Плиты из песчаного бетона для постоянных и временных дорог

В статье рассматривается технология изготовления дорожных плит из песчаного бетона.

Дорожные покрытия — одна из наиболее перспективных областей применения песчаного бетона. Здесь реализуются основные достоинства материала: способность воспринимать повышенные растягивающие и знакопеременные нагрузки, особенности трещинообразования, высокая морозостойкость. Даже, обычно относимая к недостаткам, повышенная деформативность песчаного бетона в дорожных покрытиях является его достоинством.

Накоплен тридцатилетний опыт эксплуатации мелкоштучных дорожных изделий из песчаного бетона — бортовых камней, тротуарных плит, плит для покрытий трамвайных путей — опыт, позволяющий считать целесообразным изготовление из песчаного бетона крупноразмерных дорожных плит.

Базовым предприятием для проведения экспериментальных работ был выбран завод ППО “Моспромстройматериалы”, выпускающий 37 тыс. м3 плит для постоянных дорог размерами 3?1,75 м.

Выбор объясняется двумя причинами. Из всей номенклатуры конструкций с применением щебня выпускаются только дорожные плиты, поэтому при изготовлении их из песчаного бетона можно полностью отказаться от доставки щебня, складов, трактов его подачи и тем самым существенно упростить технологический процесс. Для производства дорожных плит существует отдельная технологическая линия, обслуживаемая специальной бетономешалкой, поэтому приготовление песчаного бетона не будет препятствовать работе остальных линий.

Подборы состава песчаного бетона, проведённые на песке с Мк=1,7, используемого заводом в рамках существующего технологического процесса, показали, что увеличение расхода цемента по сравнению с существующим составляет 20 % или около 100 кг/м3.

Очевидно, что даже при получении экономического эффекта за счёт разницы в стоимости песка и щебня такое увеличение расхода цемента при постоянно растущей его стоимости вряд ли приемлемо.

Для снижения расхода цемента в песчаном бетоне предложено использовать пластифицирующую добавку и увеличить жёсткость смеси.

На заводе при изготовлении панелей наружных стен используется пластифицирующая добавка ВРП. Её применение в производстве дорожных плит снижает указанный перерасход на 30 кг/м3.

Известно, что песчаные бетоны при одинаковых с тяжёлыми показателях ОК обладают более высокой удобоукладываемостью, что позволило использовать на существующем оборудовании цементно-песчаные смеси с ОК=1,5–2 см вместо используемых для тяжёлых бетонов с ОК=3–4 см. Это позволило сократить перерасход цемента еще на 20 кг/м3.

Наконец, предложено изготавливать дорожные плиты из песчаного бетона М250 вместо используемого тяжёлого бетона М300. В дорожных плитах такое снижение марки бетона практически не сказывается на несущей способности изделий — плечо внутренней пары уменьшается незначительно. Назначение марки бетона 300 в дорожных плитах вызвано структурными требованиями, в первую очередь, морозостойкостью бетона.

Известно, что из-за повышения однородности бетонной смеси, вызванной отсутствием крупного заполнителя, морозостойкость песчаных бетонов выше, чем у тяжёлых.

Подготовка производства дорожных плит из песчаного бетона потребовала решения ряда технологических, конструкторских и организационных задач.

Проведено проектирование составов песчаных бетонов, показавшее (табл. 1) возможность при использовании мелкого песка Тучковского к/у, на котором в настоящее время работает завод, исключить увеличение расхода цемента по сравнению с существующими нормами, а при использовании крупного песка (Мк=2,4) Вяземского к/у даже сократить его расход.

Таблица 1

Материал	Цена, руб.	Состав тяжёлого бетона М300		Составы песчаного бетона М250
		расход	стоимость	На мелком песке		На крупном песке
				расход	стоимость	расход	стоимость
Цемент, т	3500	0,46	1610	0,46	1610	0,40	1400
Щебень, м3	990	0,90	891	–	–	–	–
Песок мелк., м3	480	0,40	192	1,08	518	–	–
Песок крупн., м3	560	–	–	–	–	1,12	627
Вода, м3	11	0,160	2	0,22	2	0,21	2
ВРП, л	18	–	–	0,65	12	0,56	10
Итого			2695		2142		2039
Экономия на 1 м3 бетона					553		656

В таблице 2 приведены составы песчаного бетона на мелких песках с добавкой ВРП и их подвижность. Последовательным увеличением количества добавки до 0,14 % Ц получен состав с ОК=2 см, качественно уплотняющийся на существующей виброплощадке.

Таблица 2

 

№ состава	Ц, кг	П, кг	В, л	ВРП		ОК, см
				% Ц, кг	5%-ный р-р, л
1	460	1630	223	0,08	7,4	0
2	460	1630	221	0,10	9,2	0
3	460	1630	219	0,12	11,0	1,0
4	460	1630	217	0,14	12,9	2,0

В процессе разработки технологического регламента устанавливалась зависимость прочности бетона от времени перемешивания цементно-песчаной смеси. Показано, что на бетономешалке СБ-169 устойчивые результаты получаются при цикле перемешивания 3 минуты (1,5 минуты — цемент — песок насухо, 1,5 минуты — перемешивание с водой).

При работе с цементно-песчаными смесями, удобоукладываемость которых близка к предельной для формующего агрегата, необходим тщательный контроль за получением требуемого коэффициента уплотнения.

При недостаточном уплотнении наряду со снижением прочности ухудшаются структурные характеристики материала — морозостойкость и истираемость.

Традиционная визуальная оценка завершения процесса уплотнения — по появлению цементного молока на поверхности изделия — в песчаном бетоне недостаточна.

Технологическим регламентом поэтому предусматривается контроль коэффициента уплотнения не менее двух раз в смену.

Построена также зависимость прочности песчаного бетона от времени формования. На графике отчетливо выделяются два участка: первый — нарастание прочности с увеличением времени формования, второй — прочность не зависит от времени формования.

Время уплотнения цементно-песчаной смеси свыше 45 сек позволило устойчиво работать в зоне требуемого коэффициента уплотнения.

Определение режима тепловлажностной обработки (ТВО) включало, главным образом, уточнение времени предварительной выдержки, которое было принято равным периоду структурообразования. Экспериментально установлено, что это время составляет 2 часа.

Принятый режим подъёма температуры — 20 °C/ч не вызвал нарушений структуры материала. Таким образом, двенадцатичасовой цикл ТВО, равный существующему при изготовлении дорожных плит из тяжёлого бетона, включал: выдержку при t=20 °C в закрытой камере — 2 часа, подачу пара и подъём температуры до 80 °C — 3 часа, изотермический прогрев при t=80 °C — 6 часов, остывание — прекращение подачи пара без снятия крышки камеры — 1 час.

Для оценки прочности, трещиностойкости, ширины раскрытия трещин были проведены испытания плит из песчаного бетона. Целью испытаний было также уточнение методики расчёта и сравнение с результатами испытаний аналогичных плит из тяжёлого бетона.

Данные о физико-механических характеристиках песчаного бетона были получены в результате испытаний образцов, изготовленных одновременно с плитами.

Армирование плит не изменено по сравнению со стандартным. Прочность бетона контрольных кубов на день испытаний составляла R=240 кг/см2.

Схемы испытаний плит приведены на рис. 1. Рамки статьи не позволяют произвести детальный анализ результатов испытаний и включают лишь итоговые данные:

— плиты из песчаного бетона соответствуют по прочности, трещиностойкости и величине раскрытия трещин требованиям ГОСТ 21924;

— величина воспринимаемого плитами из песчаного бетона М250 максимального изгибающего момента оказалась на 10–15 % выше значений аналогичного момента для плит М300 из тяжелого бетона;

— максимальная ширина раскрытия трещин при различных схемах загружения не превышала допустимой при загружении плит расчётной нагрузкой;

— при нагрузке вдвое превышающей расчётную (испытания по основным схемам, определяющих несущую способность плит) существенных разрушений не наблюдалось.

Одновременно с партией плит, предназначенных для механических испытаний, были изготовлены образцы-кубы для испытаний на морозостойкость, подтвердивших, что бетон выдерживает не менее 200 циклов попеременного замораживания — оттаивания в 5% растворе NaCl.

Изделия опытной партии объёмом 200 м3 были установлены в эксплуатацию и в течение 11 месяцев подвергались воздействию транспортных нагрузок, в том числе гружёных панелевозов, трайлеров. Ни одна из плит опытной партии в конце указанного срока не имела разрушений на видимой поверхности. Совместно с проектной организацией разработаны альбомы рабочих чертежей плит для постоянных и временных дорог и технические условия на изделия, что позволило заводу организовать их серийное производство.

В последние годы в мировой практике всё большая номенклатура погонажных изделий изготавливается по технологии непрерывного формования (тенсиленд, техноспан). Плиты для постоянных и временных дорог хорошо вписываются в рамки указанной технологии, практически не требуя дополнительных исследований.

Необходимо было разработать только схемы беспетлевой строповки и объединения плит в дорожном покрытии. При изготовлении плит по поточно-агрегатной технологии в формах обе эти задачи решаются установкой “горизонтальных” петель, которые используются как для транспортировки изделий, так и для объединения их в покрытие сваркой петель. Недостатком такого решения является высокий расход металла, а также необходимость заделки мест стыковки.

В технологии непрерывного формования установка горизонтальных петель невозможна ни до, ни во время уплотнения. Для их установки сразу после уплотнения также не найдено удовлетворительного решения.

По существу, правильное решение для дорожных плит — это беспетлевая строповка. Сразу после формования в месте будущей строповки устанавливается закладная деталь “открытый столик” путём её вдавливания заподлицо с верхней гранью плиты. Пластина детали имеет в центре вырез, через который на стенде “по сырому” пробивается отверстие на всю высоту плиты.

Транспортировка изделий со стенда на склад готовой продукции (с погрузкой на вывозные тележки) производится с использованием траверсы, оснащённой устройствами, блокирующими возможность расстроповки изделия. На складе готовой продукции плиты укладываются в штабель через деревянные прокладки. При погрузке плит на автомашину через отверстие пропускается рым-болт и закрепляется под плитой гайкой с пружинной шайбой.

Таким же образом производится установка плит в дорожное покрытие. В этом случае гайки, удерживающие рым-болт, оказываются “похороненными” в подстилающем слое. После извлечения рым-болтов пластины закладных деталей свариваются между собой, образуя единое покрытие шириной кратной 1,2 м.

Совместно с институтом “Союздорпроект” разработан альбом рабочих чертежей дорожных преднапряжённых плит 6?1,2 м и Технические условия на изделия.

Наряду с тяжёлым бетоном ТУ предусматривают возможность изготовления дорожных плит из песчаного бетона.