Проектирование и строительство нормативно-методические документы arrow Автодороги arrow Обзорная информация Автомобильные дороги и мосты. Непрерывно армированные цементобетонные покрытия.  
23.02.2019
    
Обзорная информация Автомобильные дороги и мосты. Непрерывно армированные цементобетонные покрытия.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ДОРОЖНОЕ АГЕНТСТВО МИНИСТЕРСТВА ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное унитарное предприятие «Информационный центр по автомобильным дорогам»

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ И МОСТЫ НЕПРЕРЫВНО АРМИРОВАННЫЕ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫЕ ПОКРЫТИЯ

Обзорная информация

Выпуск 1

Москва 2006

СОДЕРЖАНИЕ

 TOC o "1-3" h z u 1. ВВЕДЕНИЕ

2. РАЗВИТИЕ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА НЕПРЕРЫВНО АРМИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ

2.1. ПРИМЕРЫ УСТРОЙСТВА ПЕРВЫХ НАЦП

2.2. ОПЫТ СТРОИТЕЛЬСТВА НАЦП В РАЗЛИЧНЫХ СТРАНАХ ПОСЛЕ 1970 г.

3. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НАЦП

3.1. ФУНКЦИЯ АРМАТУРЫ В НАЦП

3.2. КОНСТРУИРОВАНИЕ КОНЦЕВЫХ УСТРОЙСТВ (АНКЕРОВ)

3.3. КОНСТРУКЦИЯ НАЦП В НИДЕРЛАНДАХ

4. МЕТОДЫ (ПРИНЦИПЫ) РАСЧЕТА ТОЛЩИНЫ И КОЛИЧЕСТВА АРМАТУРЫ ДЛЯ НАЦП

5. ТРЕБОВАНИЯ К БЕТОНУ И МАТЕРИАЛАМ И ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА НАЦП

6. ПРИМЕНЕНИЕ НАЦП В ТОННЕЛЯХ

7. ПРИМЕНЕНИЕ НАЦП ДЛЯ УСТРОЙСТВА КОЛЬЦЕВЫХ РАЗВЯЗОК

8. ПРИМЕНЕНИЕ НАЦП ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

9. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ НАЦП С ДРУГИМИ ТИПАМИ ПОКРЫТИЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

Выходит с 1971 г.

6 выпусков в год

В данном выпуске обзорной информации обобщен мировой и отечественный опыт применения непрерывно армированного цементобетона при строительстве и реконструкции покрытий на автомобильных дорогах, кольцевых пересечениях, в тоннелях.

Рассмотрены конструктивные особенности непрерывно армированных цементобетонных покрытий (НАЦП), а также принципы расчета толщины и процента армирования. Приводятся примеры конструкций концевых устройств.

Даны описание технологии строительства НАЦП и требования к конструктивным материалам.

Приводятся сравнение с другими типами дорожных покрытий и оценка с технической, экологической и экономической точек зрения.

Обзор подготовили

кандидаты техн. наук В.И. Коршунов,

Ю.Г. Лаиге, инж. В.А. Зельмаиович

(ОАО "Союздорнии")

1. ВВЕДЕНИЕ

В связи с увеличением интенсивности движения на автомагистралях и количества тяжелых автомобилей в транспортном потоке предъявляются повышенные требования к прочности и долговечности покрытий, безопасности движения транспортных средств и их минимальному воздействию на окружающую среду. В наибольшей степени этим требованиям отвечают цементобетонные покрытия с непрерывным армированием.

Непрерывно армированное цементобетонное покрытие является универсальным покрытием, в котором совмещены самые эффективные решения - блочность структуры и гибкость, присущая нежестким покрытиям, плюс все преимущества цементобетона (светлая окраска, долговечность и др.).

Отличие непрерывно армированного цементобетонного покрытия от обычного неармированного цементобетонного покрытия заключается в отсутствии поперечных швов, что упрощает технологию строительства покрытий. Содержание таких покрытий минимальное, а комфортность проезда для пользователей дорогой высокая.

В последние годы конструкции дорожных одежд с непрерывно армированным цементобетонным покрытием приобретают все большую популярность в ряде зарубежных стран в качестве эффективного решения проблемы повышения качества транспортного обслуживания и долговечности покрытий. В США и отдельных странах Европы (Бельгии, Франции и др.) такие покрытия начали изучать и применять еще с середины прошлого века.

Вплоть до настоящего времени покрытия из непрерывно армированного цементобетона рассматривались каждый раз как уникальный проект. Были построены дорожные участки с применением различных вариаций этого типа покрытий. Возросший спрос на непрерывно армированные цементобетонные покрытия вызвал необходимость разработки практических руководств, рекомендаций и стандартизации проектных и конструктивных решений, подготовки тендерных документов на строительство.

Во многих странах, которые применяют этот вид покрытий (Бельгии, Франции, Великобритании, Италии, Японии, Нидерландах, Норвегии, Испании, Швеции, Швейцарии, США и др.), разработаны соответствующие требования.

Непрерывно армированные цементобетонные покрытия применены в инфраструктурах с многочисленными сооружениями (на дорогах, мостах, развязках, в тоннелях) и большими объемом и интенсивностью движения транспортных средств. В частности, в Бельгии, которая уже более 30 лет назад сделала выбор в пользу непрерывно армированного цементобетона, такое покрытие было построено также в тоннелях. При этом важным аргументом в его пользу, помимо других преимуществ цементобетона (светлая окраска, пожаростойкость), является минимизация работ по содержанию из-за отсутствия поперечных швов, так как проведение их в тоннелях вызывает большие трудности. Кроме того, уменьшаются затраты на эксплуатацию за счет снижения расхода электроэнергии на освещение.

2. РАЗВИТИЕ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА НЕПРЕРЫВНО АРМИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ

2.1. ПРИМЕРЫ УСТРОЙСТВА ПЕРВЫХ НАЦП

В публикациях до 1970 г. приведены характеристики первых НАЦП, устроенных в США и Швеции [1, 2, 3, 4, 5, 6], оценивается экономическая целесообразность строительства таких покрытий [7].

Непрерывно армированные цементобетонные (бесшовные) покрытия впервые были применены в дорожном строительстве США в 1921 г. и более широко - в 40-х годах прошлого столетия. С тех пор к бесшовным покрытиям в США проявляется очень большой интерес, так как американские специалисты считают, что эти покрытия не имеют недостатков, которые присущи цементобетонным покрытиям обычного типа.

Для НАЦП характерным являются значительное сокращение поперечных швов (длина плит 600 м и более), повышение ровности, несущей способности и устойчивости покрытия, высокая сопротивляемость действию внешних и внутренних сил (нагрузке от колеса автомобиля, силам трения при перемещении плиты по основанию, усадке, набуханию и ползучести бетона, изменению температуры, увлажнению и др.). Всё это предопределило широкое распространение НАЦП в США и других странах (Англии, Бельгии, Австралии) при строительстве дорог и автомагистралей с интенсивной эксплуатацией тяжелыми транспортными средствами (нагрузка на колесо до 9 т). В США к 1962 г. был построен 531 км таких дорог, а к 1966 г. их количество увеличилось до 3680 км (почти в 7 раз за 4 года).

Малое количество поперечных швов снижает уровень шума на дорогах и повышает безопасность и комфортность движения для пользователей, а также существенно уменьшает эксплуатационные расходы по чистке и герметизации швов. Дополнительные расходы на арматуру (0,4 - 0,9 %) и на производство работ окупаются за счет возрастания срока службы НАЦП и снижения расходов на их эксплуатационное содержание.

За рубежом первые аэродромные НАЦП были выполнены в 60-х годах прошлого века в США (аэродром Охар - Чикаго) и во Франции (аэродром Йер - Паливерст).

В США в 1947-1948 гг. была построена автомобильная дорога US-40 из восьми участков протяженностью более 1 км каждый с различной толщиной покрытия и различным процентом армирования [2], приведенным в табл. 1.

Таблица 1

Номер участка

Толщина покрытия, см

Диаметр арматуры, мм

Расстояние между продольными стержнями, см

Армирование, %

1

17,8

9,5

13,3

0,3

2

17,8

12,7

14,1

0,5

3

17,8

15,9

15,9

0,7

4

20,3

9,5

11,6

0,4

5

20,3

12,7

12,2

0,5

6

20,3

15,9

13,7

0,7

7

20,3

19,0

13,7

1,0

8

17,8

19,8

15,9

1,0

Для армирования была использована профилированная сталь с пределом текучести 4700 - 5500 кг/см2, прочностью на разрыв 7500 - 9000 кг/см2 и относительным удлинением при разрыве 12 - 14 %. Поперечное армирование осуществлялось стержнями диаметром 9,5 мм, которые укладывались через 30 или 46 см. Продольная арматура укладывалась на расстоянии 7,6 см от поверхности покрытия.

Бетонирование покрытий осуществлялось в один слой, что требовало точной фиксации расположения арматуры, чтобы не происходило ее смещения при укладке смеси. Поперечные стержни укладывали на фиксирующие опоры, а продольную арматуру - на поперечные стержни. При этом соблюдалось условие смещения стыков продольной арматуры относительно друг друга не менее чем на 30 диаметров стыкуемых стержней. Необходимо отметить, что цементобетонное покрытие дороги шириной 6,7 м не имело искусственного основания и укладывалось непосредственно на глинистый грунт.

За 20 лет эксплуатации по покрытию прошло свыше 4 млн. автомобилей с эквивалентной нагрузкой 8 т, а в зимний период покрытие интенсивно обрабатывалось солями. Несмотря на тяжелые условия эксплуатации, отмечалось хорошее состояние НАЦП. Наименьшее количество дефектов было отмечено на участках с расходом арматуры более 0,5 %. Анализ данных по одному из характерных дефектов бесшовного покрытия - раскрытию трещин - показал, что большая часть трещин раскрылась в первые 5 лет эксплуатации дорожного покрытия. Средняя ширина раскрытия трещин при температуре 26,6°С менее 0,5 мм, а среднее расстояние между трещинами за наблюдаемый период составляет около 1,8 м. Таким образом, возникшие в покрытии трещины имеют незначительную ширину, благодаря чему это не влияет на ровность поверхности.

Более детальное изучение трещин показало, что уже на незначительной глубине от поверхности покрытия трещины переходят в волосяные и дальнейшее их раскрытие не происходит. В местах возникновения трещин за период эксплуатации отмечены следы коррозии арматуры, но большого распространения она не получила, и на расстоянии 8 см по обе стороны от трещины явление коррозии не обнаружено.

Американские специалисты на основании многолетних исследований пришли к выводу, что уменьшение процента армирования при проектировании бесшовных покрытий относительно оптимального, равного 0,5 - 0,7, ухудшает качество покрытия и снижает эксплуатационные показатели. Следствием уменьшения процента армирования является увеличение расстояния между трещинами и значительная ширина их раскрытия, что в конечном итоге приводит к откалыванию кромок и требует значительных затрат на содержание.

Отсутствие в покрытии продольного шва привело вскоре после бетонирования к образованию трещины вдоль покрытия. Ее раскрытие было столь значительно, что в этой области арматура подверглась сильной коррозии.

Опыт эксплуатации этой дороги и выводы специалистов указывают на то, что НАЦП толщиной 17,8 см с процентом армирования 0,5 - 0,7 имеет высокую долговечность, хорошие эксплуатационные качества и в течение двух-трех десятилетий не требует проведения каких-либо ремонтных работ.

В 1967 г. в США была построена автомагистраль № 50, где непрерывно армированное цементобетонное покрытие было уложено на слой основания из битумоминеральной смеси толщиной 10 см. Покрытие имело продольный шов, нарезанный виброножом в свежеуложенной бетонной смеси, в который помещена тонкая прокладка из полимерного материала. На отдельных участках толщина покрытия составляла 15,3 и 20,3 см, а расход арматуры - соответственно 0,6 и 1,0 %. Покрытие на всех участках не имело повреждений.

На основании многолетних исследований существующих НАЦП, построенных в США, американские специалисты сделали вывод, что продольную арматуру необходимо располагать на расстоянии 6,3 - 7,5 см от поверхности покрытия; допускаемое отклонение от проектного положения по высоте должно составлять ±(1 - 2) см. Однако в Хьюстоне (шт. Техас) было построено экспериментальное покрытие с расположением арматуры в середине слоя. В результате увеличилась ширина раскрытия трещин, но уменьшилась осадка покрытия от транспортных нагрузок, а также снизились температурные напряжения в цементобетоне.

Заслуживает внимания построенное в США непрерывно армированное покрытие из керамзитобетона с процентом армирования 0,3. Как отмечалось выше, при таком проценте армирования расстояние между трещинами и их раскрытие являются значительными, но в данном случае ширина трещин и их раскрытие оказались незначительными, что объясняется низким коэффициентом температурного расширения керамзитобетона.

В работе [2] приводятся также данные экспериментального строительства в Швеции НАЦП с регулируемым трещинообразованием по предложению Перссона. По результатам предварительных опытов было рекомендовано продольное армирование стержнями из круглой стали, расположенными в середине плиты, с обмазкой стержней битумной мастикой в зоне ложных швов. Длина обмазки составляла от 0,7 до 1,0 м в каждую сторону от шва. Кроме того, в конструкции покрытия предусмотрено применение стальных сеток, укладываемых на продольную арматуру в зоне ложных швов. После 3 лет эксплуатации опытного участка дороги ложные швы находились в хорошем состоянии, хотя их раскрытие в зимнее время составляло 1 мм. Трещины в покрытии отсутствовали.

После получения первых данных по эксплуатации нового покрытия были построены участки протяженностью 450 м в районе Варалев. Путем установки прокладок в цементобетоне стремились отрегулировать расстояние между трещинами. Толщина покрытия составляла 14 см, расход продольной арматуры - 0,5 %. Арматура расположена в середине сечения плиты, как и в большинстве случаев шведской практики. Покрытие уложено на промежуточный слой гравия толщиной 6 см, обработанного битумом. Наблюдения за участками экспериментальной дороги показали, что на участках с прокладками, установленными над продольной арматурой, наблюдается равномерное образование трещин на расчетных расстояниях. Однако на участках, где установлены металлические прокладки в зоне трещин, наблюдалось образование налета ржавчины.

Конструкция подъездной дороги к карьеру цементного завода (70 км южнее г. Стокгольма) состоит из покрытия толщиной 8 см, уложенного на слой тощего бетона, а основанием служит укатанный крупный щебень. Между покрытием и тощим бетоном имеется прокладка из картона. Процент армирования продольной арматуры из профилированной стали диаметром 8 мм при шаге 20 см составляет 0,6.

Цементобетонное покрытие при укладке подвергалось вакуумированию, поэтому без повреждений воспринимает нагрузки от движения тяжелых транспортных средств и машин на гусеничном ходу. При обследовании дороги отмечен низкий процент износа верхнего слоя, что, по мнению шведских специалистов, является следствием вакуумной обработки свежеуложенного цементобетона.

В Бельгии с 1951 по 1967 гг. было построено шесть опытных участков дорог с плитами длиной 350 - 3700 м и шириной от 6(2×3) до 10,5(2×5,25) м [4]. Процент армирования принят 0,3 - 0,7 при толщине покрытия 18 - 20 см. На покрытии наблюдались трещины через 0,5 - 3,0 м при общем хорошем его состоянии.

В 1969 г. построены еще два участка протяженностью 3000 и 3162 м, шириной 7 м при толщине слоя 20 см. Процент армирования стальными стержнями диаметром 18 - 20 мм достигал 0,85.

Во Франции [4] в 1965 г. на аэродроме Йер было уложено 80 тыс. м2 непрерывно армированных покрытий толщиной 15 см. Длина плит без поперечных швов составляла 900 м при ширине полос бетонирования 7,5 м. Армирование осуществлено сварными сетками с расходом арматуры 4,7 кг/м2. Стоимость покрытия, по сравнению с покрытием, имеющим поперечные швы через 6 м, была меньше на 2,5 франка/м2.

На аэродроме Тулуза - Бланъяк (Франция) построена полоса протяженностью 2500 м, шириной 20 м (3×6,66) и толщиной 30 см с армированием сетками из стержней диаметром 16 мм для самолета Concorde. Покрытие уложено на основание из щебня толщиной 15 см. За 18 месяцев эксплуатации обнаружены мелкие неопасные трещины.

В СССР и до настоящего времени в нашей стране НАЦП не применялись ни в дорожном, ни в аэродромном строительстве, хотя теоретические разработки имелись [8, 9, 10, 11].

В Советском Союзе в начале 50-х годов прошлого столетия осуществлено опытное строительство армированных покрытий с длинными плитами. В 1957 - 1959 гг. под руководством Союздорнии было построено свыше 1200 пог. м армобетонных покрытий на автомобильных дорогах, в том числе из плит длиной 28 м и толщиной 18 см на Ново-Рязанском шоссе.

В 1959 г. построены три опытных участка с длиной плит 24, 60, 120 и 165 м на автомобильной дороге Москва - Горький.

В 1967 - 1968 гг. на одном из аэродромов были построены непрерывно армированные (бесшовные) цементобетонные покрытия в виде двух плит длиной 308 м.

В 1973 - 1974 гг. в г. Москве было построено пять экспериментальных участков из непрерывно армированного цементобетона на автомагистрали общегородского значения с различной толщиной и процентом армирования [8]. Конструкции дорожных одежд приведены в табл. 2.

Таблица 2

Номер участка

Конструкция дорожной одежды

Материал

Толщина слоя, см

Класс и диаметр арматуры, мм

Армирование, %

1

Покрытие

Цементобетон М350

20

А-II, 14

0,85

Основание

Песчано-цементная смесь

10

Земляное полотно

Песок

35

2

Покрытие

Цементобетон М350

20

А-II, 14

0,68

Основание

Песчано-цементная смесь

10

Земляное полотно

Песок

35

3

Покрытие

Цементобетон М350

20

А-II, 12

0,63

Основание

Песчано-цементная смесь

10

Земляное полотно

Песок

35

4

Покрытие

Цементобетон М350

16

А-II, 10

0,85

Основание

Песчано-цементная смесь

14

Земляное полотно

Песок

35

5

Покрытие

Асфальтобетон

8

А-I, 5,5

0,36

Основание

Цементобетон М200

18

Земляное полотно

Песок

35

В процессе испытания покрытий контролировались следующие параметры: температурный режим покрытия и окружающего воздуха; раскрытие трещин и расстояние между ними; напряжения в цементобетоне и арматуре; его усадка и коэффициент температурного расширения. В лабораторных условиях определяли прочность цементобетона при осевом растяжении, прочность его сцепления с арматурой и сцепления между покрытием и основанием.

Результаты натурных испытаний (проведено более 500 замеров напряжений) подтвердили, что учет сцепления покрытия с основанием способствует снижению (на 10 - 20 %) температурных напряжений в арматуре, что позволяет на столько же уменьшить содержание непрерывной арматуры.

Постоянное в течение двух лет наблюдение за опытными участками НАЦП позволило установить, что максимальное раскрытие трещин на поверхности покрытия в зимний период составляло 0,6 мм, резко уменьшаясь по толщине слоя: на глубине 3 см оно не превышало 0,15 мм, а на уровне арматуры - 0,10 мм. Летом раскрытие трещин на поверхности покрытия составляло не более 0,25 мм, а на глубине 2 - 3 см и ниже трещины были закрыты. Весной и осенью ширина трещин имела промежуточные значения между указанными величинами, а глубина, начиная с которой они принимают волосяной характер, составляла 5 см.

В результате обобщения опыта строительства НАЦП были сделаны следующие выводы.

1. Конструкция непрерывно армированного цементобетонного (бесшовного) покрытия в целом не отличается от конструкции известных жестких покрытий и включает совокупность различных конструктивных слоев:

- собственно покрытие;

- укрепленное основание;

- естественное грунтовое основание.

2. Отличительными особенностями НАЦП являются характер восприятия нагрузки и большая длина плит. Так, в отличие от железобетона, НАЦП конструируется таким образом, что нагрузка воспринимается цементобетоном, а температурные напряжения - арматурой. Причем допускается образование трещин в плите с раскрытием их не более 0,4 мм. Считается, что такие трещины не пропускают воду и не нарушают целостности конструкции, т.е. передают давление от нагрузки с одной части плиты на другую. В отличие от армобетонных покрытий с максимальными длинами плит до 60 м, НАЦП могут устраиваться непрерывной длины.

3. Многолетний опыт строительства и эксплуатации НАЦП в США предполагает срок службы таких покрытий без капитального ремонта порядка 30 - 40 лет.

4. Толщина НАЦП со свободным трещинообразованием назначается, по данным американских специалистов, 20 см (для дорог) при проценте армирования 0,5 - 0,7. Расход арматуры тем больше, чем больше модуль упругости цементобетона и расчетный температурный перепад. Продольную арматуру располагают на глубине