Применение портландцемента в дорожном строительстве
Для сооружений современных автострад, строительства аэродромов, портовых и складских территорий, городских улиц и др. применяются покрытия преимущественно из цементного бетона и железобетона. Цементный бетон по сравнению с асфальтобетоном имеет много положительных свойств — он более прочен, менее подвержен действию повышенных температур в жаркое время года, обладает необходимым сопротивлением трению, возникающему при интенсивном движении транспорта, светлый, а это повышает безопасность движения ночью. Он относительно мало истирается (0,1 мм в год), толщина покрытия из него не превышает 16—22 см.
Достоинство цементио-бетонных покрытий — продолжительность службы примерно более 30 лет. Есть дороги, эксплуатируемые 50 лет и находящиеся в хорошем состоянии. У цементно-бетонных покрытий есть и некоторые недостатки: на отдельных участках дорог покрытие вспучивается, появляются трещины. Самый большой недостаток этих покрытий — необходимость устройства деформационных швов как вдоль, так и поперек дорожного полотна из-за усадки цемента. Цементно-бетонные покрытия нужно укладывать на прочные и морозостойкие основания.
Цемент в бетонном покрытии подвергается воздействию многих факторов; возникают температурные напряжения при солнечном облучении, нагреве от теплового потока горячих выхлопных газов автотранспорта, двигателей реактивных самолетов и др. Несмотря на небольшую толщину покрытия температуры внешней поверхности и нижнего слоя различаются, что может вызвать даже коробление плиты. Так, например, внешняя поверхность бетонных плит, охлажденная ночью, может покрываться трещинами оттого, что силы, вызывающие сжатие верхнего слоя, не могут вызвать соответствующего сжатия внутренней части плиты. Цемент в бетонном покрытии подвергается многократному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию.
Поскольку покрытие выдерживает попеременно повторяющиеся нагрузки от движения транспорта и многократного действия атмосферных факторов, большое значение приобретает выносливость бетона. По данным ряда исследований предел выносливости цементного бетона составляет около 50—55% предела его прочности при сжатии и 30—70% при изгибе (при нагружениях до 2 млн. циклов). Цементный камень, его содержание в бетоне, структура и другие свойства влияют на выносливость бетона.
Замечено, что при подобных воздействиях разрушение бетона начинается с цементного камня. Микроразрушения в бетоне, образующиеся при первом нагружении, оказывают решающее влияние на прочность при воздействии многократно-повторяющейся нагрузки. Число нагружении, которые выдерживает бетон, зависит от того, насколько превышена граница RT. Переход через R° приводит к разрушению при многократно повторяющейся нагрузке, что было установлено по результатам испытаний на базе циклов повторения нагрузок; предел выносливости бетона при сжатии возрастает с увеличением призменной прочности.
Установлено, что повышение однородности структуры цементного камня увеличивает выносливость бетона.
Существует область оптимальных значений В/Ц=0,4—0,5, при которой выносливость наибольшая. Этому способствует также повышение удельного расхода цемента на 1 м3 бетона, а также применение цемента с повышенным содержанием алюмоферритов кальция. Добавка хлористого кальция уменьшает выносливость, в то время как поверхностно-активные вещества, в том числе и СДБ, улучшают степень однородности цементного камня и повышают выносливость бетона. Определенное влияние оказывает природа применяемого щебня. Было установлено И. М. Грушко, что наиболее высокие показатели выносливости достигаются при использовании известнякового щебня. Пропаривание снижает выносливость бетона. Известно, какое большое значение имеет сопротивление цементного бетона истиранию в дорожном покрытии; установлено, что сопротивляемость цементного камня истиранию значительно ниже, чем у заполнителя в бетоне, особенно если он характеризуется высокой твердостью. В дорожных и аэродромных покрытиях бетон разрушается под воздействием солей, преимущественно хлоридов, применяемых для оттаивания поверхности покрытия от снега и льда. Существенно влияет на долговечность цементно-бетонного покрытия и деформация грунтов основания — вспучивание при сильном увлажнении и замерзании. Мы видим, что цемент в бетоне дорожных покрытий должен противостоять действию разнообразных агрессивных факторов, что создает весьма тяжелые условия для его службы.
Цементно-бетонные покрытия бывают различными; они разделяются па монолитные и сборные, однослойные и двухслойные, армированные и неармированные, причем применяется как обычный бетон, так и предварительно напряженный. Цемент для каждой из этих конструкций должен удовлетворять дополнительным специфическим требованиям. Так, например, в связи с усадкой цемента устраивают швы сжатия, расширения, коробления и рабочие; однако в предварительно напряженных конструкциях нет швов сжатия, а расстояния между швами расширения достигают значительных размеров. В связи с этим в исследованиях, посвященных цементам для бетонов дорожных покрытий, значительное внимание уделялось тому, в какой степени физико-химические характеристики цемента влияют на качество бетонного дорожного покрытия. Несомненно, что цемент должен быть высокопрочным и быстро твердеть. Опыт эксплуатации автодорог и результаты исследований показывают, что современный алитовый высокопрочный портландцемент по строительно-техническим свойствам удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к бетонным дорожным покрытиям при введении в его состав добавок поверхностно-активных веществ.
У нас в стране выпускается специальный портландцемент для сооружения автомобильных дорог и аэродромных покрытий. В этот дорожный цемент при его помоле вводят пластифицирующие или гидрофобно-пла-стифицирующие добавки для повышения морозостойкости, выносливости и улучшения некоторых других свойств. В составе дорожного портландцемента допускается добавка гранулированного доменного шлака в количестве не более 15% массы цемента. Количество С3А в клинкере не должно превышать 8%. Портландцемент для однослойных и двухслойных покрытий должен быть не ниже марки 400, а для оснований капитальных усовершенствованных покрытий марки пе ниже 300. В этом случае можно применять и шлакопортландцемент.
Отличительной особенностью дорожного цемента является то, что начало его схватывания наступает не ранее 2 ч после затворения. Это позволяет перевозить пластичную бетонную смесь к месту ее укладки. Для цементно-бетонных покрытий можно применять шлакопортландцемент высоких марок, а также напрягающий портландцемент с малой энергией самонапряжения.
В состав бетонной смеси при се приготовлении следует вводить пластифицирующие, гидрофобно-пластифицирующие либо воздухововлекающие добавки, если они не входят в состав портландцемента.
Применение цементов, извести и других вяжущих в дорожном строительстве
Рассматриваются методыукрепления грунтов для дорожного строительства.
Дороги в России всегда имелибольшое значение. К сожалению, никогда не было последовательной, долгосрочной,целенаправленной программы их строительства. В послании президента Федеральномусобранию, а также в принимаемом 3-летнем бюджете РФ, дорожному строительствууделяется значительное внимание. На наш взгляд, заслуживает рассмотрения вопросстроительства недорогих грунтовых дорог укреплённых цементом, известью идругими вяжущими, так называемые дороги «экономкласса».
Грунты широко используются вкачестве местных строительных материалов при сооружении дорог, аэродромов,плотин, оснований под фундаменты и т. д. Известно, что основная частьповерхности представлена дисперсными, в большинстве своём глинистыми грунтами.Дисперсные грунты отличаются большой изменчивостью свойств в зависимости отвоздействия внешней среды: влаги, температуры, нагрузок и т. д. Проблемаукрепления дисперсных грунтов, превращения их в полноценный строительныйматериал имеет большое теоретическое значение.
Разработано много методовукрепления грунтов для дорожного и аэродромного строительства. В табл. 1 (по В. М. Безрукову) приведенаих классификация. Каждый из методов, указанных в таблице, имеет своиспецифические особенности, как по эффективности воздействия на грунт, так и поусловиям технологии работ.
Применяемые материалы и способы воздействия
Укрепление гранулометрическими добавками
Щебень, гравий, песок, шлаки, глины, суглинки
Укрепление органическими вяжущими
Битумы твёрдые и жидкие, дёгти, битумные и дегтевые эмульсии и пасты, синтетические смолы, древесные пески и др.
Укрепление минеральными вяжущими материалами
Цемент, известь, силикат натрия (жидкое стекло)
Местное топливо (дрова, уголь, электрический ток, газ)
Укрепление солевыми растворами
Хлористый кальций, хлористый натрий и др.
Электрический постоянный ток (с применением электролитов)
Органические и минеральные вяжущие с гранулометрическими добавками, органические вяжущие с активными добавками и т. д.
Таблица 1. Классификация методов укрепления грунтов
В рамках данной статьи, мыуделим основное внимание методу укрепления минеральными вяжущими материалами.
Мысль об улучшении свойствгрунтов для строительных и дорожных целей давно занимала умыинженерно-технических работников. Ещё в 60-е годы XIX века русские инженеры-дорожникипришли к выводу о необходимости искусственного улучшения грунтов для устройствапроезжей части грунтовых дорог. Так, в работах Е. Головачёва излагались методыулучшения грунтов путём уплотнения, а также смешения песка и гравия с глинистымгрунтом. Методы укрепления грунтов гранулометрическими добавками получилидальнейшее развитие в работе профессора Г. Д. Дубелира. В 1923 году приЛенинградском областном управлении было создано дорожноенаучно-исследовательское бюро, которое в 1925 году было реорганизовано висследовательское бюро ЦУМТа. К 1928 году на основе достижений науки о грунтах,благодаря работам профессоров Н. Н. Иванова, В. В. Охотина, П. А. Замятченскогои других, была разработана теория оптимальных смесей и способов производстваработ при производстве грунтовых работ с гранулометрическими добавками [6]. Наосновании своих исследований профессор М. М. Филатов предложил ввестипоправочный коэффициент, учитывающий повышенную вяжущую способность коллоидныхчастиц.
Однако в работах всехученых-дорожников отмечалось, что даже хорошо подобранные грунтовые смеси легкодеформируются вследствие нарушения сцепления между гранулометрическимиэлементами при проезде автотранспорта, вымывания тонких фракций водой и др. Привысыхании такие покрытия сильно пылят и тоже разрушаются. Всё это заставилопродолжить поиски надёжных методов укрепления грунтов. Для этих целей решенобыло использовать различные вяжущие материалы, в том числе и минеральные.
В 1926 году в Ленинградскомдорожно-исследовательском бюро были проведены опыты по известкованию грунтов. Входе опытов было установлено, что добавки гашёной извести в количестве 5 % отмассы грунта уменьшает липкость и пластичность глинистых грунтов и увеличиваетсопротивление размоканию. С 1927 по 1931 год под Москвой были проведены опытныеработы по укреплению известью глинистых и чернозёмных грунтов [6]. Впослевоенный период известкование грунтов получило дальнейшее развитие вработах ДорНИИ, Саратовского автодорожного института и других НИИ. Былиразработаны практические рекомендации по внедрению метода известкования грунтовв дорожном строительстве. С 1950 по 1955 год был построен ряд опытных участковдорог, где в качестве оснований, а также покрытий, использовался местный грунт,укреплённый известью. По данным С. А. Морозова [6], известкованиедерновоподзолистых грунтов обеспечило во всех опытных участках более высокиепоказатели прочности образцов на сжатие в водонасыщенном состоянии, чем приукреплении цементом.
Однако известкованные грунтыимеют низкую морозоустойчивость, поэтому их надо применять главным образом воснованиях дорожных одежд.
известкованныегрунты имеют низкую морозоустойчивость, поэтому их надо применять главнымобразом в основаниях дорожных одежд
При взаимодействии жидкогостекла с грунтом образуется гель кремнекислоты, который со временем твердеет(особенно в присутствии катализатора, например, хлористого кальция) и такимобразом связывает частицы грунта между собой. Первые производственные опыты поприменению жидкого стекла в дорожном строительстве были проведены в 1928 году вЛенинградской области, Белоруссии, Украине и в других регионах [6]. Большойвклад в развитие методов силикатирования грунтов внесли учёные Б. А. Ржаницын иВ. В. Аскалонов, которые разработали и теоретически обосновали 2-растворныйспособ силикатизации песчаных и гравелистых грунтов и 1-растворный способ поукреплению лёссовых грунтов. Оба эти метода нашли широкое применение в метро- итоннелестроении, а также при укреплении фундаментов и оснований промышленныхсооружений. В дорожном строительстве жидкое стекло не получило широкогораспространения, за исключением постройки опытных участков, а такжесиликатирования щебёночных шоссе по методу пропитки и поверхностной обработки.Причина — низкая морозостойкость силикатированных грунтов, а также неудобство вработе в связи с быстрым схватыванием и твердением смеси грунта с силикатом.
Цементно-грунтовая технологияоснована на смешивании до однородного состояния цемента и естественного грунтапри установленном содержании воды и уплотнении с целью придания укреплённомугрунту определённых свойств: прочности, устойчивости, морозостойкости и т. д.[4].
Впервые в России цемент дляукрепления грунтов был применён для устройства садовых дорожек [1]. Послереволюции первые опыты по укреплению грунтов портландцементом были проведены в1927 году на опытных дорожках Ленинградского дорожно-исследовательского бюро.
Лабораторные исследования поукреплению грунтов цементом проводились также ЦИАТ и ДорНИИ. Положительныерезультаты исследований позволили выполнить укрепление грунта цементом подасфальтобетонные покрытия на подъездных путях к территории Всесоюзнойсельскохозяйственной выставки. В послевоенный период начинается широкоевнедрение цементогрунтов в дорожном и аэродромном строительстве [3].Цементно-грунтовые основания были применены взамен щебёночных и песчаных слоёвна автомагистралях Москва — Харьков (1946–1949), Москва — Ленинград (1949),Москва — Рязань (1950) и др. Решающее значение для развития метода укреплениягрунтов цементами имели работы В. М. Безрука, который в результате многолетнихисследований разработал теоретические и практические рекомендации укреплениягрунтов цементами [1–3, 6]. Как отмечает Безрук, на эффективность укреплениягрунтов цементом оказывает исключительно важное влияние химико-минералогическийсостав цементов, генезис, состав и свойства грунтов, в частности ихзаселённость и состав обменных катионов. Введение в цементно-грунтовые смесинекоторых веществ (например, мылонафта, саапстока и др.), образующих спродуктами гидролиза цемента гидрофобные и другие вещества, заполняющие поры,может в ряде случае придавать им повышенную водопроницаемость. С 80-х годовпрошлого века успешно велись работы по укреплению грунтов цементами комплекснымметодом, предусматривающим направленное влияние на процессы цементации грунтов.Но об этом ниже.
За границей, цементно-грунтовыетехнологии начали развиваться также в первой половине XX века. В 20-х годах в США изцементогрунтов делали покрытия просёлочных дорог [4]. После II мировой войны этот метод получилраспространение в Англии, Бельгии, Голландии и других европейских странах. Так,в Голландии, начиная с 1956 года, было укреплены десятки миллионов квадратныхметров почвы. Почти всюду она была песчаной и поэтому данная технологияполучила название пескоцементной. В 80-х годах прошлого века в ФРГ ежегоднооколо 1 млн. т цемента расходовалось на стабилизацию песков на севере страны(портовые сооружения Гамбурга, складские площадки), при строительствепросёлочных дорог. Во Франции эту технологию начали применять с 1972 годаблагодаря активности цементных компаний [4].
Во большинстве зарубежныхпубликациях отмечается, что укрепление грунтов с помощью цемента или смесицемента с известью для покрытий просёлочных дорог, вместо каменной наброскиуплотняемой механическим путём, представляется весьма экономичным решением [4].Из цементогрунтов, помимо просёлочных дорог, можно сооружать покрытия складскихплощадок, стоянок автомашин, постели оснований железных дорог, каналов,оснований отдельных типов зданий, а также грунтов, предназначенных длявозведения больших земляных плотин. Видимо, большой интерес длястроительно-дорожных фирм и читателей журнала представляет цементно-грунтоваятехнология производства работ.
Попытаемся вкратце осветить этотвопрос.
До начала работ по укреплениюгрунта необходимо провести в лаборатории его предварительный анализ, а затем,во время работ, осуществлять постоянный контроль. Грунты различаются в основномпо их природе, гранулометрии и содержанию воды.
Грунт может быть более или менеесвязным, содержать в разной пропорции суглинки и глину.
При высоком содержании глиныприменяют так называемое смешанное укрепление, при котором в грунтпредварительно добавляют известь (2–5 %) для улучшения хлопьеобразования и, вконечном итоге, рассыпания грунта при проходе машин. Грунты, содержащиесульфаты (более 1%), могут быть опасны, поскольку сульфат вступает в реакцию сцементом. В этом случае необходимо применять либо цемент с низким содержаниемтрёхкальциевого алюмината (цемент, предназначенный для морских работ), либоцемент с высоким содержанием минеральных добавок (золы-уноса, доменного шлака,пуццоланов). Особенно нужно быть осторожным, когда дело касается частичногоосушения влажного или насыщенного водой грунта после дождей. Это делается спомощью негашёной извести или путём аэрирования грунта «рыхлителем».
грунты,содержащие сульфаты (более 1%), могут быть опасны, поскольку сульфат вступает вреакцию с цементом
Обычно испытания грунта проводятс целью определения основных характеристик грунта: предел текучести, пределпластичности, гранулометрическая кривая и др.; устанавливают оптимальный расходводы и цемента. Расход цемента может меняться в пределах 4–12 % в зависимостиот грунта. Чаще всего он составляет 6–20 %. Для примера в табл. 2 приводятся данные, взятые изнормативных документов Германии.