слоем из пористого цементобетона.

4.1. ИССЛЕДОВАНИЯ, ПРОВЕДЕННЫЕ В ГЕРМАНИИ

В работе [2] приведены краткий анализ предшествующего опыта эксплуатации пористого цементобетона и результаты выполненных исследований по программе Министерства транспорта Германии.

Обычно в состав пористого цементобетона входит щебень размером зерен 5/8 мм, в некоторых случаях незначительная доля мелкого песка размером частиц 0/1 мм, цемент (от 260 до 330 кг/м³). В/Ц составляет 0,25 - 0,30. Пористый цементобетон содержит от 20 до 25% пустот.

Первые исследования показали, что пористый цементобетон без добавки полимерной эмульсии имеет недостаточную морозосолестойкость. Благодаря добавке полимерной эмульсии его морозосолестойкость может быть повышена. Необходимо было выяснить, достаточно ли такой меры, чтобы в дальнейшем избежать разрушения этого материала.

При испытании на морозосолестойкость наблюдались практически расчетные деформации. Применяемые для плотного цементобетона методы испытания образцов с замораживанием в воде или солевом растворе лишь частично пригодны для испытания пористого цементобетона, так как даже при надлежащем выполнении испытаний едва ли возможно полное насыщение такого цементобетона водой или раствором NaCl. Поэтому пористый цементобетон необходимо исследовать методами испытаний водопроницаемых несущих слоев с применением различных модификаций.

Исследования опытных участков показали, что при способе укладки «свежий на твердый» происходит постепенное отделение пористого цементобетона от плотного, особенно в области краев (кромок) плит покрытия. Причиной этого могут быть неравномерное распределение клеящей прослойки, недостаточно очищенный нижний слой из плотного цементобетона, различные его деформации вследствие изменений температуры и влажности. При укладке «свежий на свежий» может быть получено лучшее сцепление между слоями.

В работах [2, 3, 8, 9, 12, 13, 18, 22, 23] представлены результаты исследований влияния состава пористого цементобетона на прочность при сжатии, растяжении, изгибе), морозосолестойкость, поведение при усадке и набухании, долговечность сцепления с плотным цементобетоном.

Характеристики пористого цементобетона, полученные в лабораторных условиях, сравнивали с результатами испытаний на практике (на образцах-кернах, выбуренных из опытных участков).

В работе [2] для изучения долговечности сцепления между пористым и плотным цементобетонами из одного состава смеси пористого цементобетона были изготовлены образцы-плитки небольшого размера. Пористую смесь распределяли по плотному цементобетону различными способами («свежий на твердый», «свежий на свежий»). Часть затвердевших образцов были покрыты солевым раствором и подвергнуты циклам замораживания-оттаивания, остальные хранились при температуре 20°С и относительной влажности воздуха 65%. Для оценки сцепления определяли прочность сцепления до начала испытаний и после 25, 50, 75 и 100 циклов замораживания-оттаивания.

Применяемые исходные материалы

Цемент. Для приготовления пористого и плотного цементобетонов применялся портландцемент СЕМ I 32,5R, важнейшие физические и химические характеристики которого представлены ниже.

Сроки схватывания:

- начало                                                                           2 ч 55 мин

- конец                                                                             3 ч 20 мин

Водопотребность, %                                                      23,5

Удельная поверхность, см²/г                                         3070

Прочность при сжатии, МПа, через:

- 2 сут.                                                                              22,7

- 28 сут.                                                                            47,6

Прочность на растяжение при изгибе, МПа, через:

- 2 сут.                                                                              5,1

- 28 сут.                                                                            8,7

Химический состав, % по массе:

- окись калия                                                                   0,98

- окись натрия                                                                 0,15

- Na₂O - эквивалент                                                       0,80

- окись кремния                                                              21,2

- окись алюминия                                                                      5,90

- окись титана                                                                 0,48

- окись фосфора                                                              0,10

- окись железа                                                                 2,50

- окись марганца                                                             0,07

- окись калия                                                                   64,40

- окись магния                                                                1,32

- сульфат                                                                          2,91

Минералогический состав, % по массе:

- C₃S                                                                                 48,5

- C₂S                                                                                 24,2

- С₅А                                                                                11,4

- C₄AF                                                                              7,8

Заполнитель. Для приготовления пористого цементобетона применялся базальтовый щебень размером зерен 5/8 мм (плотностью 3,0 г/см³) и рейнский песок (плотностью 2,60 г/см³) с размером частиц 0,71; 2 и 4 мм; для плотного цементобетона - базальтовый щебень размером зерен 22 - 32 мм и рейнский песок размером частиц 0/2 мм. В дорожном строительстве в качестве нижнего слоя используются составы смесей, как правило, с наибольшей крупностью зерен. Посредством выбора наибольшей крупности зерен меньшего размера (22 мм) предполагалось уменьшить разброс результатов испытаний сцепления.

Добавки. Для приготовления пористого цементобетона в качестве добавки были применены три различные полимерные эмульсии (стирол-бутадион, акрилат, стирол-акрилат с содержанием твердого вещества около 50% по массе), а также суспензия микросилики (содержание твердого вещества 51,5% по массе, плотность суспензии 1,39 г/см³, плотность твердого вещества 2,20 г/см³) и пластификатор. Плотный цементобетон был изготовлен с воздухововлекающей и пластифицирующей добавками.

Вода. В качестве воды затворения была применена водопроводная вода г. Дюссельдорфа.

Состав цементобетона

Содержание пустот в пористом цементобетоне должно составлять не менее 20% по объему, чтобы получить достаточное снижение шума. Поэтому расчетное содержание пустот в исследуемых составах составляло 25% по объему. С целью определения влияния состава на долговечность варьировались различные параметры, которые были оптимизированы в рамках европейского исследовательского проекта [13] (щебень размером зерен 5/8 мм - 95% по объему и песок размером частиц 0/0,71 мм - 5% по объему заполнителя; содержание цемента СЕМ I 32,5 R- 280 кг/м³, В/Ц - 0,25, акрилат в количестве 8% по массе цемента на твердое вещество). Составы смесей представлены в табл. 4. Содержание цемента составляло 280; 315 и 350 кг/м³, величина В/Ц - соответственно 0,25; 0,275 и 0,30. В расчете величины В/Ц учитывалась вода, содержащаяся в добавках. Применены три различные полимерные эмульсии с дозировкой 0, 5, 8 и 11% по массе цемента на твердое вещество. В один состав вводилась микрокремнезем - содержащая добавка (микросилика) в количестве 10% по массе цемента на твердое вещество и в два других - эта добавка с полимерной эмульсией.

Содержание пустот составляло около 15% по объему (при интенсивном уплотнении) и около 30% по объему (при незначительном уплотнении).

В качестве нижнего слоя, на который укладывали пористый цементобетон, использовали цементобетон с воздухововлекающей добавкой (содержание воздуха около 5% по объему) следующего состава:

Щебень размером зерен 5/8 мм, кг/м³                                                              1373

Рейнский песок размером частиц 0/2 мм, кг/м³                                              641

Цемент, кг/м³                                                                                                      350

Вода, кг/м³                                                                                               140

В/Ц                                                                                                                      0,40

Воздухововлекающая добавка, % от массы цемента                                      0,06

Пластификатор, % от массы цемента                                                              1,50

Для улучшения сцепления между слоями при укладке «свежий на твердый» была применена прослойка следующего состава:

Цемент (СЕМ I 32,5 R), кг/м³                                                                            1430

Полимерная эмульсия (20% по массе), кг/м³                                                   286

Вода затворения, кг/м³                                                                                      286

Изготовление и хранение образцов

Пористая цементобетонная смесь перемешивалась в лабораторном смесителе 2 мин, уплотнялась на вибростоле до тех пор, пока достигалась заданная плотность. Были изготовлены следующие образцы:

- четыре куба с длиной ребра 150 мм (для испытания на прочность при сжатии);

- три балки 10×15×70 см (для испытания на прочность при растяжении);

- четыре куба с длиной ребра 100 мм (для испытания на морозо- и морозосолестойкость).

Таблица 4

Составы пористой цементобетонной смеси

Примечания: 1. Количество воды указано с учетом ее содержания в полимерной эмульсии и (или) микросилике.

2. Количество полимерной эмульсии и микроснлнки дано в % по массе цемента на твердое вещество.

3. Вид полимерной эмульсии: А - стирол-бутадион; Б - акрилат; В - стирол-акрилат

Образцы для защиты против высушивания хранили под влажной мешковиной укрытыми сверху стеклом. После распалубки в возрасте 1 сут образцы упаковывали в пластиковую пленку. В возрасте 7 сут образцы распаковывали и до испытаний хранили в климатической камере при температуре около 20°С и относительной влажности воздуха около 65%.

Для определения набухания и усадки были изготовлены четыре балки размером 10×10×50 см из составов смеси № 1, 6, 7 (см. табл. 4) с различным содержанием цемента. После распалубки в возрасте 1 сут балки маркировали и проводили нулевое измерение для определения их длины. Образцы до возраста 3 сут оставались герметично упакованными в тесно прилегающей пленке. Затем балки распаковывали, две из них хранили в климатической камере при температуре около 20°С и относительной влажности воздуха около 65% и две балки в воде (температура около 20°С).

Исследование сцепления между слоями проводилось на образцах-плитах. Укладка слоев выполнялась в нескольких вариантах:

•«свежий на твердый»:

- с распределением клеящего состава для улучшения сцепления;

- с удалением раствора с поверхности нижнего слоя и распределением клеящего состава;

• «свежий на свежий».

Вариант «свежий на твердый»

Нижний слой из плотной цементобетонной смеси укладывали в опалубку (размером 1×1 м), уплотняли на вибростоле в один слой толщиной примерно 7 см и укрывали влажной мешковиной и пластиковой пленкой. После распалубки в возрасте 1 сут плиты хранили до возраста 7 сут в туманной камере (при температуре 20°С и относительной влажности около 100%), а затем в климатической камере при той же температуре и относительной влажности 65%. У одной плиты в возрасте двух недель с помощью щетки удаляли поверхностный раствор так, чтобы были видны зерна заполнителя. Через 28 сут после изготовления распределяли пористую цементобетонную смесь (состав № 1, см. табл. 4). Перед ее укладкой плиты увлажняли и для улучшения сцепления наносили клеящий состав в количестве 2 л/м², который предварительно перемешивали в смесителе в течение 1 мин.

Время между смешиванием клеящего состава и распределением пористой смеси составляло около 15 мин. Эту смесь распределяли равномерно и уплотняли на вибростоле с нагрузкой 50 кг таким образом, чтобы получить содержание пустот около 25%. Затем соединенную плиту укрывали мешковиной. После распалубки в возрасте 1 сут плита хранилась в течение 6 сут в туманной камере при температуре 20°С и относительной влажности 100%, а затем до возраста 28 сут - в климатической камере при той же температуре и относительной влажности 65%. В возрасте двух недель из соединенной плиты размером 1×1 м вырезали девять образцов размером 25×25 см. Чтобы во время испытаний на морозосолестойкость обеспечить передачу воды только по верхнему слою, а не к боковым сторонам, боковые поверхности нижнего слоя были изолированы путем приклеивания каучукового уплотнителя. Для контроля правильности распределения солевого раствора из пористого цементобетона на всю его толщину в двух противоположно расположенных углах плиты были вырезаны образцы треугольной формы с длиной ребра около 1 см.

Для сравнения хранящиеся в климатической камере образцы были одинаково уплотнены.

Вариант «свежий на свежий»

В этом варианте пористая цементобетонная смесь укладывалась через 0,5 ч после уплотнения нижнего слоя и уплотнялась как и при варианте «свежий на твердый». Дальнейшая подготовка образцов для испытаний была аналогичной предыдущему варианту.

Результаты испытаний

Содержание открытой пористости (пустот), определенное методом гидростатического взвешивания, несколько отличалось от расчетного содержания пустот. При содержании пустот около 30% почти все они заполняются водой. С увеличением их количества повышается разница между расчетной и доступной воде пустотностью примерно на 1% при 25%-ной открытой пористости, свыше 2% - при 20%-ной открытой пористости и 3,5% - при 15%-ной открытой пористости. Эти результаты хорошо согласуются с полученными зависимостями для пористого асфальтобетона.

Прочность (при сжатии, изгибе и растяжении) в первую очередь зависит от содержания пустот. Поэтому воздействие различных параметров на прочностные свойства может быть оценено только при одинаковом содержании пустот. Такие параметры состава смеси, как, например, крупность зерен песка, доля песка в заполнителе, содержание цемента и вид эмульсии, в сравнении с содержанием пустот, в проведенных опытах имели незначительное влияние на прочность. Колебания находились в рамках погрешности испытаний.

Прочность на растяжение при изгибе и раскалывании зависит от количества полимерной эмульсии: повышенное ее содержание ведет к увеличению прочности. Прочность практически не повышается при снижении величины В/Ц. В составах смеси № 15, 16 (см. табл. 4) введенная добавка микросилики (10% по массе цемента на твердое вещество) не повысила прочность, так как пористый цементобетон был плохо уплотнен. Несмотря на добавку пластификатора (2% от массы цемента), цементное тесто имело очень жесткую консистенцию и поэтому не могло оптимально обволакивать зерна заполнителя. Только снижение вдвое количества микросилики (до 5% по массе цемента на твердое вещество) позволило улучшить удобоукладываемость этой смеси.

Прочность при сжатии в зависимости от состава смеси при пустотности около 25% составляла 20 - 25 МПа, что ниже требований нормативных документов к цементобетону для покрытий.

Прочность на растяжение при изгибе при применении полимерной эмульсии в максимально допустимом количестве составляет 5,5 МПа при пустотности около 25%, что соответствует требованиям нормативных документов.

Набухание и усадка. Испытания образцов, хранившихся в течение 1 года в климатической камере (при температуре 20°С и относительной влажности 65%), показали, что пористый цементобетон характеризуется большим набуханием и меньшей усадкой по сравнению с плотным цементобетоном (содержание цемента 350 кг/м³ и В/Ц = 0,45) на основе базальтового щебня. В условиях сухого хранения пористый цементобетон имеет большую усадку, чем плотный цементобетон. Цементный камень пористого цементобетона может быстрее высыхать вследствие открытой пористости и воспринимать воду, чем цементный камень плотного цементобетона. Вследствие повышенного содержания цементного теста плотный цементобетон примерно через год усыхает сильнее. Повышенное набухание пористого цементобетона происходит вследствие набухания полимера. С увеличением содержания цементного раствора величина усадки пористого цементобетона выше, а набухание одинаково по сравнению с плотным цементобетоном.

Морозосолестойкость. При проведении испытаний были применены два метода:

- метод ванны, при котором кубы с ребром 10 см замораживали и оттаивали в 3%-ном растворе NaCl (глубина погружения в ванну 1 см);

- замораживание на воздухе и оттаивание в растворе NaCl.

Образцы подвергались 100 циклам замораживания-оттаивания. Для большинства из них вследствие сильного разрушения испытания были прекращены раньше. Визуальная оценка образцов показала, что повреждения были вызваны потерей сцепления между цементным камнем и заполнителем. В обоих методах испытаний шелушение образцов происходило снизу вверх. Причиной этого является то, что в методе замораживания на воздухе и оттаивания в растворе NaCl остатки раствора NaCl после стекания остаются в нижней части образцов, а соответственно при методе испытаний в ванне образцы замораживаются погруженными на 1 см в этот раствор и основные напряжения находятся также в нижней части образцов. Поэтому потеря 50% массы означает, что только у половины образцов верхняя часть имеет слабые повреждения. Такой характер повреждений не всегда соизмерим с водосодержанием образцов и является причиной увеличения динамического модуля Е, измеренного неразрушающим методом. После отделения одного слоя от ослабленных зерен щебня в результате воздействия циклов замораживания-оттаивания и противогололедных солей оставшаяся часть образца может показать в нижней, теперь «неповрежденной» области, повышенный модуль Е. При обоих методах испытаний на морозосолестойкость оказалось невозможным одинаково оценить различные составы пористого цементобетона. С точки зрения потери массы и изменения динамического модуля Е были сделаны следующие выводы.

Характер повреждений при обоих методах испытаний сравним и оценивается величинами одинакового порядка. Когда после определенного количества циклов замораживания-оттаивания потери массы составляли от 5 до 10%, далее разрушение прогрессировало. Потери массы при обоих методах, за некоторым исключением, останавливались на величинах 5% после 100 циклов замораживания-оттаивания, после которых для плотного цементобетона с высокой морозосолестойкостыо испытания прекращались.

При обоих методах испытаний динамический модуль Е снижался, прежде чем была достигнута потеря массы, равная 5%. При методе замораживания на воздухе и оттаивания в растворе NaCl отмечалось более значительное падение модуля Е с увеличением количества циклов замораживания-оттаивания, чем при методе испытаний в ванне. Причиной этого быть может то, что при методе испытаний в ванне после отделения верхнего слоя от зерен щебня остается относительно неповрежденный образец пористого цементобетона.

В результате исследования влияния параметров состава на морозостойкость пористого цементобетона установлено следующее.

Повышение содержания пустот ведет к сильному шелушению образцов и падению динамического модуля Е в начале испытаний. Поэтому особое значение имеет одинаковое уплотнение пористого цементобетона, так как при минимальном уплотнении происходит больше повреждений.

Повышенная величина В/Ц привела при методе замораживания на воздухе и оттаивания в растворе NaCl к раннему падению динамического модуля Е и к большему шелушению. При методе испытаний в ванне влияние В/Ц не установлено.

Из трех полимеров лучшие результаты по потере массы и падению модуля Е независимо от метода испытаний получены в пористом цементобетоне на основе добавки акрилата. Увеличение этой добавки повышает морозосолестойкость пористого цементобетона. Без добавки полимера образцы разрушались после 10 - 20 циклов замораживания-оттаивания.

Увеличение содержания цемента при одинаковой величине В/Ц способствует незначительному повышению морозосолестойкости благодаря лучшему склеиванию зерен заполнителя.

Добавка микросилики (10% по массе цемента на твердое вещество) улучшает морозосолестойкость, но в меньшей степени, чем добавка акрилата (8% по массе цемента на твердое вещество). При одновременном применении акрилата и микросилики потеря массы после 100 циклов замораживания-оттаивания составляла около 2%. Падение динамического модуля Е не наблюдалось. При применении акрилата и микросилики в меньшем количестве (до 5% по массе) шелушение и потеря массы не увеличились.

Параллельное испытание образцов в воде вместо солевого раствора показало, что пористый цементобетон без добавки полимерной эмульсии имеет высокую морозостойкость.

В результате испытания на морозосолестойкость пористого цементобетона установлено, что выбранные методы испытаний составов смесей похожи и различаются некоторыми особенностями. Многолетние исследования показывают, что если в лабораторных испытаниях в образцах из плотного цементобетона потеря массы составляет 5%, то в покрытиях из такого цементобетона не происходит повреждений при воздействии мороза и противогололедных солей.

Подобная связь между методами испытания и практическими результатами для пористого цементобетона до сих пор не установлена. Поэтому невозможно для пористого цементобетона с высокой морозосолестойкостью установить проверенную практическим опытом абсолютную граничную величину в отношении допустимой потери массы. Можно только дифференцировать составы смесей с незначительным или сильным шелушением. Испытание образцов, где верхним слоем является пористый, а нижним - плотный цементобетон, лучше проводить методом ванны, так как на практике поперечные уклоны поверхности покрытия слишком незначительны, чтобы обеспечивать полное стекание воды (или солевого раствора), в результате чего на границе соединения слоев всегда остается жидкость, которая может замерзнуть. Поэтому данный метод позволяет лучше представить поведение слоев в реальных условиях. В качестве критериев оценки могут испытываться:

• остаточная прочность при сжатии;

• падение динамического модуля Е;

• шелушение (потеря массы).

Процесс шелушения после максимальных 100 циклов замораживания-оттаивания, как правило, очень быстро прогрессирует, так что невозможно определить остаточную прочность при сжатии образцов. Поэтому необходимо до проведения практических испытаний на морозосолестойкость испытать пористый цементобетон методом ванны и в качестве критерия оценки выбрать шелушение.

Кроме того, метод ванны в сравнении с методом замораживания на воздухе и оттаивания в растворе NaCl имеет большое преимущество в том, что испытание может проводиться в морозильной камере с программным управлением.

Прочность сцепления. Без воздействия циклов замораживания-оттаивания и противогололедных солей прочность сцепления повышается незначительно с увеличением продолжительности хранения плит в климатической камере (табл. 5, 6). При способе укладки «свежий на твердый» разрыв происходит в основном в пористом цементобетоне, а при способе укладки «свежий на свежий» - всегда в этом материале.

Прочность сцепления в результате воздействия противогололедных солей после 50 циклов замораживания-оттаивания снижается до 50%, При способе укладки «свежий на твердый» после 50 циклов замораживания-оттаивания частично разрушаются связующая прослойка и пористый цементобетон (на расстоянии 0,5 - 1,0 см от границы соединения слоев).

Таблица 5

Прочность сцепления соединенных образцов (при укладке «свежий на твердый») с клеящей прослойкой

* Среднее значение прочности сцепления.

Таблица 6

Прочность сцепления соединенных образцов (при укладке «свежий на свежий»)

* Среднее значение прочности сцепления.

После 75 циклов замораживания-оттаивания связующая прослойка разрушается полностью. Прочность сцепления независимо от вариантов соединения после 50 циклов составляет 1,2 - 1,4 МПа, что соответствует результатам, полученным на отобранных из опытного участка образцах.

После 100 циклов замораживания-оттаивания прочность сцепления снизилась примерно на 0,5 МПа.

Исследования на опытном участке

На опытном грузонапряженном участке федеральной дороги с верхним слоем покрытия из пористого цементобетона были отобраны три керна диаметром 15 см и три керна диаметром 7,5 см. Верхний слой покрытия толщиной около 8 см был уложен в конце 1994 г. на уже затвердевший слой из плотного цементобетона толщиной около 18 см. Между ними была расположена связующая прослойка. Керны были взяты после 2,5 лет эксплуатации участка дороги. Три керна диаметром 15 см были испытаны на прочность сцепления. Для этого пористый цементобетон был пробурен буровой коронкой (диаметром 5 см) до нижнего слоя покрытия. Затем отрывной штамп приклеивали на пористый цементобетон и с помощью прибора определяли прочность сцепления. Из кернов диаметром 7,5 см были вырезаны три цилиндра из пористого цементобетона с отношением h/d = l для определения содержания пустот и прочности при сжатии.

Прочность сцепления составляла в среднем 1,2 МПа (отдельные значения 1,41; 1,37; 1,08 МПа). Разрушение происходило всегда в пористом цементобетоне на расстоянии 0,5 - 1,0 см от нижнего слоя покрытия. Порядок величин прочности сцепления и вид отказа соответствовали результатам лабораторных испытаний на соединенных образцах, которые были подвергнуты воздействию мороза и противогололедных солей.

4.2. ИССЛЕДОВАНИЯ, ПРОВЕДЕННЫЕ В БЕЛЬГИИ

В работе [5] морозостойкость пористого цементобетона исследовали с применением противогололедных солей и без них. Перед испытанием были определены его механические и физические свойства. Прочность при сжатии и на растяжение при изгибе, плотность и пористость определяли на образцах из пористого цементобетона, испытания долговечности - на композитных образцах. Морозо- и морозосолестойкость исследовали в соответствии с европейским стандартом проект pr EN 1340:1993 и pr EN 1338/1339/1340. Композитные образцы представляли собой керны диаметром 113 мм, высверленные из плиты, состоящей из нижнего слоя из плотного цементобетона толщиной 13 см и верхнего слоя из пористого цементобетона толщиной 40 мм. Верхний слой укладывался методом «свежий на свежий» с различным временным интервалом. Для образца с временным интервалом 2 ч какой-либо четкой промежуточной зоны не наблюдалось, а при интервале 4 ч отмечалась четкая линия перехода. Для испытаний на морозо- и морозосолестойкость образцы помещали в емкость из поливинилхлорида (PVC). Плотный цементобетон был окружен жесткой эпоксидной смолой, а пористый цементобетон - гибким герметиком для того, чтобы обеспечить возможность объемных изменений воды или льда в крупных порах (рис. 7).

Рис. 7. Образец для испытания на замораживание-оттаивание с противогололедными солями:

1 - эпоксидная смола; 2 - изоляция; 3 - гибкий герметик; 4 - емкость; 5 - пористый цементобетон; 6 - плотный цементобетон

Для испытаний на морозостойкость поверхность образцов располагали на одном уровне с кромкой емкости. Образцы насыщались водой и затем подвергались 14 циклам замораживания-оттаивания. Один цикл состоял из охлаждения образцов в течение 2 ч (снижение температуры с 25 до - 15°С) и их оттаивания в воде при температуре 12°С в течение 4 ч. По окончании первого периода оттаивания крупные поры пористого цементобетона были заполнены водой вследствие герметизации емкости. Кроме того, испытывали сцепление пористого и плотного цементобетонов на образцах до и после испытаний на морозостойкость путем определения прочности при растяжении.

Для испытаний на морозосолестойкость образцы помещали в емкость так, чтобы они были погружены на глубину 20 мм от верха емкости. На их поверхность наливали воду на высоту слоя 4 мм и выдерживали в течение 3 сут. Непосредственно перед помещением образцов в камеру водопроводная вода заменялась 3%-ным раствором NaCl. Образцы подвергались 28 циклам замораживания-оттаивания. Один цикл состоял из замораживания в течение 16 ч (снижение температуры с 25 до -20°С) и периода оттаивания в течение 8 ч. После 7, 14 и 21 сут обновляли солевой раствор. Каждый раз поверхность образцов очищали щеткой, смывали водой и определяли потерю массы.

В конце 28 цикла определяли массу сухого образца. Стойкость к противогололедным солям выражалась как потеря массы на единицу площади. Кроме того, в этом случае проводили дополнительные испытания на сцепление слоев цементобетонов.

Визуальная оценка образцов после циклов замораживания-оттаивания не показала их значительных различий. Разрушения наблюдались главным образом на поверхности раздела и зависят от прочности сцепления между слоями, которая снижается с увеличением количества циклов испытаний независимо от типа полимера и его количества.

Разрушение при циклах замораживания-оттаивания в присутствии противогололедных солей в основном характеризуется потерей массы образца, а не изменением прочности сцепления слоев. В этом случае влияние отношения полимер/цемент (П/Ц) является более значительным.

Разрушение при замораживании-оттаивании представляет собой комбинированный результат действия гидравлического давления, возникающего вследствие выталкивания воды вверх льдом в насыщенных порах; внутреннего давления из-за образования ледяных линз, посредством которых незамерзшая вода притягивается из более мелких пор, и осмотического давления от присутствия противогололедных солей. В пористом цементобетоне критическая степень насыщения очень низкая из-за большого количества открытых пор. При достижении критической степени насыщения степень разрушения зависит от долговечности полимерно-цементного раствора. Присутствие полимерной пленки, увеличение прочности при растяжении и уменьшение диаметра пор в этом растворе способствуют повышению морозостойкости. При замораживании-оттаивании без противогололедных солей стойкость композитного образца в основном определяется свойствами прослойки между цементобетонными слоями. В присутствии таких солей повышение стойкости отмечается при росте соотношения П/Ц,

При отсутствии солей разрушение наиболее заметно в переходной зоне между слоями. Разрушение характеризуется пониженной прочностью сцепления слоев. Влияние отношения П/Ц на результаты ограничено. В присутствии солей разрушение имеет место на верхней поверхности образца. В этом случае влияние отношения П/Ц более значительно. Для того чтобы получить хорошую стойкость к воздействию солей, отношение П/Ц должно быть не менее 10%.

На основании результатов испытаний авторами работы [23] сделан вывод о том, что циклы замораживания-оттаивания без противогололедных солей являются более разрушительными для прочности сцепления между пористым и плотным цементобетонами. На результаты сцепления главным образом влияет состояние прослойки, а не прочность самого пористого слоя. Следовательно, влияние полимерной модификации на замораживание-оттаивание ограничено. В присутствии противогололедных солей модификация полимерами является важной. Разрушения были на поверхности образцов. Модификация полимерами уменьшает потерю массы материала. Требуется по крайней мере 10% или несколько более высокое отношение П/Ц для обеспечения меньшей потери массы на поверхности образца.

В Союздорнии [24] был исследован пористый цементобетон на основе гранитного щебня размером зерен 5 - 20 мм (1470 кг/м³) и портландцемента марки ПЦ 500-ДО-Н с величиной В/Ц = 0,3. Получены следующие показатели свойств пористого цементобетона:

Прочность при сжатии, МПа                                                    24,2

Прочность на растяжение при изгибе, МПа                           4,3

Объем межзерновых пустот, % по объему                              14,2

Пористость, % по объему:

- суммарная                                                                                 27,9

- открытая капиллярная                                                             13,1

- воздушная условно закрытая                                                  0,6

Водопоглощение, % по массе                                                   5,7

Образцы сняты с испытаний после 200 циклов замораживания-оттаивания с оттаиванием в воде по ГОСТ 10060.1-95; после 200 циклов испытаний с оттаиванием в 5%-ном растворе хлорида натрия по ГОСТ 10060.2-95 потери массы составили около 1%.

Значительное различие между прочностью пористого цементобетона на растяжение при изгибе (4,3 МПа) и прочностью при сжатии (24,2 МПа) обусловлено большим содержанием межзерновых пустот. Видимо, в пористом цементобетоне, как и в плотном цементобетоне, прочность на растяжение при изгибе менее чувствительна к изменению их плотности.

Морозостойкость пористого цементобетона высокая, особенно в 5%-ном растворе хлорида натрия, хотя в нем практически отсутствует воздушная условно закрытая пористость.

В работе [24] отмечаются методические проблемы, которые возникают при определении плотности и показателей пористости такого цементобетона, а также особенность технологии уплотнения пористых цементобетонных смесей, которая заключается в замене вибрации на трамбование в сочетании со статической укаткой, так как вибрационное уплотнение приводит к расслоению смеси и, как следствие, к неоднородности текстуры цементобетона по высоте уплотняемого слоя, особенно к ослаблению верхнего слоя из пористого цементобетона.

5. ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ ПОЛИМЕРОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПОРИСТОГО ЦЕМЕНТОБЕТОНА

Влияние добавки полимера (типа и количества) на физические и механические характеристики и долговечность пористого цементобетона изучалось в Бельгии в рамках европейского проекта исследований в лабораторных условиях и на опытном участке [23].

Модификация цементного раствора полимером рассматривалась с двух точек зрения: обеспечение удобообрабатываемости цементобетонной смеси и повышение прочности пористого цементобетона.

5.1. СОСТАВ СМЕСИ И ПРОЧНОСТЬ ПОРИСТОГО ЦЕМЕНТОБЕТОНА

Теоретическим путем было вычислено, что состав смеси для пористого цементобетона при 100%-ном уплотнении состоит примерно из 50% по объему крупного заполнителя, 23% цементного раствора (песок + цемент + полимер + вода) и 27% объема воздушных пор. Ниже представлен состав смеси.

Крупный заполнитель размером зерен 4 - 7 мм, кг/м³                                                          1350

Мелкий заполнитель размером частиц 0 – 1 мм, кг/м³                                              90

Цемент СЕМ III/F 42,5 LA, кг/м³                                                                                  280

Полимерная эмульсия (50% твердых веществ), кг/м³                                                56

Вода, кг/м³                                                                                                          56

Крупная пористость достигалась посредством прерывистого гранулометрического состава заполнителя с очень низкой долей мелкого заполнителя. Наибольший размер зерен крупного заполнителя ограничен 7 мм для того, чтобы удовлетворить требования по уменьшению уровня шума. В качестве полимерной эмульсии использовали стирол-акриловый эфир (SAE) и сополимер бутадиен-стирол (SBR) с температурой пленкообразования соответственно 32 и 5°С. Для моделирования реальных рабочих условий в лаборатории были приготовлены композитные образцы по методу укладки цементобетонной смеси «свежий на свежий». Сначала укладывали слой из плотной цементобетонной смеси, а затем - из пористой. Интервал времени между укладкой слоев варьировался от 2 до 4 ч. Последующие испытания проводились на кернах, отобранных из этих образцов.

Модификация полимером позволила получить повышенную удобообрабатываемость смеси при увеличении отношения П/Ц. Повышение удобообрабатываемости пористого цементобетона происходит вследствие увеличения удобообрабатываемости цементно-полимерного раствора, которая обеспечивает улучшенное скольжение частиц заполнителя относительно друг друга. Однако при П/Ц выше 10% дальнейшего улучшения удобообрабатываемости не наблюдалось, так как при этом уменьшается толщина слоя этого раствора, который обволакивает заполнитель. Из-за этого происходит заклинивание зерен щебня при уплотнении цементобетонной смеси.

При повышении удобообрабатываемости пористой смеси улучшается уплотнение образцов и, следовательно, повышается плотность цементобетона.

Модификация полимером также влияет на механические свойства пористого цементобетона. Это происходит вследствие не только повышенной прочности цементно-полимерного камня на растяжение при изгибе и сдвиге, но и повышенной прочности сцепления зерен заполнителя и вяжущего. Уход на месте включает период влажного ухода путем укрытия полиэтиленовой пленкой и период сухого ухода под воздействием окружающих условий. Это необходимо для осуществления процессов полимеризации и гидратации цемента. В течение периода влажного ухода формируются гидраты цемента, а затем происходит образование пленки из полимерных частиц. Если период влажного ухода продолжается в течение нескольких дней, то эффект полимерной модификаций замедляется.

Прочность на растяжение при изгибе пористого цементобетона возрастала с повышением отношения П/Ц. Отношение П/Ц выше 5% было необходимо для получения в возрасте 28 сут прочности при изгибе, равной 4 МПа. Согласно расчету, прочность на растяжение при изгибе конструкции дорожной одежды должна быть 5,5 МПа для того, чтобы гарантировать расчетный срок службы 30 лет. Была установлена линейная зависимость между уплотняемостью и прочностью при сжатии. Рост прочности отмечался с увеличением отношения П/Ц за счет повышенных плотности образца, прочности при изгибе и сцепления вяжущего с заполнителем. Благодаря крупной пористости зерна заполнителя связываются с помощью небольших «мостиков» цементно-полимерного раствора.

Воздействие сжимающих нагрузок на образец приводит к росту прочности при изгибе, сдвиге и растяжении на «мостиках» этого раствора. Прочность при изгибе таких «мостиков» растет с увеличением отношения П/Ц, что ведет к повышению прочности при сжатии. Прочность сцепления между нижележащим плотным слоем и пористым цементобетоном зависит не только от отношения П/Ц, но также и от методов укладки обоих слоев. При применении метода «свежий на свежий» создается переходный слой, на поверхности которого пористость снижается от очень крупной, сравнимой с пористым цементобетоном, до мелкой, как в плотном цементобетоне. В случае более длительного временного интервала между укладкой двух слоев не удается получить их хорошее сцепление.

5.2. СТРУКТУРА ПОРИСТОГО ЦЕМЕНТОБЕТОНА

Для того, чтобы понять поведение пористого цементобетона в верхнем слое покрытия, были рассмотрены как макроскопические свойства (пористость и морфология), так и его микроскопическая структура. Это касается взаимодействия между полимерной пленкой и гидратами цемента и минеральным заполнителем, что определяет конечные свойства материала. Наряду с другими характеристиками именно повышенная адгезия между заполнителем и цементно-полимерным раствором обеспечивает достаточную прочность и долговечность, даже при высокой открытой пористости цементобетона.

Взаимодействие между этим раствором, заполнителем и крупными взаимосвязанными порами изучалось с помощью метода электронной микроскопии (SEM).

Структура пористого цементобетона изучалась на различных уровнях. Структура покрытия на макроуровне включает толщину слоев, ширину полос и уклон поверхности. На этом уровне были рассмотрены модели, изготовленные в лаборатории.

На мезоуровне различаются три фазы: заполнитель, цементно-полимерный раствор, в состав которого входит песок, и открытые поры. На этом уровне важно взаимодействие различных фаз.

На микроуровне рассматривается микроструктура цементно-полимерного раствора, изучается взаимодействие между полимерной пленкой и гидратами цемента.

На макроуровне внимание сосредоточено на применении пористого цементобетона в качестве верхнего слоя покрытия дороги. Толщина слоя определяется с учетом шумопонижающих способностей покрытия, которые зависят от скорости движения транспортных средств. В результате эксперимента [23] установлено, что оптимальная толщина верхнего слоя покрытия из пористого цементобетона составляет 40 мм, для городских дорог она должна быть принята равной 70 мм. Поскольку исследуемая опытная полоса была вне города, она имела толщину слоя 40 мм.

Для обеспечения бокового дренажа в направлении к лоткам необходимо было обеспечивать уклон в нижележащем слое, выполненном из непрерывно армированного цементобетона.

При укладке верхнего слоя из пористого цементобетона методом «свежий на свежий» обеспечивается хорошее сцепление между слоями, поскольку материалы этих слоев взаимно проникают друг в друга и образуют смешанную прослойку. В этой прослойке пористость варьируется от очень низкой (в самой нижней части пористого цементобетона), сравниваемой с пористостью плотного цементобетона, до очень высокой, сопоставимой с плотностью пористого цементобетона.

На рис. 8 представлено поперечное сечение двухслойного покрытия.

Рис. 8. Поперечное сечение покрытия:

1 - пористый цементобетон; 2 - плотный цементобетон; 3 - арматура

На мезоуровне (размер частиц от 10^-3 до 10^-1 м) можно различить три фазы: прерывистую фазу, содержащую заполнители; непрерывно распределенную фазу из цементно-полимерного раствора и фазу, формируемую порами. Последняя фаза содержит открытые поры, которые соединяются друг с другом по всей структуре цементобетона. Следовательно, ее можно рассматривать как непрерывную матрицу, объединенную с цементно-полимерным раствором.

Эти три фазы равномерно распределены в материале. Крупный заполнитель втапливается в цементно-полимерный раствор. Тесто образует тонкий слой вокруг заполнителей толщиной от 0,5 до 1,0 мм и связывает их вместе посредством «мостиков». Открытые поры объединяются с цементно-полимерным раствором (рис. 9).

Рис. 9. Вид цементно-полимерного «мостика» (1), объединенного с крупными открытыми порами (3), и заполнителя (2)

Идеально пористый цементобетон содержит достаточное количество раствора для формирования пленки вокруг зерен заполнителя и объединения их посредством «мостиков», но оно недостаточно для заполнения открытых пор между зернами заполнителя. Очевидно, что это значительно влияет на прочностные свойства цементобетона.

На микроуровне структура пористого цементобетона - это структура цементно-полимерного раствора. На этом уровне важным является взаимодействие между полимерной пленкой и заполнителем (рис. 10).

Рис. 10. Полимерная пленка (PF), соединяющая два зерна заполнителя А (увеличение в 1000 раз)

На предыдущем уровне внимание уделялось «мостикам» между заполнителями и обволакиванию зерен заполнителя тонкой полимерной пленкой. На этом уровне важным является взаимодействие между различными компонентами вяжущего и между этими компонентами и заполнителем.

Структура пористого цементобетона в качестве верхнего слоя покрытия является специфической по двум аспектам. Во-первых, присутствие крупных пор влияет на долговечность материала и, во-вторых, большое значение имеет поверхность раздела между плотным и пористым цементобетонами.

Вследствие присутствия крупных взаимосвязанных пор в пористом цементобетоне критическая степень водонасыщения понижается в значительной степени. Разрушение может произойти с момента, когда станет невозможной свободная миграция воды, т.е. когда мелкие поры блокированы на входе линзами льда, образующимися в крупных порах. С этого момента долговечность материала зависит от свойств цементно-полимерного раствора. Критическая степень насыщения тем ниже, чем больше открытая пористость [23].

Образование ледяных линз и разрушение цементно-полимерного раствора сравнимо с разрушением плотного цементного раствора или цементобетона. Присутствие полимерной пленки, повышение прочности при растяжении и уменьшение диаметра пор будет увеличивать морозостойкость пористого цементобетона. Если прочность при растяжении раствора возрастает от 5,7 МПа при П/Ц = 0% до 13,4 МПа при П/Ц = 15%, то диаметр поры, в которой напряжение вследствие льдообразования выше прочности при растяжении материала, уменьшается от 0,023 до 0,010 мкм. Снижение размера пор указывает на предполагаемое падение температуры замерзания для того, чтобы сделать возможным замерзание воды в этой поре, и, следовательно, на повышенное сопротивление циклам замораживания-оттаивания.

Структура на мезоуровне, представляющая собой переход между пористым и плотным цементобетонами покрытия, влияет на поведение пористого цементобетона при воздействии мороза и особенно противогололедных солей. Когда композитный образец подвергается воздействиям циклов замораживания-оттаивания без противогололедных солей, замораживание начинается на верхней его поверхности и медленно проникает в образец. Вследствие наличия крупных взаимосвязанных пор лед будет образовываться почти одновременно по всей толщине пористого цементобетона, когда температура опустится ниже 0°С. Давление, создающееся на этой фазе, очень мало. Если температура будет понижаться далее, вода начнет замерзать в более мелких капиллярных порах и давление в них возрастет. Благодаря модификации полимером прочность при растяжении цементно-полимерного раствора пористого цементобетона намного выше, чем прочность цементного раствора плотного цементобетонного покрытия. Это указывает на то, что в плотном цементобетоне покрытия поровая вода замерзает при более высоких температурах и создаваемое давление вследствие замораживания быстрее превысит прочность при растяжении цементного раствора, по сравнению с раствором, модифицированным полимером.

В связи с этим предполагается, что разрушение произойдет в прослойке между двумя слоями. О разрушении можно судить по потере прочности сцепления между слоями, а не по потере массы на поверхности образца.

В присутствии противогололедных солей ситуация меняется. Перед испытанием образец насыщается водой. Непосредственно перед началом первого цикла замораживания-оттаивания вода на поверхности и в открытых порах заменяется 3%-ным раствором хлорида натрия. Крупные поры полностью заполняются раствором, капиллярные и гелевые поры все еще содержат чистую воду. Вследствие различия в составе соль будет перемещаться в более мелкие поры и, следовательно, в них будут возникать напряжения, особенно в пористом цементобетоне, где крупные поры заполнены солевым раствором.

Исследование микроструктуры пористого цементобетона методом электронной микроскопии (SEM), подвергаемого замораживанию-оттаиванию на воздухе, было проведено на неповрежденных образцах для того, чтобы рассмотреть внешний вид полимерной пленки, а затем на образцах, подвергнутых испытанию на замораживание и оттаивание.

Исследовались поврежденные поверхности после испытаний в присутствии противогололедных солей и без них. Изучались образцы пористого цементобетона, а также образцы цементно-полимерного раствора. Последние имели ограниченную пористость. Это обеспечивало лучшее обволакивание и более четкое изображение поверхности раствора в микроскопе. В обоих случаях наблюдался аналогичный тип разрушения.

На рис. 11 показан вид образца пористого цементобетона, модифицированного 15% полимеров SBR и SAE, соответственно на поверхности распила и разрушенной поверхности.

Рис. 11. Поверхность пористого цементобетона:

а- поверхность распила до испытания (увеличение в 25 раз); б - после испытания (увеличение в 50 раз):
А - зерна заполнителя; М - вяжущее; Р - крупные поры;
1 - нарушение сцепления в растворе; 2 - разрушение вследствие нарушения сцепления между раствором и заполнителем

На поверхности распила (см. рис 11,а) четко виден слой, соединяющий две частицы заполнителя. Толщина этого слоя, согласно измерениям, очень ограничена и колеблется в диапазоне 0,4 - 0,7 мм. Толщина уменьшается с увеличением отношения П/Ц вследствие повышенной удобообрабатываемости цементно-полимерного раствора. На разрушенной поверхности видно действие «мостиков» цементно-полимерного раствора, а также взаимосмешение этого раствора и пор. На рис. 11,б показаны различия механизма разрушений после механических испытаний: разрушение вследствие нарушения сцепления (декогезии) в растворе и между заполнителем и раствором, в результате чего заполнитель остается непокрытым вяжущим, при этом имеются некоторые остатки вяжущего.

При высоком отношении П/Ц отмечается непрерывная пленка, соединяющая частицы заполнителя тонким слоем и «мостиками» (рис. 12).

Полимерная пленка проникает в мелкие трещины, имеющиеся на поверхности минерального материала. Это указывает на плотное сцепление между поверхностью заполнителя и полимерной пленкой, что повышает механические свойства пористого цементобетона. На основе исследований SEM невозможно решить, происходит ли химическое взаимодействие. Тот факт, что полимерная пленка является более плотной в переходной зоне, может указывать на предпочтительное размещение полимерной эмульсии в местах с более крупными порами, что является положительным для конечной прочности образца.

Микроструктура образцов, подвергнутых циклам замораживания-оттаивания, исследовалась на образцах в присутствии солей или без них. На образцах без воздействия солей каких-либо значительных различий на поверхности не обнаружено. Разрушения были в переходной зоне между пористым и нижележащим плотным цементобетонами. Отмечались мелкие трещины в материале, которые могли появиться при изготовлении образцов.

Рис. 12. Цементно-полимерный раствор с 20% SAE:

а - увеличение в 100 раз; б - увеличение в 2500раз

На рис. 13 показана поверхность пористого цементобетона, подверженная воздействию противогололедных солей.

Рис. 13. Цементно-полимерный раствор, подверженный воздействию противогололедных солей:

а - раствор с 10% SAE (увеличение в 2000 раз); б - раствор с 20% SBR (увеличение в 500 раз)

Как показали результаты анализа электронной рентгенографии (EDX), фаза C-S-H вяжущего преобразуется в чистый Са-фазу. Вследствие присутствия хлоридов в противогололедной соли происходит вытравливание цементирующей фазы. Это приводит к образованию Са(ОН)₂ и СаСl₂, которые затем удаляются водой. Этот тип разрушения обнаруживается в смесях всех составов и типов полимерной модификации независимо от отношения П/Ц. Хотя более высокое отношение П/Ц не изменяет механизм эрозии, но оно значительно влияет на степень разрушения поверхностного слоя. При небольшом количестве полимера (5% SAE) полимерная пленка имеет прерывистый характер, при увеличении количества полимера (до 20% SAE) образуется плотная непрерывная пленка по всему материалу. Однако это не всегда характерно для пористого цементобетона. Из-за наличия очень крупных пор его поверхность в большей степени подвержена разрушению при воздействии циклов замораживания-оттаивания. Следовательно, потеря массы была больше у пористого цементобетона, чем в цементно-полимерном растворе.

6. ТЕХНОЛОГИЯ УКЛАДКИ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПОРИСТОГО ЦЕМЕНТОБЕТОНА И ПРИМЕНЯЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Устройство покрытия из пористого цементобетона может производиться в один слой на водопроницаемый неукрепленный или укрепленный несущий слой, например, на гравийное и щебеночное основание или дренирующий слой из материала с гидравлическим вяжущим, или в два слоя - на плотный нижний слой, например, на традиционный или укатанный цементобетон, или асфальтобетон.

Укладка верхнего слоя из пористой цементобетонной смеси может быть выполнена методом «свежий на свежий» или «свежий на твердый» [23]. При применении метода «свежий на свежий» нижний слой покрытия из плотного (традиционного или непрерывно армированного) цементобетона устраивается с помощью укладчика со скользящей опалубкой. Спустя 2 - 4 ч, в зависимости от погодных условий, укладывается верхний слой из пористой цементобетонной смеси. Это обеспечивает хорошую адгезию (сцепление) между обоими слоями, поскольку пористая и плотная смеси взаимно проникают друг в друга и при этом образуют смешанную прослойку. В этой прослойке пористость варьируется от очень низкой, сравниваемой с пористостью плотного цементобетона, до очень высокой, сопоставимой с плотностью пористого цементобетона. Преимущество метода укладки «свежий на свежий» - хорошая адгезия между слоями. Недостатком такого метода является потеря пористости в нижней части слоя из пористого цементобетона. Это следует принимать во внимание при проектировании дорожной одежды, увеличивая толщину этого слоя.

Однако измерение уровня шума в полевых условиях показывает оптимальное состояние пористого цементобетона даже при пониженной пористости в подошве слоя. Ограниченный интервал времени между укладкой нижнего и верхнего слоев является также недостатком, поскольку это обуславливает все технические проблемы, связанные с укладкой пористой цементобетонной смеси при незакрытой полосе нижнего слоя из плотного цементобетона. С другой стороны, хорошее сцепление между слоями имеет очень важное значение для обеспечения высоких эксплуатационных показателей дорожной одежды.

По методу «свежий на твердый» пористая цементобетонная смесь укладывается на затвердевший нижний слой. Для обеспечения надлежащего сцепления между слоями необходимы предварительная подготовка нижнего слоя, например посредством струйной обработки, и дополнительно применение клеящего состава. Для этой цели часто используют полимерно-цементный шлам, который приготавливается в специальном смесителе с высокими оборотами для гомогенного перемешивания. Однако этот слой является слабым звеном работы дорожной одежды. Вследствие нарушения сцепления (декогезии) между пористым и плотным цементобетонами имеются разрушения. Предпринимались различные попытки изучения этого вопроса [23]. Во всех проектах главной причиной разрушений считается нарушение сцепления между слоями.

Преимуществом этого метода по сравнению с первым является независимость от временного интервала между укладкой нижнего и верхнего слоев. Это также означает, что требуется только один укладчик для выполнения работ, хотя для укладки слоя из пористой цементобетонной смеси могут потребоваться некоторые корректировки в оборудовании.

В Германии [5] первые опыты по распределению пористой смеси были проведены с использованием традиционного асфальтоукладчика, а затем - с применением асфальтоукладчика, оснащенного высокоуплотняющим брусом (рис. 14, 15).

Рис. 14. Асфальтоукладчик с высокоуплотняющим и распределяющим брусами и смеситель для приготовления клеящего состава

Рис. 15. Схема высокоуплотняющего бруса с агрегатами предварительного и последующего уплотнения:

1 - трамбовка; 2 - выглаживающий брус; 3 - первый прессующий груз; 4 - второй прессующий брус; 5 - выглаживающий брус

Уплотнение нижнего слоя из укатанного цементобетона производилось этим же укладчиком. Это характеризует способ строительства как рациональный и экономичный.

В качестве агрегата предварительного уплотнения пористого цементобетона высокоуплотняющий брус оборудовался трамбующим грузом со ступенчатым регулированием числа ударов и амплитудой от 2 до 8 мм и вибрационным заглаживающим брусом с частотой ударов 68 Гц и амплитудой от 0 до 5 мм. В качестве агрегатов последующего уплотнения использовали две прессующие колодки. Частота импульса от 50 до 70 Гц, а также давление пресса до 130 бар плавно регулируются. Для обеспечения ровности дополнительно установлен выглаживающий брус.

На основе большого количества возможных вариаций характеристик уплотняющего оборудования можно управлять содержанием пор в пористом цементобетоне.

Метод укладки с высокоуплотняющим брусом обеспечивает оптимальные продольную и поперечную ровности поверхности покрытия. Ровность на участке, измеренная 4-метровой рейкой, полностью обеспечена. При этом исключаются неровности, которые бывают при других способах укладки с уплотнением катками. Такая ровность и текстура верхнего слоя способствуют уменьшению шума. В этом случае шины автомобилей при качении на покрытии без неровностей не подвержены вибрации, и поэтому не возникают шумы.

Благодаря высокой упругости покрытия из пористого цементобетона, модифицированного полимером, могут устраиваться без швов [9]. В нижнем слое из плотного цементобетона должны нарезаться стандартные поперечные и продольные ложные швы. Как показал опыт, такие швы могут отражаться в пористом цементобетоне в виде тонкой трещины.

На опытном участке федеральной автомобильной дороги А5 на половине участка было предусмотрено устройство швов в виде насечек. Швы не были загерметизированы. При этом принимались во внимание ложные швы в нижнем слое из плотного цементобетона. На второй половине участка с пористым цементобетоном швы не нарезались. Точно над каждым вторым ложным швом нижнего слоя в пористом покрытии появлялась тонкая трещина.

На участке, где были нарезаны швы, после 19 месяцев эксплуатации появились проблемы, а участок без швов находился в хорошем состоянии. Открытые швы, в особенности в области следа колеса, из-за высокой динамической нагрузки (нагрузки сдвига) от движения тяжеловесных автомобилей перемещались. Покрытие в области шва было срезано на высоту насечки. Анализ повреждений показал, что причина этого заключается в технологии укладки: так, например, имели место простои при уплотнении и поэтому готовая смесь «передерживалась». Дефектные швы необходимо ремонтировать.

С помощью высокоуплотняющего бруса была достигнута хорошая продольная и поперечная ровность. При помощи планографа и поперечного профилографа были измерены неровности покрытия, которые составляли около 1 мм.

7. ОПЫТНЫЕ УЧАСТКИ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПОРИСТОГО ЦЕМЕНТОБЕТОНА

Для изучения свойств пористого цементобетона в покрытии в Бельгии был построен опытный участок под руководством дорожного отделения округа Flemish [23]. Укладка пористой цементобетонной смеси выполнялась методом «свежий на свежий». Опытный участок был частью опытного проекта с сопоставлением различных слоев покрытия по физико-механическим и экономическим характеристикам.

Опытный проект был утвержден в 1996 г. дорожными властями округа Flemish для исследования цементобетонных покрытий с точки зрения снижения шума. Опытные участки были построены на дороге № 225 общей протяженностью 3 км. На непрерывно армированный цементобетон (НАЦБ) толщиной 180 мм, были уложены четыре различных верхних слоя, каждый толщи ной 40 мм:

- пористый асфальтобетон с размером заполнителя 0/14 мм с дополнительной промежуточной прерывающей напряжение мембраной (SAM1);

- щебеночно-мастичный асфальтобетонный слой (ЩМАС) с размером заполнителя 0/14 мм;

- мелкозернистый цементобетон с размером заполнителя 0/7 мм;

- пористый цементобетон с размером заполнителя 0/7 мм.

Поперечное сечение покрытия на опытном участке показано на рис. 16.

Рис. 16. Поперечное сечение конструкции дорожной одежды с верхним слоем из пористого цементобетона:

1 - НАЦБ толщиной 180 мм; 2 - промежуточный слой из асфальтобетона типа IIIВ толщиной 40 мм; 3 - основание из тощего бетона толщиной 200 мм; 4 - песчаный слой толщиной 200 мм; 5 - дрена; 6 - тротуар; 7 - пористый цементобетон толщиной 40 мм

Укладка пористой цементобетонной смеси на НАЦБ выполнялась по методу «свежий на свежий». Слой из НАЦБ толщиной 180 мм был уложен с помощью укладчика со скользящей опалубкой на ширине 3,25 м. С интервалом времени от 2 ч до 4 ч 15 мин был распределен слой из пористой цементобетонной смеси укладчиком со скользящей опалубкой и вибробрусом вместо глубинных вибраторов. Ширина этого слоя составляла только 3 м. Таким образом, был получен лоток сбоку дороги для обеспечения надлежащего дренажа. НАЦБ укладывался с небольшим уклоном для обеспечения стока воды в лоток. После укладки пористой цементобетонной смеси использовался брус с высокой выглаживающей способностью для обеспечения ровной поверхности.

Ниже приведены характеристики пористого цементобетона на опытном участке.

Прочность при сжатии, МПа, на кубах

с ребром 158 мм в возрасте:

- 28 сут                                                                                                    26,0

- 90 сут                                                                                                    29,5

Прочность на растяжение при изгибе

в возрасте 28 сут на призме

100×100×400 мм, МПа                                                                          4,4

Прочность на растяжение

при раскалывании, МПа                                                                       3,9

Статический модуль упругости, МПа                                                  24200

Динамический модуль упругости, МПа                                              27200

Открытая пористость, %                                                                                   19

Механические свойства были сопоставимы с результатами, полученными на лабораторных образцах. Несмотря на то, что измеренная открытая пористость была меньше заданной, шумопоглощающие характеристики пористого цементобетона высокие. Кроме того, были проведены испытания ровности и шероховатости, результаты которых удовлетворяют требованиям безопасности движения.

Сравнение шумопоглощающей способности различных цементобетонных и асфальтобетонных слоев показало высокие акустические свойства пористого цементобетона, эксплуатационные характеристики и хорошую долговечность.

Стоимость строительства слоя из пористого цементобетона толщиной 40 мм была приблизительно в 1,4 раза ниже стоимости контрольного покрытия из плотного цементобетона (без стоимости содержания по очистке поверхности).

Однако применение пористого асфальто- и цементобетона в качестве верхнего слоя покрытия проблематично с точки зрения обеспечения долговременного сохранения крупной пористости. Пока поверхность покрытия остается чистой, отмечаются хорошие показатели снижения шума и дренажа. Однако, когда поры заполняются грязью, эти свойства быстро утрачиваются. Следовательно, важным аспектом является очистка поверхности. Это особенно касается случаев, когда движение по покрытию ограничивается медленно движущимися транспортными средствами. На автомагистралях поры частично очищаются вследствие всасывания воздуха при высоких скоростях движения легковых автомобилей.

В Японии в рамках программы «Дорожная конструкция с бережным отношением к окружающей среде» обсуждался вопрос о применении пористого цементобетона с точки зрения безремонтного содержания, отвода дождевой воды, долговечности и т.д. и был разработан и применен новый тип конструкции дорожной одежды из водопроницаемого цементобетона для строительства дорог с интенсивным движением [10].

Конструкция «гибридного» типа состояла из двух слоев: верхнего слоя покрытия из пористого цементобетона, который характеризовался достаточной ровностью, шероховатостью, водопроницаемостью и шумопоглощением, и нижнего слоя из водопроницаемого цементобетона с высокой несущей способностью. Схема конструкции представлена на рис. 17.

Рис. 17. Функции конструкции «гибридного» типа:

1 - охлаждение при испарении; 2 - проникание дождевой воды; 3 - дренаж; 4 - водопроницаемое цементобетонное покрытие «гибридного» типа; 5 - грунт, укрепленный цементом; 6 - земляное полотно, укрепленное цементом

Оба слоя водопроницаемые. Верхний слой несет функцию дорожного покрытия, а нижний слой - конструктивную и водопроницаемую функции. Слои укладывали по методу «свежий на свежий». Верхнюю часть земляного полотна примерно на глубину 150 мм укрепляли цементом для предотвращения возможной эрозии от просачивающейся дождевой воды.

Для обеспечения функции удержания воды в слоях дорожной одежды коэффициент водопроницаемости каждого слоя должен снижаться последовательно. Непрерывное испарение воды может поддерживать функцию ограничения так называемого «острова теплого воздуха» вдоль дороги. Водопроницаемый желоб устраивается для того, чтобы дождевая вода просачивалась в окружающий грунт.

Требования к цементобетону и составу смеси приведены в табл. 7.

Таблица 7

Характеристики состава пористого цементобетона

Примечание. В знаменателе даны расходы цемента и щебня на опытных участках.

Для приготовления смесей применяли быстросхватывающийся портландцемент (в верхнем слое с заменой 17% цемента золой уноса), мелкий заполнитель из доменного шлака, щебень с наибольшим размером зерен 20 мм в верхнем слое и 13 мм - в нижнем слое и суперпластифицирующую добавку.

Конструкция «гибридного» типа была применена при строительстве Линии национальной автомагистрали № 155 (участок № 1 в августе 2000 г) при расчетной интенсивности движения более 3 тыс. авт./сут и Линии Аньо - Микава автомобильной дороги префектуры Аихи (участок № 2 в марте 2001 г.) для расчетной интенсивности движения 1 - 3 тыс. авт./сут.

Ниже приведены слои дорожной одежды на двух участках.

Участок № 1             Участок № 2

Пористый цементобетон толщиной, мм                                 100                             80

Водопроницаемый

пористый цементобетон

толщиной, мм                                                                             220                             220

Грунт, укрепленный

цементом, толщиной

слоя, мм                                                                                       150                             150

Земляное полотно,

укрепленное цементом,

толщиной слоя, мм                                                                    150                             500

Нижний и верхний слои покрытия укладывали и выравнивали асфальтоукладчиком, а затем укрывали. Чтобы эти два слоя объединить, поверхность нижнего слоя предварительно разрыхляли кирковщиком, присоединенным к отделочной машине, до начала твердения цементобетона, и затем укладывали и выравнивали верхний слой. После завершения первоначального выдерживания цементобетона, поверхность накрывали матами и смачивали.

Оценка конструкции и эксплуатационные характеристики покрытия на автомагистральных дорогах даны в табл. 8.

Таблица 8

Оценка эксплуатационных характеристик

Результаты испытаний показали, что дорожная конструкция гибридного типа и технология ее строительства обеспечивают требуемые эксплуатационные характеристики.

8. СТРОИТЕЛЬСТВО ПОРИСТЫХ СЛОЕВ ПОКРЫТИЯ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

В Японии была сделана попытка применить пористый цементобетон не только в покрытиях на всю толщину слоя при строительстве новых дорог, но и для устройства тонкого слоя усиления при проведении восстановительных работ. Шумопоглощающие покрытия все больше рассматриваются в качестве перспективной технологии с точки зрения экологии.

Пористый цементобетон, который при высокой пористости (15 - 20%) обладает такой же высокой прочностью на растяжение при изгибе, равной 4,5 МПа, как и плотный цементобетон, должен иметь водопроницаемость более 10² см/с [14]. С использованием этого материала были построены в опытном порядке покрытия на полную толщину слоя на новых дорогах.

Кроме того, были уложены тонкие пористые цементобетонные слои усиления при проведении восстановительных работ, для того чтобы придать существующим цементобетонным покрытиям такие дополнительные функции, как снижение шума и дренаж. Предполагается, что «сцепленные» цементобетонные слои усиления являются экономичными, времясберегающими и позволяющими устраивать более тонкие покрытия.

Пористые цементобетонные покрытия на всю толщину слоя

Конструкция дорожной одежды с пористым цементобетонным покрытием толщиной 20 см, которая используется при проектировании дорога со средней интенсивностью движения, приведена на рис. 18. Строительство производилось в ноябре-декабре 1999 г. и 2000 г. Было построено пять участков общей площадью 3700 м². Последовательность строительства представлена на рис. 19.

Рис. 18. Схема конструкции дорожной одежды с пористым цементобетонным покрытием;

1 - основание, укрепленное цементом, толщиной 20 см; 2 - асфальтобетонный промежуточный слой толщиной 4 см; 3 - пористый цементобетон толщиной 20 см; 4 - тротуар; 5 - шов

В табл. 9 приведены эксплуатационные показатели пористого цементобетона. После 1 - 3 лет с момента открытия движения по дороге состояние поверхности покрытия хорошее.

На некоторых участках имеется небольшое трещинообразование. Диагональные трещины могли образоваться вследствие низкой несущей способности продольного шва, а продольные - вследствие сегрегации уложенных материалов.

По сравнению с покрытием из плотного асфальтобетона пористые цементобетонные покрытия позволяют снизить уровень шума на 3 - 5 дБ при применении заполнителя с максимальным размером зерен 13 мм и на 5 - 7 дБ - при использовании заполнителя с максимальным размере зерен 5 мм.

Дренирующая способность пористого цементобетона после открытия движения по дороге снижается быстрее, чем асфальтобетона.

Рис. 19. Метод строительства дорожной одежды с покрытием из пористого цементобетона

Таблица 9

Эксплуатационные показатели пористого цементобетона

Примечания: 1. По сравнению с соседним участком из плотного асфальтобетона.

2. Отношение дренирующей способности пористого цементобетона к дренирующей способности пористого асфальтобетона.

Использование тонкого слоя из пористого цементобетона при восстановительных работах

В Японии разработан план, в котором предусматривается, что все покрытия скоростных дорог будут заменены в будущем покрытиями с высокими дренажными свойствами для обеспечения комфорта и безопасности движения. Покрытия на площадках сбора платы за проезд должны быть цементобетонными, поскольку они подвергаются воздействию сильного торможения транспортных средств и утечки масел. В связи с этим для экономичной замены существующего плотного цементобетонного покрытия в качестве предпочтительного варианта рассматриваются тонкие пористые цементобетонные слои усиления [14], опыт применения которых уже имеется в Европе. Ускоренные испытания слоев в лабораторных условиях показали, что в пористом цементобетоне не развивается колееобразование, и он характеризуется более высокой износостойкостью при воздействии автомобильных шин с цепями по сравнению с пористым асфальтобетоном.

Важнейшим фактором при применении слоев усиления является сцепление. Для получения хорошего сцепления между пористым цементобетоном и покрытием из плотного цементобетона осуществляется струйная обработка существующей поверхности под давлением с целью обнажения зерен заполнителя, и затем наносится связующий цементный раствор перед укладкой пористого цементобетонного слоя. Полученная прочность сцепления составляла более 1 МПа, что соответствует требованиям нормативных документов в Японии.

На основе этих лабораторных испытаний в октябре 1999 г. был проведен первый эксперимент на участке сбора платы за проезд по скоростной дороге. Этот участок имел пять полос движения, ширина и протяженность которых составляла соответственно 5 и 60 м. Толщина нижележащего цементобетонного покрытия была равна 20 см. Сначала была проведена струйная обработка поверхности стальными элементами для обнажения заполнителя (3 раза). Непосредственно после укладки слоя толщиной 2 мм из связующего раствора был уложен слой пористого цементобетона толщиной 5 см с наибольшей крупностью заполнителя 10 мм и уплотнен асфальтоукладчиком. Полученный таким образом поверхностный слой обладал хорошими дренажными характеристиками и прочностью сцепления. Затем эта технология была применена на восьми участках сбора платы за проезд. На некоторых из них использовали быстротвердеющий пористый цементобетон.

Пять участков сбора платы за проезд были выбраны в качестве экспериментальных для проведения восстановительных работ. Существующее покрытие представляло собой армированное цементобетонное покрытие толщиной 25 см со швами и штырями. Были проведены следующие работы:

- холодное фрезерование на толщину 5 см;

- струйная обработка каменной мелочью;

- укладка слоя цементного раствора толщиной 2 мм;

- укладка слоя пористого цементобетона толщиной 5 см.

При выполнении работ необходимо было решить следующие вопросы:

- выбор метода строительства с учетом ограниченного времени закрытия движения;

- быстрый набор прочности пористым цементобетоном;

- контроль набранной прочности с помощью неразрушающего метода.

Поскольку до этого времени не было возможности применить быстротвердеющий пористый цементобетон нужно было также решить вопрос, который заключался в наборе им проектной прочности в короткий промежуток времени при пониженных температурах окружающего воздуха. После многочисленных проб и ошибок были выбраны три состава цементобетонной смеси с заданной пористостью 16,5%: 1 - с высоким ранним набором прочности; 2 - с ультравысоким ранним набором прочности и 3 - с ультрабыстрым твердением (табл. 10).

Поскольку строительство планировалось проводить зимой, внимание уделялось влиянию температуры ухода на прочность цементобетона. Приготовление образцов выполнялось в помещении с контрольной температурой 20°С, а выдерживание - с соблюдением трех условий:

- при низкой температуре (5°С) и относительной влажности 70%;

- при стандартной температуре (20°С) и относительной влажности 80%;

- при высокой температуре (30°С) и относительной влажности 70%.

На рис. 20 приведен пример влияния температуры ухода на прочность на растяжение при изгибе пористого цементобетона с ультравысоким ранним набором прочности (см. табл. 10, состав 2). Как видно из этого рисунка, при высокой и стандартной температурах цементобетон достигал расчетной прочности в возрасте 1 сут, а при низкой температуре для этого требовалось 14 сут.

Таблица 10

Составы пористых цементобетонных смесей и результаты испытания образцов, приготовленных на месте производства работ

* Цемент со специальной добавкой.

Рис. 20. Влияние температуры ухода на прочность пористого цементобетона состава 2 (общая пористость 18%):

1 - расчетная прочность при изгибе, равная 4,5 МПа; 2 - низкая температура; 3 - стандартная температура; 4 - высокая температура

Последовательность метода строительства слоя усиления из пористого цементобетона представлена на рис. 21. Перемешивание смеси осуществлялось в автобетоносмесителе (типа Batch, максимальный объем замеса 1 м³), поскольку время схватывания было очень коротким. Для поддержания температуры ухода в зимнее время применялись синтетические маты на пластиковой основе.

Строительство было успешно осуществлено без каких-либо помех, несмотря на холодную погоду. Результаты, приведенные в табл. 10, показывают, что прочность на растяжение при изгибе и прочность сцепления при сдвиге после осуществления ухода были выше запланированных значений.

При проведении восстановительных работ по укладке слоя усиления было необходимо открытие движения в ранние сроки. В связи с этим прочность сцепления следует определять на месте производства работ. Для ее оценки была изучена возможность применения концепции созревания бетона.

Рис. 21. Метод строительства цементобетонного слоя усиления

На рис. 22 представлена зависимость между прочностью при изгибе и временем эффективного ухода, эквивалентным времени стандартного ухода для созревания цементобетона. Прочность сцепления на месте производства работ может быть вычислена ориентировочно на основе измерений температуры цементобетона в плите.

Обычно прочность сцепления на месте производства работ проверяется путем проведения испытаний на отрыв или на растяжение на отобранных кернах. Поскольку эти испытания не приемлемы при работах по восстановлению покрытия, требуется разработать неразрушающий метод оценки.

Рис. 22. Зависимость между временем эффективного ухода и прочностью при изгибе цементобетона состава 2:

1 - требуемая прочность, позволяющая открывать движение; 2 - стандартный уход; 3 - уход на месте производства работ

На основе ряда лабораторных экспериментов установлена хорошая корреляция между сцеплением при растяжении и сцеплением при сдвиге на поверхности раздела [14], а также между прочностью при сжатии связующего цементного раствора и прочностью сцепления при сдвиге (рис. 23). Так как прочность зависит от зрелости цементобетона, то сцепление при растяжении может быть определено посредством почасового измерения температуры на поверхности раздела.

Рис. 23. Зависимость между прочностью при сжатии связующего цементного раствора и прочностью сцепления при сдвиге на поверхности раздела

Через 1,5 года после открытия движения каких-либо проблем с нарушением сцепления или трещинообразования на участках дороги не отмечалось, дренирующая способность сохраняется, но вблизи пунктов сбора платы за проезд обнаружены забивка пор и отполированность покрытия.

По результатам экспериментальных работ сделаны выводы, что метод строительства покрытия из пористого цементобетона на полную его толщину может быть применен в дальнейшем.

Что касается уменьшения шума при воздействии колес автомобиля на пористый цементобетон, которое в настоящее время составляет 3 - 7 дБ, то оно аналогично снижению на плотном асфальтобетонном покрытии.

По сравнению с пористым асфальтобетоном дренирующая способность пористого цементобетона имеет тенденцию понижаться более быстрыми темпами. В связи с этим необходимо разработать метод проектирования смеси с более высокой пористостью, а также эффективную методику восстановления дренирующей способности пористого цементобетона.

Установлено, что быстротвердеющий пористый цементобетон и связующий цементный раствор можно применять на практике для устройства слоя усиления.

Эта технология может быть использована для восстановления или создания дренирующих или шумозащитных свойств на существующих плотных цементобетонных покрытиях.

Прочность и сцепление могут быть оценены в зрелом цементобетоне. Следовательно, можно определить время открытия движения транспортных средств без проведения разрушающих испытаний.

9. ШУМОПОГЛОЩАЮЩИЕ СВОЙСТВА ПОРИСТОГО ЦЕМЕНТОБЕТОНА

На протяжении многих десятилетий осуществляется строительство цементобетонных автомагистралей с высокими эксплуатационными показателями и долговечностью. Тем не менее необходимо их совершенствование в связи с увеличением объема движения, а также с изменением требований по экологии и экономике. Для разработки шероховатых малошумных цементобетонных покрытий автомагистралей, сохраняющих эти качества в течение длительного периода времени, в 1994 г. был разработан Европейский проект исследований, в котором определено участие исследовательских учреждений и дорожностроительных фирм нескольких стран, в том числе Германии [13].

Постоянно возрастающая интенсивность движения транспортных средств и распространение возникающего при проезде автомобиля шума создает неудобства для пользователей дорогой и жителей, проживающих рядом с дорогами и улицами. Шумы от движения транспортных средств являются одной из наиболее распространенных форм загрязнения окружающей среды. При максимальных значениях они могут стать причиной возникновения проблем со здоровьем у людей.

Идея поиска бесшумного дорожного покрытия из цементобетона возникла в Европе 30 лет назад. В настоящее время в европейских странах используются два метода создания шумопоглощающих цементобетонных покрытий: текстурирование поверхностного слоя путем обнажения заполнителя и применение крупнопористого (дренирующего) цементобетона.

Влияние поверхности дороги на распространение шума

Распространение шума от движения транспортных средств происходит, в основном, от двух источников: шума качения колес автомобиля по покрытию дороги и шума привода автомобиля. Шум качения при скорости более 50 км/ч доминирует, и он может быть уменьшен путем оптимизации текстуры поверхности или создания «тихих» шин. Текстура поверхности охватывает спектр длин волн от нескольких микрометров до нескольких дециметров, а именно микротекстуру с длиной волн до 0,5 мм; макротекстуру от 0,5 до 50 мм и мегатекстуру от 50 до 500 мм.

Для возникновения шума качения имеются две причины: с одной стороны, мегашероховатость (зона длины волн от 50 до 500 мм) дорожной поверхности, которая ведет к низкочастотным колебаниям шин, к дребезжанию, с другой стороны, при очень малых макро- и мегашероховатостях воздух в опорной площади шины сжимается и исчезает при прокатывании (выплески воздуха). От этого возникают высокочастотные колебания, свист и шипение.

Установлено, что с учетом этих причин необходимо стремиться к созданию поверхности со следующей текстурой: верхние точки покрытия должны лежать на одной плоскости, чтобы минимизировать возбуждение колебаний шины. Расстояние между этими точками должно составлять менее 10 мм, между ними должны быть узкие каналы, чтобы обеспечить утечку воздуха. Кроме того, дополнительные пустоты в дорожной поверхности вследствие звукопоглощающего воздействия могут ослаблять распространение шума от привода и качения и предотвращать сжатие воздуха в опорной поверхности шины.

Благодаря оптимизации поверхности плотного цементобетона и созданию дренирующего цементобетона с открытой пористостью делаются попытки создания таких структур на практике. Предполагалось, что вследствие абсорбционной способности пористые поверхностные слои значительно тише, чем плотные водонепроницаемые поверхности. Для оценки текстуры дорожной поверхности и сравнения уровня шума были построены экспериментальные участки покрытия, как часть обширных экспериментов, выполняемых по Европейскому проекту исследований в исследовательском институте цементной промышленности Германии [2, 9, 18, 19, 25].

В частности, был построен опытный участок, на котором бесшовный слой из пористого цементобетона толщиной 8 см, включающий высококачественный щебень размером зерен 5/8 мм, был уложен на уже затвердевший нижний слой из плотного цементобетона с помощью модифицированного асфальтоукладчика. Для улучшения сцепления между плотным и пористым цементобетонами был устроен слой сцепления (смесь цемента и полимерной эмульсии). В этом случае была достигнута пористость 26% по объему.

Результаты, полученные при проведении измерений в рамках различных исследовательских проектов, в отношении текстуры, шероховатости и уровня шума, создаваемого колесами автомобиля при проезде по покрытию, были оценены по трехбалльной шкале оценок. Средняя глубина текстуры служит критерием макротекстуры; остроугольные выступы характеризуют микротекстуру.

В табл. 11 приведены оценки поверхностей с изотропным типом текстуры, к которому относится поверхность пористого цементобетона (изотропами называют текстуры, которые являются одинаковыми во всех направлениях).

Таблица 11

Шкала оценок изотропных поверхностей

Примечание. 1 - очень хорошо; 2 - хорошо; 3 - удовлетворительно.

Как видно из табл. 11, плотный цементобетон с обнаженным заполнителем является наиболее благоприятным как с точки зрения обеспечения шероховатости, так и снижения уровня шума. Благодаря своей шумопоглощающей способности и чрезвычайно ровной поверхности покрытие из пористого цементобетона также является одним из самых малошумных, обеспечивающих при этом достаточную шероховатость.

Поверхность с россыпью каменной мелочи обеспечивает наилучшую шероховатость из всех описываемых поверхностей. Уровень шума в значительной степени зависит от ровности распределения каменной мелочи.

Распространение шума качения по покрытию измерялось методом проезда со скоростью 120 км/ч. Значения уровня шума в пористом цементобетоне (78 - 83 дБ) имеют такой же порядок величин, как и в дренирующем асфальтобетоне (78 - 84 дБ).

Последние результаты исследований, выполненных в Германии [8], показывают, что изотропные поверхности с профилем, состоящим в большей или меньшей степени из «плоскости с выступами» (например, поверхности укатываемого асфальтобетона), обладают наибольшим потенциалом уменьшения шума по сравнению с профилем «пики и впадины».

Пористая цементобетонная поверхность обладает текстурой «плоскость с выступами». Более того, пористый цементобетон частично абсорбирует шум от движения колес автомобиля по проезжей части дороги, таким образом обеспечивая в большей степени снижение шума по сравнению с плотным цементобетоном.

Результаты исследования влияния текстуры проезжей части на уровень шума показывают, что потенциал его снижения составляет приблизительно 4 дБ (А) от среднего уровня. Задача исследований состоит в том, чтобы за короткий срок уменьшить уровень шума на 3 дБ (А) и в долговременной перспективе - на 5 дБ (А).

Имеющийся практический опыт

В работе [5] приведены следующие данные в отношении шумопоглощающей способности пористого цементобетона.

1. При содержании пустот около 25% по объему было достигнуто высокое снижение уровня шума.

Через два года после строительства уровень шума на опытном участке федеральной дороги А5 был снижен в пористом цементобетоне по сравнению с плотным цементобетоном на 7 дБ (А) при создании текстуры с помощью мешковины при проезде грузовых автомобилей со скоростью движения 80 км/ч и на 4,3 дБ (А) - при проезде легковых автомобилей со скоростью движения 120 км/ч.

Это соответствует снижению энергии звука от проезда грузовых автомобилей на 83%, легковых автомобилей - на 59,3%.

Следовательно, уровень шума на покрытии из плотного цементобетона выше, чем на покрытии из пористого цементобетона.

В дорожном шуме при частоте примерно 1000 - 2500 Гц снижение шума для грузовых автомобилей составляло около 10 дБ (А) и для легковых - около 6 дБ (А). На рис. 24, 25 представлены характеристики шума, создаваемого при проезде грузовых и легковых автомобилей по поверхностям пористого цементобетона и плотного цементобетона, текстура которого обработана мешковиной.

2. В покрытии из пористого цементобетона толщиной 8 см была достигнута высокая абсорбция звука в области частот от 100 до 10000 Гц (см. рис. 25). На опытном участке федеральной дороги А5 средняя степень абсорбции после двух лет эксплуатации составляла 36,6%.

В чувствительной области частот для человеческого уха между 800 и 1600 Гц покрытие абсорбирует до 80% таких частот.

Высокая степень абсорбции является признаком открытого порового пространства и хорошо функционирующего дренажа на опытном участке.

10. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРИСТОГО ЦЕМЕНТОБЕТОНА

При строительстве покрытий из пористого цементобетона можно получить несколько экологических преимуществ в отношении защиты от шума, загрязнения и воды.

В работе [9] отмечены следующие характеристики пористого цементобетона:

1. Снижение шума от колес автомобилей при движении по дороге:

- уменьшение давления звука свыше 5 дБ (А);

- высокая абсорбция звука (до 98% в критической области частот).

2. Высокая безопасность движения на сухой и влажной поверхности покрытия:

- отсутствие аквапланирования;

- отсутствие выбросов воды и грязи из-под колес автомобилей;

- хорошая шероховатость;

- высокие отражающие свойства.

Рис. 24. Сравнение результатов измерения давления звука на пористом цементобетоне и на плотном цементобетоне с текстурой, созданной мешковиной, при проезде легковых автомобилей при скорости 120 км/ч и грузовых автомобилей при скорости 80 км/ч:

 - пористый цементобетон;

 - плотный цементобетон

Рис. 25. Степень абсорбции звука для пористого цементобетона на щебне размером зерен 5/8 на федеральной дороге А5 (средняя величина абсорбции 36,6%)

3. Эффективная структура поверхности проезжей части:

- исключение необходимости в установке предупреждающих указателей, улучшение стока воды с поверхности;

- снижение риска наводнения и избежание таким образом высокого материального ущерба и издержек на ремонт;

- хорошее формирование грунтовых вод и одновременно незначительное их загрязнение;

- повышенное испарение, которое улучшает условия для жизни людей, животных и растений.

Из-за хороших термических свойств нагрев слоя покрытия в летнее время значительно уменьшается.

Относительно светлое покрытие в темное время суток способствует повышению безопасности движения.

Открытая пористая структура цементобетона благоприятно влияет на отражающие свойства поверхности проезжей части, т.е. уменьшается опасность ослепления водителей из-за эффекта отражения.

Из-за отсутствия разбрызгивания можно как положительный фактор оценить существенно уменьшенное загрязнение дорожных указателей и управляемых устройств автомобилей.

При зимнем содержании растительность вдоль дороги сохраняется, так как противогололедные средства отводятся через покрытие вниз и таким образом не переносятся в виде выбрасываемого тумана через край дороги.

По выполненным расчетам в работе [9] приводятся сведения о том, что двухслойный способ строительства покрытий с пористым цементобетоном по затратам сравним с технологией строительства покрытий из дренирующего асфальтобетона.

По сравнению с плотным цементобетонным покрытием толщиной 26 см в зависимости от конструкции двухслойного покрытия (укатанный цементобетон или плотный цементобетон толщиной 18 см и пористый цементобетон толщиной 8 см с приклеиваемым ковриком) следует ожидать дополнительные затраты порядка 20 - 35%.

Но если дополнительные затраты сопоставить с затратами на применение других шумозащитных мероприятий, таких, как шумозащитные стенки (щиты) или насыпи (валы), рассматриваемый способ строительства является более экономичным.

Затраты для однослойного способа строительства покрытия из пористого цементобетона зависят существенным образом от состава смеси, а также от толщины и площади слоя. Например, для слоев покрытия из пористого цементобетона, модифицированного полимером, толщиной 8 и 20 см, распределяемого укладчиком, затраты составляют соответственно 30 и 75 нем. марок на 1 м², для пористого цементобетона без добавки полимера - соответственно 12 и 30 нем. марок на 1 м².

Преимущественно слой из пористого цементобетона при однослойном или двухслойном способе строительства назначается там, где необходимо решать проблему снижения дорожного шума или повышения безопасности движения, или удаления воды с проезжей части дороги.

С помощью пористого цементобетона могут быть укреплены дороги всех категорий. Наряду с общественными дорогами им могут быть укреплены также частные площади, например, площадки дворов, парков и остановок, а также площади выставок.

На дорогах с небольшими нагрузками пористый цементобетон может быть применен также в виде готовых элементов в форме плит большой площадью или водопроницаемых элементов мощения.

Пористый цементобетон также был апробирован при строительстве на месте производства работ и изготовлении готовых элементов (в качестве абсорбента на мостовой).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дренирующий и шумопоглощающий пористый цементобетон разработан на экологической основе в качестве современного инновационного дорожного покрытия. Он выполняет в полном объеме основные современные требования к конструкции дорожной одежды и технологии строительства, которыми являются:

- снижение уровня шума (на 3 - 5 дБ (А) и абсорбция звука;

- высокая безопасность движения на влажной и сухой поверхности;

- эффективная структура поверхности покрытий всех типов;

- рациональный, экономичный и экологичный способ строительства.

Пористый цементобетон может применяться в верхнем (слой износа) и нижнем слоях дорожных покрытий. Благодаря высокой пористости он обеспечивает хорошие шумопоглощающие свойства и дренирующую способность в сочетании с шероховатостью, ровностью и поперечным трением.

Для применения в слоях покрытия дорог с тяжелым интенсивным движением разработаны составы цементобетона с прочностью на растяжение при изгибе порядка 4,0 - 4,5 МПа и высокой морозо- и солестойкостыо.

Экспериментальными исследованиями установлено, что прочность и пористость пористого цементобетона увеличиваются при уменьшении максимального размера тонкодисперсных частиц при одном и том же зерновом составе крупного заполнителя. Тип добавки полимера также влияет на его прочность. Добавка полимера способствует увеличению прочности на растяжение при изгибе и не оказывает значительного влияния на прочность при сжатии, не улучшает предел прочности на отрыв (механические воздействия) и уменьшает динамический модуль упругости. На морозо- и морозосолестойкость пористого цементобетона значительно влияет тип полимера. Модификация цементного раствора полимером повышает прочность при изгибе, а также прочность сцепления между заполнителем и вяжущим, без снижения общей пористости. Применение полимеров удорожает строительство, и всегда нужен разумный компромисс между увеличением расхода цемента и удорожанием за счет введения полимера.

Добавка микрокремнезема не оказывает существенного влияния на прочность пористого цементобетона, хотя она и улучшает его прочность при замораживании-оттаивании.

На водопроницаемость пористого цементобетона при одинаковой пористости влияет зерновой состав тонкодисперсных фракций.

В основании дорожной одежды применяется пористый цементобетон с содержанием пустот не менее 15% по объему, средней прочностью при сжатии не менее 15 МПа и водопроницаемостью не менее 10^-3 м/с.

Полученные на опытных участках результаты показывают хорошие акустические свойства пористого цементобетона, высокие эксплуатационные показатели и долговечность.

Строительство слоев дорожной одежды из пористого цементобетона соответствует экологическим требованиям в отношении защиты от шума, загрязнения и воды.

Стоимость строительства слоя из пористого цементобетона толщиной 40 мм (без учета стоимости содержания по очистке его поверхности) была приблизительно в 1,4 раза ниже стоимости слоя из плотного цементобетона.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильина А.А. Дренирующий асфальтобетон и его работоспособность в системе поверхностного водоотвода с автомобильных дорог // Автомоб. дороги: Науч.-техн. информ. сб. / ГП « Информавтодор». - М., 2002. - Вып. 3. - С. 41-47.

2. Eickschen E., Siebel E. Dauerhaftigkeit von Dranbeton für Betonfahrbahndecken // Forschung Strassenbau und Strassenverkerstechn. - 1998. - № 764. - S. 1-29.

3. Antonio d'Andrea. Progress in Concrete Road Materials and in the Construction Processes: 8-th International Symposium on Concrete Roads, 13-16 September 1998, Lisbon-Portugal. Theme II. General report 2/1. - Lisbon, 1998. - P. 56.

4. Kohout O. Betonfahrbahndecken mit larmmindernder Oberflache in Wien // Strasse + Autobahn. - 1994. - 45, № 4. - S. 214, 216.

5. Erste Erprobungsstrecke fur Fltisterbeton // Strasse und Tiefbau. - 1995. - 49, № 1. - S. 28.

6. Eickschen E., Siebel E. Drain-HGT als wasserdurchlassige Tragschicht im Verkehrswegebau. Technologische Untersuchungen // Strape und Autobahn. - 1994. - 45, № 4. - S. 193-199.

7. Birmann D. HGT als wasserdurchlassige Tragschicht im Verkehrwegebau // Strasse + Autobahn. - 1994. - 45, № 4. - S. 200-204, 209.

8. Alejandro Josa, Carlos Jofre, Antonio Aguado, Eberhard Eickschen, Erik Onstenc. Etude experimental et analyse stracturelle de betons poreus pour couches de roulement de chaussees en beton de ciment // Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussees. - 1997. - № 208. - P. 13-15.

9. Siegfried Riffel. Deckschichten aus Dranbeton - eine ökologische Bauweise // Strape + Autobahn. - 1996. - № 11. - S. 653-659.

10. Mamora Kagata, Takayoshi Kodama, Takeyuki Kimijima, Tetsuo Kobayashi. Development and Application to the Test Pavements in the Real way of Eco-friendly Hybrid Type Permeable Concrete Pavement: 9-th International Symposium on Concrete Roads, 4-7 April 2004, Istanbul, Turkey. Theme 4. Safety - Environment - Low noise concrete. - Istanbul, 2004. - P. 27-34.

11. Krieger В., Sulten P. Stand der Entwicklung von larmarme Betondecken // Strape und Autobahn. - 1999. - № 9. - S. 492-496.

12. Bollati Pato M. Pavimentos de Hormigon poroso de altas prestaciones como capa de rodadura para trafico pesado // Gem, - hormigon. - 1997. - 68, № 774. - P. 980-992.

13. Siebel E., Eickschen E. Eberhard Siebel, Eberhard. Larmarme Betonfahrbahndecken - ein europaisches Forschungsprojekt // Strafe und Autobahn. - 1995. - № 11. - S. 658-662.

14. Daiki Nakahara, Etsuro Noda, Katsura Endo, Satoshi Kajio, Katsutoshi Ichikawa. Utilization of Pavement Quality Porous Concrete and its performance: 9-th International Symposium on Concrete Roads, 4-7 April 2004, Istanbul, Turkey. Theme 4. Safety - Environment - Low noise concrete. - Istanbul, 2004. - P. 35-40.

15. Kajio Satoshi, Ichikawa Katsutoshi, Obatake Akira, Satou Tatsuzou, Ohmori Hiroshi. Taiheiyo semento kenkyu hokoku // J. Res. Taiheiyo Cement Corp. - 2001. - № 140. - P. 67-76.

16. Toru Suzuki, Masahiro Yahhiro, Hiroji Kozeki, Makoto Kagaya, Hiroshi Tokuda. Considerations on Consistency Test and Properties of porous concrete for Pavement: 9-th International Symposium on Concrete Roads, 4-7 April 2004, Istanbul, Turkey. Theme 2. Materials for concrete Pavements. - Istanbul, 2004. - P. 93-100.

17. Beton drainant a Paris: silence, adherence, erodabilite elevee // Chant, fn. - 1990. - № 228. - S. 50-51.

18. Siegfried Huschek. Safety and Environment: 8-th International Symposium on Concrete Roads, 13-16 September 1998, Lisbon - Portugal. Theme V. General report. - Lisbon, 1998. - P. 89-100.

19. Flustesbeton - ein aktiver Beitrag zum Larmschutz // Tiefbau-Berafgenoss. - 1995. - 107, № 3. - S. 238.

20. Восстановление пористости дренирующих покрытий // Автомоб. дороги: Информ. сб. / Информавтодор. - М., 1995. - Вып. 12. - С. 23-24.

21. Власовский В. Крупнопористый бетон в дорожном основании. - Сер. На стройках России. - 1985. - № 6. - С. 51.

22. Eickschen E., Siebel E. Dauerhaftigkeit von Dranbeton fur Betonfahrbahndecken // Beton. - 2000. - № 7. - S. 421-424.

23. Anne Beeldens, Dionys Van Gemert, Chris Caestecker. Porous concrete / Laboratory versus field experience: 9-th International Symposium on Concrete Roads, 4-7 April 2004, Istanbul, Turkey. Theme 2. Materials for concrete Pavements. - Istanbul, 2004. - P. 1-15.

24. Коршунов В.И. Пористый цементобетон для дорожных покрытий и оснований. Научные исследования и разработки Союздорнии: Юбил. вып. - М., 2001. - С. 140-143. - (Тр. / Союздорнии).

25. Peter Sulten, Federal Highway Research Institute, Bergisch Gladbach. Srid Resistant, Noise-Reducing Concrete Roads: 9-th International Symposium on Concrete Roads, 4-7 April 2004, Istanbul, Turkey. Theme 4. Safety - Environment - Low noise concrete. - Istanbul, 2004. - P. 112-120.