Требования к материалам для строительства цементобетонных покрытий и проектирование состава дорожного бетона

Выбор материалов для строительства цементобетонных покрытий. Цементобетонное покрытие работает в условиях сложного напряженного состояния под действием повторных нагрузок от автомобилей и переменных температурно-влажностных полей. Кроме того, для конгломератных материалов типа цементобетона характерны внутренние напряжения, обусловленные неоднородностью их структуры, а также постоянно протекающими процессами структурообразования и деструкции. Повышение стойкости дорожного бетона к эксплуатационным воздействиям напрямую связано с улучшением его физико-механических свойств и структуры.

Формирование структуры дорожного бетона и его свойств зависит от многих факторов: вида и качества исходных материалов, запроектированного состава бетона, применяемых химических добавок, технологии приготовления, укладки и уплотнения бетонной смеси, эффективности армирования покрытия, качества ухода за бетоном.

Цемент является одним из основных материалов, определяющих свойства бетонной смеси и бетона для дорожного строительства. Высокие требования, предъявляемые к бетону для дорожных покрытий, обусловили необходимость применения специальных цементов, нормированного минералогического и вещественного состава.

Требования к строительно-техническим свойствам цементов для дорожного бетона сформулированы в ныне действующем стандарте ГОСТ 10178-85. Согласно этому стандарту при строительстве применяют цемент, изготовленный на основе клинкера нормированного состава с содержанием С₃А не более 8 % по массе, марок ПЦ 500-Д0-Н, а также ПЦ 400-Д20-Н, ПЦ 500-Д20-Н. При этом в качестве добавки разрешается использовать только доменный гранулированный шлак в количестве не более 15 %, а удельная поверхность цемента должна быть не менее 280 м²/кг. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 2 часа после затворения.

В настоящее время действует также национальный стандарт ГОСТ Р ИСО/МЭК ТО-10178-98 «Цементы дорожные. Технические условия», гармонизированный с международными требованиями. Стандартом установлены более жесткие требования к дорожным цементам, чем в ГОСТ 10178-85. Так, содержание С₃А в клинкере не должно превышать 7 %, введён норматив по водоотделению, равномерность изменения объема характеризуется величиной расширения, увеличен ассортимент дорожных цементов за счет цементов с добавками для дорожных оснований.

С 1 марта 2002 г. введен в действие новый стандарт на методы испытаний цемента ГОСТ 30744-2001, гармонизированный с европейским стандартом EN 196-1. В стадии переходного периода будут одновременно действовать прежний комплекс стандартов на методы испытаний с использованием однофракционного песка ГОСТ 310.1-76 - ГОСТ 310.4-81 и новый ГОСТ 30744-2001 с использованием полифракционного песка.

Минеральные материалы, используемые для приготовления цементобетонной смеси, подразделяют на мелкий и крупный заполнители. В качестве мелкого заполнителя в дорожном бетоне применяют пески природные или дробленые, в том числе обогащенные и фракционированные. В некоторых случаях целесообразно использовать пески из отсевов дробления, в том числе обогащенные. Мелкий заполнитель должен соответствовать требованиям стандартов ГОСТ 8736-93 и ГОСТ 26633-91.

Таблица 17.1

Основные показатели физико-механических свойств дорожного бетона и его вяжущей составляющей

В качестве крупного заполнителя в дорожном бетоне используют щебень из природного камня и попутно добываемых пород и отходов горно-обогатительных предприятий по ГОСТ 8267-93. При наибольшей крупности зерен заполнителя, равной 80 мм, допускается по согласованию с потребителем поставка смеси фракций размером от 5 до 40 мм. Содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне из осадочных пород не должно превышать (%, по массе): 2 - для однослойных и верхнего слоя двухслойных покрытий дорог; 3 - для нижнего слоя двухслойных покрытий и оснований усовершенствованных капитальных покрытий дорог. Марки щебня, гравия и щебня из гравия по прочности должны быть не ниже указанных в табл. 17.2.

Таблица 17.2

Щебень и гравий, кроме марок по прочности, указанных в табл. 17.2, должны иметь марки по износу в полочном барабане не ниже указанных в табл. 17.3.

Таблица 17.3

Содержание в крупных заполнителях зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы для бетона дорожных однослойных и верхнего слоя двухслойных покрытий не должно превышать 25 % по массе. Морозостойкость щебня и гравия должна быть не ниже требований, указанных в табл. 17.4.

Таблица 17.4

Песок из отсевов дробления и обогащенный песок из отсевов дробления для бетонов дорожных покрытий и оснований должны иметь марки по прочности исходной горной породы или гравия не ниже указанных в табл. 17.5.

Таблица 17.5

Бетоны марки по морозостойкости F100 и выше для дорожных покрытий изготовляют с обязательным применением воздухововлекающих и газообразующих добавок. Вода для затворения бетонной смеси и приготовления растворов химических добавок должна соответствовать требованиям ГОСТ 23732-79.

Требования к дорожным бетонным смесям. Свойства бетона в покрытии, качество его поверхности, производительность бетоноукладочных машин зависят от того, насколько технологические свойства бетонной смеси соответствуют средствам укладки, уплотнения и отделки.

Бетонная смесь должна иметь подобранный зерновой состав с достаточным количеством песка и растворной части, хорошую удобоукладываемость (отделываемость), обеспечивающую получение ровной и замкнутой поверхности покрытия при принятой подвижности или жесткости, высокую воздухоудерживающую способность (ГОСТ 7473-94. Смеси бетонные. Технические условия. - М.: МНТКС, 1996. - 15 с).

Наиболее существенное положительное влияние на воздухоудерживающую способность бетонной смеси оказывает увеличение количества воздухововлекающей добавки, дисперсности песка и относительной доли песка в смеси заполнителей, характеризуемой коэффициентом раздвижки щебня раствором.

Коэффициент раздвижки может быть определен по формуле

где (17.1)

Ц, В, П, Щ - количество цемента, воды, песка, щебня в 1 м³ бетонной смеси, кг;

α - коэффициент пустотности щебня;

ρ_ц, ρ_п - плотность соответственно цемента и песка, кг/м³;

γ_о.щ. - объемная масса щебня, кг/м³.

Важно исключить расслаиваемость бетонной смеси при ее транспортировании и распределении по основанию.

Расслоение бетонной смеси проявляется в послойном разделении ее составных частей, обильном выделении на поверхности смеси цементного молока или растворной части. Технология строительства бетонных покрытий включает ряд операций, которые могут способствовать расслоению смесей. Это выгрузка смеси из бетоносмесительной установки в кузов автосамосвала, транспортирование смеси на значительные расстояния, выгрузка смеси в приемный бункер бетоноукладчика, а также распределение бетонной смеси по основанию.

Значительное расслоение бетонной смеси приводит к появлению неплотных зон в структуре бетона, к снижению ее однородности и самое главное - к ослаблению поверхностного слоя бетонного покрытия за счет появления в нем избытка влаги и цементного теста. В результате создаются условия для снижения стойкости бетона против поверхностного разрушения, вызываемого совместным действием на бетон транспортных нагрузок, попеременного замораживания и оттаивания в присутствии хлористых солей.

Устойчивость бетонных смесей против расслоения зависит от их вязкости в статическом состоянии, а также от свойств компонентов и соотношений между ними.

Малоподвижные и жесткие бетонные смеси, низкие значения водоцементного фактора, высококачественные цементы, характеризуемые малым водоотделением, пластифицирующие и особенно воздухововлекающие добавки, повышающие связность смеси, - все это обеспечивает высокую устойчивость бетонных смесей против расслоения. Опасность расслоения возникает при неправильном подборе состава бетона, особенно при использовании мелких песков, а также при применении смесей более пластичных, чем это рекомендуется для данной виброуплотняющей машины. Удобоукладываемость бетонной смеси характеризует ее способность формоваться и уплотняться без расслоения под воздействием средств виброуплотнения. Удобоукладываемость смеси оценивается ее вязкостью (показателем жесткости или подвижности), которая должна строго соответствовать уплотняющей способности применяемых средств механизации. Если вязкость бетонной смеси выше той, на которую рассчитана данная бетоноотделочная машина (при определенной толщине уплотняемого слоя), то не будет достигнута необходимая степень плотности и прочности бетона. Если же вязкость смеси ниже, избыточная энергия уплотнения будет способствовать расслоению смеси.

В соответствии с указаниями по строительству цементобетонных покрытий автомобильных дорог [38] при устройстве покрытий комплектом машин со скользящей опалубкой показатели подвижности или жесткости бетонной смеси перед уплотнением выбирают с учетом принятой скорости движения бетоноукладчика и должны соответствовать данным таблицы 17.6.

Таблица 17.6

Во избежание недопустимых деформаций кромок и боковых граней покрытия после прохода бетоноукладчика со скользящей опалубкой не используют бетонные смеси с осадкой конуса на месте укладки более 4 см. С этой же целью при строительстве многополосных покрытий не используют бетонные смеси с осадкой конуса более 2 см.

Технические требования к составу бетонных смесей выражаются в нормировании водоцементного отношения (не более 0,5) и воздухосодержания (5-7 % на месте укладки бетона. ГОСТ 26633-91. Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия. - Взамен ГОСТ 10268-80, ГОСТ 26633-85; Введ. 01.01.92. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1991. -22 с).

Проектирование состава дорожного бетона. Подбор состава заключается в определении рационального соотношения между компонентами бетонной смеси в соответствии с предъявляемыми требованиями:

к подвижности (жесткости) бетонной смеси;

к объему вовлеченного воздуха (или выделившегося газа) в свежеуложенной бетонной смеси;

к долговечности бетона, то есть длительной и устойчивой его работе в окружающей среде в соответствии с проектными марками по морозостойкости;

к прочности бетона в соответствии с проектными марками по прочности.

Подбор состава бетона производится расчетно-экспериментальным методом с расчетом по формулам и графикам и с последующим уточнением экспериментальным путем в следующем порядке:

определяется расчетным путем ориентировочно водоцементное отношение (В/Ц), необходимое для получения заданной марки бетона по прочности на растяжение при изгибе;

назначается в зависимости от требований к бетону средний объем вовлеченного воздуха и ориентировочно количество добавки ПАВ;

определяется водопотребность бетонной смеси принятой подвижности (жесткости) на основе имеющегося в лаборатории опыта или по рекомендуемым в литературе таблицам и графикам;

рассчитывается по величинам водопотребности и В/Ц содержание цемента в 1 м³ бетона;

назначается коэффициент раздвижки К_р крупного заполнителя раствором и находится содержание крупного заполнителя в 1 м³ бетона;

рассчитывается содержание песка в 1 м³ бетона;

уточняется экспериментальным путем состав бетона.

Подбор состава бетона должен производиться на материалах, удовлетворяющих требованиям ГОСТа. Бетонную смесь при подборе состава приготавливают в бетономешалках с объемом замеса 60 л. От способа перемешивания компонентов зависит объем вовлеченного воздуха. Длительность перемешивания после введения раствора ПАВ и воды затворения должна составлять 1,5-2 мин.

Ориентировочно В/Ц рассчитывают по формулам:

с содержанием вовлеченного воздуха

(17.2)

для бетона без вовлеченного воздуха

где (17 3)

R_Ц - предел прочности цемента на растяжение при изгибе, определенный экспериментально или принятый для данной марки цемента по ГОСТу на портландцемент и шлакопортландцемент;

R_Б - марка бетона по прочности на растяжение при изгибе.

Ориентировочно содержание воды назначается не более 165-170 кг.

Содержание цемента определяют по формуле

Ц = В : В/Ц, где (17.4)

В - содержание воды, кг/м³;

Ц - содержание цемента, кг/м³.

Содержание крупного заполнителя определяют по формуле

где (17.5)

КЗ - содержание крупного заполнителя в 1 м³ бетона, кг;

К_р - коэффициент раздвижки, минимальное значение которого для бетона с вовлеченным воздухом в зависимости от крупности песка назначают в пределах 1,7 - 1,9 и в дальнейшем уточняют экспериментально;

V_кз - пустотность крупного заполнителя в стандартном насыпном состоянии в виде относительной величины, которую находят по формуле:

где (17.6)

- объемная насыпная масса крупного заполнителя, кг/л;

- плотность крупного заполнителя, кг/л, определяемая по стандарту на методы испытания щебня из естественного камня, гравия, щебня из гравия для строительных работ.

Минимальное значение коэффициента раздвижки щебня раствором в зависимости от крупности песка принимают равным:

1,7 - для мелких песков с модулем крупности от 1,5 до 2;

1,8 - для средних песков с модулем крупности от 2 до 2,5;

1,9 - для крупных песков с модулем крупности более 2,5.

Максимально возможное значение коэффициента раздвижки разрешается уточнять экспериментально на пробных замесах путем построения графика зависимости осадки конуса или показателя жесткости бетонной смеси с одинаковым В/Ц и водосодержанием от коэффициента раздвижки. Максимальное значение коэффициента раздвижки соответствует значению коэффициента раздвижки на графике, при котором показатели подвижности и жесткости бетонной смеси существенно не изменяются по сравнению со смесью с минимальными коэффициентами раздвижки. Максимальное значение коэффициента раздвижки не должно превышать минимальное значение более чем на 0,2-0,3.

Содержание песка в 1 м³ бетона определяют по формуле

где (17.7)

Ц - содержание цемента в 1 м³ бетона, кг;

V_в - объем вовлеченного воздуха в 1 м³ бетона, принимаемый по ГОСТ [2], л;

γ_ц и γ_п - соответственно плотности цемента и песка, кг/л.

Номинальный состав бетона по массе определяют по формуле

(17.8)

Расчетный состава бетона должен быть подвергнут экспериментальному уточнению на предназначенных к применению материалах с целью уточнения:

водопотребности смеси, количества воздухововлекающей, а также пластифицирующей (при комплексном их применении) добавок ПАВ и коэффициента раздвижки щебня раствором;

В/Ц для получения заданных марок бетона по прочности на растяжение при изгибе и сжатии.

Экспериментально уточненный состав бетона является номинальным, так как в нем не учтена влажность заполнителей. В номинальный состав бетона необходимо вносить поправки на фактическую влажность заполнителей, чтобы получить рабочий состав бетона.

Если влажность песка W_п (%), а влажность крупного заполнителя W_кз (%), то рабочий расход воды В_р (кг), песка П_р (кг) и крупного заполнителя КЗ_р (кг) должны соответственно составить:

(17.9)

(17.10)

где (17.11)

В_о, П, КЗ - соответственно содержание воды, песка и крупного заполнителя в 1 м³ бетона номинального состава.

Рабочий состав бетона (содержание воды) корректируют с учетом концентрации водных растворов ПАВ. Выбранный в лаборатории состав бетона проверяют в производственных условиях при пробном бетонировании. При этом оценивают качество уплотнения и отделки поверхности бетона, а также устойчивость кромок и боковых граней покрытия после прохода бетоноукладчика. В случае необходимости состав бетонной смеси корректируют.