Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные материалы для строительства и реконструкции автодорожных мостов

Одним из основных материалов для строительства мостов является тяжелый бетон. В первую очередь его используют при устройстве фундаментов, тел опор, пролетных строений и т.д. С учетом вида и условий работы той или иной части сооружения наиболее часто в мостовых конструкциях применяют бетоны класса до В40, с морозостойкостью для мостовых конструкций, эксплуатируемых в нормальных климатических условиях, - до F300.

Во время долголетней эксплуатации бетонные и железобетонные мостовые сооружения подвергаются как суровым природным воздействиям окружающей среды, так и интенсивной, возрастающей с течением времени нагрузке. В связи с этим к качеству бетона, определяемому его составом, способами укладки и последующего ухода, предъявляются повышенные требования.

Эти требования к бетону мостовых сооружений могут быть удовлетворены путем применения высококачественных заполнителей и, где это необходимо, высокомарочных и специальных цементов, современных добавок и технологий изготовления конструкций. Кроме того, использование высокомарочных цементов позволяет значительно снизить расход вяжущего в высокопрочных бетонах.

Наиболее эффективным является применение этих бетонов в предварительно напряженных конструкциях. Использование бетонов класса до В80 в таких конструкциях позволяет снизить расход бетона до 40% при общем снижении стоимости строительства до 10%.

Модифицированный бетон

Цементный бетон третьего тысячелетия - модифицированный бетон. Одним из перспективных современных направлений в области получения таких бетонов, в том числе для искусственных сооружений, является применение комплексных добавок, включающих микрокремнезем. Работы кафедры в этом направлении начались с 80-х годов XX века.

Микрокремнезем (МК) представляет собой отход производства ферросилиция и содержит до 90% сферического аморфного диоксида кремния. Его удельная поверхность достигает 20000 м²/кг. Различают наносилику и микросилику с диаметром частиц, соответственно, около 0,015 и 0,1 мкм. Для сравнения, зерна цемента имеют средний размер 10 мкм. Как добавка к бетону микрокремнезем впервые был применен в Норвегии при строительстве тоннеля в г. Осло в 1952 г. Сегодня лидерами по его использованию являются Норвегия, Канада, США и Германия.

Рис. 1. Влияние температуры твердения на кинетику изменения прочности бетона: состав 1 - контрольный состав бетона; t = +18?20°С; состав 2 - контрольный состав бетона с добавкой микрокремнезема + С-3; t = +5°С; состав 3 - бетон с комплексной добавкой микрокремнезема +С-3 + сульфоалюминат Ca; t = +5°С

В этих странах его используют в порошкообразном состоянии, в виде шлама (при этом сам шлам может дополнительно содержать химические добавки) с соотношением микрокремнезем / вода, равным 1:1, и в уплотненном, например таблетированном, состоянии - для совместного размалывания с портландцементом с последующим введением химических добавок.

В России микрокремнезем стал применяться позднее. Чаще его вводят в виде добавки при приготовлении бетонной смеси.

Оптимальным является введение МК совместно с пластификаторами или суперпластификаторами и, в ряде случаев, - с воздухововлекающими добавками.

Это связано с тем, что повышенное содержание МК в бетоне отрицательно сказывается на реологических свойствах последнего.

Для получения максимально положительного эффекта при использовании МК необходимы равномерное распределение его частиц в бетоне, оптимальное количество суперпластификатора, правильный подбор состава бетона и параметров перемешивания бетонной смеси.

Рис. 2. Влияние количества добавки микрокремнезёма на трещиностойкость бетона (28 суток)

бетон твердение прочность микрокремнезем

МК уплотняет структуру бетона, взаимодействуя с гидроксидом кальция, способствует образованию низкоосновных гидросиликатов кальция и позволяет получать бетоны класса до В115, снижать расход вяжущего, уменьшать поперечное сечение элементов, увеличивать срок службы сооружений.

Особенностью механизма гидратации цемента с МК является эффект активации твердения бетона при низких положительных температурах (+5°C) и повышение трещиностойкости.

Таким образом, благодаря применению МК наряду с высокой прочностью бетон приобретает и такие ценные свойства, как повышенную водонепроницаемость, морозостойкость (при температуре до ? 60°C), коррозионную стойкость, ударостойкость и т.д. Обычно процент введения МК составляет от 10 до 30% от массы вяжущего.

Оценивая зарубежный опыт, необходимо отметить, что комплексные модификаторы на основе МК широко и успешно применяются в мостостроении. Так, в провинциях Квебек и Онтарио (Канада), начиная с 1990 г., построен ряд мостов (среди них в 1995 году - 13-километровый мост, соединивший материковую часть Канады с одним из островов), прочность бетона у которых достигала 75-80 МПа. При этом в полной мере обеспечивались защита от воздействия на конструкции хлоридов и сульфатов и повышенная износостойкость в контакте с водой и льдом.

Бетон с МК находит применение не только при строительстве и ремонте автомобильных дорог и мостов, но и ввиду своей низкой проницаемости - устройстве очистных сооружений, изготовлении труб коллекторов и др.

К бетонам с комплексными модификаторами можно отнести и цементно-полимерные бетоны, которыми кафедра занимается начиная с 60-х годов прошлого века. В частности, в конструкциях дорожных одежд автодорожных мостов в составе модификаторов используют полиаминную смолу №89 с воздухововлекающими, газообразующими (СНВ, СДО, жидкостью 136-41) и тонкомолотыми минеральными добавками. В результате этого прочность в раннем возрасте (3-7 суток) увеличивается на 25-30%, морозостойкость - до F400-600, водонепроницаемость - до W14. Изготовленные с применением этой технологии конструкции находятся в эксплуатации более 30 лет, при полном отсутствии отказов по основным параметрам долговечности.

Смола №89 хорошо зарекомендовала себя и в сочетании с другими добавками, например, вводимой при изготовлении бетонной смеси сухой добавкой ЛНО-1, также предложенной кафедрой. Такое сочетание позволяет производить бетонирование в зимнее время при температуре до ? 15-20°C, увеличивая трещиностойкость и водонепроницаемость бетона до W14-18.

Практика убедительно доказывает - вводя в состав бетонных смесей комплексные добавки, включающие МК или полимерные соединения, можно изменять в лучшую сторону многие свойства бетона.

Шлакощелочные вяжущие и бетоны

Целям повышения эксплуатационных свойств и долговечности искусственных сооружений могут служить и новые вяжущие вещества, такие как, например, разработанные в 60-х годах XX века шлакощелочные вяжущие (ШЩВ). Сырьем для их изготовления служат размолотые до удельной поверхности портландцемента попутные продукты металлургического производства - шлаки и щелочные компоненты - растворимые стекла, сода, поташ, едкие щелочи, твердые и жидкие щелочные отходы промышленности.

Рис. 4. Кинетика поглощения органонефтяной среды

На основе бесцементного шлакощелочного вяжущего могут быть получены бетоны (ШЩБ) с прочностью на сжатие до 140 МПа, морозостойкостью до F1300 (при испытаниях при температуре ? 200°C) и до F140 (при испытаниях при температуре ? 50°C), обладающие высокой коррозионной стойкостью, в том числе в органо-нефтяной среде (рис. 4), трещиностойкостью, регулируемой деформативностью, повышенной выносливостью при динамических воздействиях. Это подтверждено исследованиями кафедры и наблюдением за работой опытных конструкций в натурных условиях в течение 12 лет.

Отличительной особенностью бетонов на основе ШЩВ является возможность применения менее качественного заполнителя с суммарным содержанием пылевидных и глинистых частиц до 25% и возможность снижения температуры тепловлажностной обработки сборных железобетонных конструкций или полный отказ от нее.

В таблице 1 приведены результаты сравнительных испытаний на водонепроницаемость ШЩБ и бетона на основе портландцемента для мостовых опор.

Таблица 1. Изменение водонепроницаемости шлакощелочного бетона и бетона на основе портландцемента в зависимости от условий твердения

На основе ШЩБ получены керамзитобетоны, обладающие прочностью 50-55 МПа со средней плотностью 1800-1900 кг/м³ на низкопрочном керамзите, что дает возможность выпуска прочных и более легких мостовых конструкций.

Себестоимость бесцементного ШЩБ по сравнению с традиционным бетоном на основе портландцемента ниже в 1,7-2,9 раза, расход удельного топлива на его производство уменьшается в 3-5 раз, а электроэнергии - в 2 раза.

Таблица 2. Основные характеристики бетонов с демпфирующими свойствами на основе вяжущих разных видов

Создано комбинированное алюмосиликатное вяжущее, содержащее ШЩВ и метакаолинит. Бетон на его основе обладает повышенными виброгасящими и демпфирующими свойствами за счет образования цеолитоподобных минералов, отличающихся повышенным содержанием воды в порах и выполняющих роль гасителей внутренних напряжений. В таблице 2 приведены основные характеристики бетонов с демпфирующими свойствами в сравнении с традиционным бетоном на основе портландцемента.

Гидроизоляционные материалы

Для повышения долговечности железобетонных мостовых конструкций в ряде случаев необходимо предусматривать их гидроизоляцию. Устройство гидроизоляции предохраняет бетон пролетных строений от проникновения атмосферной воды и, следовательно, разрушения и коррозии арматуры. Гидроизоляция пролетных строений может быть обеспечена несколькими путями:

· устройством выполняющих единственную функцию гидрозащиты нижерасположенных несущих железобетонных конструкций изолирующих слоев;

· устройством совмещающих функции гидроизоляции и дорожной одежды покрытий по поверхности несущей конструкции;

· созданием железобетонных конструкций из материалов, обеспечивающих достаточную долговечность пролетного строения без устройства самостоятельных гидроизолирующих слоев или покрытий.

При первом способе многослойная гидрозащита включает выравнивающий слой, собственно гидроизоляционный ковер и защитный слой, по которому укладывают дорожное покрытие. Для выравнивающего и защитного слоев применяют бетоны, имеющие В/Ц не выше 0,42, прочность не ниже 30 МПа и морозостойкость не менее F300. Как правило, бетоны готовят с использованием воздухововлекающих и газообразующих добавок типа СНВ, жидкости 136-41 и СДО.

Одно из направлений в решении вопроса гидрозащиты заключается в создании железобетонных конструкций пролетных строений с плитой, состоящей в верхних слоях из материала, стойкого к агрессивным воздействиям окружающей среды, а потому не требующего устройства специальных гидроизоляционных слоев, а в ряде случаев и слоев износа.

На практике проблема сводится к изготовлению двухслойных железобетонных конструкций с плитой проезжей части, изготовляемой в заводских условиях частично или полностью из бетона, обладающего высокими водонепроницаемостью, морозо- и трещиностойкостью, коррозионной и износостойкостью. При этом бетон нижней части конструкции совмещают со специальным бетоном верхнего слоя еще на стадии укладки бетонных смесей. Одним из вариантов такого способа защиты является использование дисперсно-армированного полимерцементного бетона с добавкой смолы №С-89.

Рис. 5. Устройство битумно-полимерной наплавляемой рулонной гидроизоляции

В мостостроении для получения бетона с гидроизоляционной функцией применяют также комплексную добавку пластифицирующего и воздухововлекающего действия (СНВ, ПАЩ, ЛСТ и т.д.), смолу №89, мылонафт, хлорное железо.

Широкое применение в настоящее время имеют и битумно-полимерные рулонные гидроизоляционные материалы, такие как «Мостопласт», «Изопласт», «Поликров», «Гермокрон», «Изоэласт» и др. Например, «Мостопласт» получают путем двухстороннего нанесения на полиэфирное нетканое волокно битумно-полимерного вяжущего, включающего нефтяной битум, полиолефины, полипропилен и наполнитель.

В качестве защитного покрытия используется мелкозернистая посыпка с лицевой стороны и полиэтиленовая пленка - с другой. «Мостопласт» рекомендуют применять для гидроизоляции мостов и виадуков во всех климатических районах РФ (рис. 5). В таблице 3 приведены основные характеристики современных наплавляемых рулонных гидроизоляционных материалов.

Таблица 3. Отечественные рулонные гидроизоляционные наплавляемые материалы

Во многих случаях для гидроизоляции бетона широко применяются хорошо зарекомендовавшие себя материалы типа «Пенетрон». Строителям предлагается широкий выбор: Penetron (США), Vandex (Швейцария), Xypex (Ксайпекс) Канада, «Кальматрон», «Лахта», «Акватрон» (Россия) и другие материалы этого типа.

«Пенетрон» применяется для придания водонепроницаемости монолитному бетону и сборным конструкциям. Он предотвращает проникновение воды при давлении, защищает бетон от химикатов, кислот, промышленных, соленых и агрессивных грунтовых вод, карбонатов, хлоридов, сульфатов, нитратов, а также повышает морозостойкость бетона. К добавкам системы «Пенетрон» относятся «Пенетрон», «Пенекрит», «Ватерплаг» («Пенеплаг»), «Пенетрон плюс», «Пенетрон-пневматик».

«Пенекрит» используется для заполнения трещин и отверстий, образующихся после удаления стяжек опалубки монолитных конструкций, а также каверн и идущих от них трещин по растворной части.

«Ватерплаг» («Пенеплаг») - быстротвердеющий состав, способный остановить сильные течи под давлением.

«Пенетрон плюс» является затирочным раствором, применяемым в системе «Пенетрон» для горизонтальных поверхностей и сборного железобетона. Он представляет собой специально подобранную смесь, облегчающую работы при затирке поверхности.

«Пенетрон-пневматик» является добавкой, используемой при торкретировании.

В общем виде добавки системы «Пенетрон» состоят из специального цемента, кварцевого песка и активирующих добавок. Гидроизоляционный эффект достигается вследствие реакции различных химических компонентов, содержащихся в растворе, со свободным оксидом кальция бетона. При нанесении его на бетонную поверхность, химические добавки под действием осмотического давления глубоко проникают в капилляры бетона (рис. 6). Кристаллизуясь, они блокируют капилляры и трещины, вытесняя влагу.

Рис. 6. Механизм действия проникающей гидроизоляции

Процесс протекает как при положительном, так и при отрицательном давлении воды. В случае отсутствия влаги компоненты бездействуют. При ее появлении они автоматически начинают реакцию, и процесс гидроизоляции продолжается вглубь бетона. Рост гидроизоляционных кристаллов отмечался на глубине до 90 см от места их нанесения. Являясь наиболее эффективной гидроизоляционной системой (водонепроницаемость до 1,2 МПа), эти материалы имеют высокую морозостойкость (не менее F300), защищают арматуру от коррозии, воздействия агрессивных сред.

Аналогичной по воздействию на изолируемые материалы системе «Пенетрон» является, например, «Акватрон», обладающий способностью не только глубоко проникать в поры изолируемого материала, но и «бронировать» его в результате образования на поверхности механически и химически прочного слоя.

Таблица 4. Величина давлений при испытании образцов

В таблице 4 приведены результаты испытания на водонепроницаемость образцов, покрытых защитными составами.

Учитывая возможности испытанных защитных составов, наиболее эффективно применение этих материалов для конструкций мостов в качестве:

· воздухопроницаемого покрытия при защите наружных поверхностей бетонных и железобетонных пролетных строений и опор вместо лакокрасочных материалов на основе синтетических смол, препятствующих просушке конструкций, токсичных и легко воспламеняющихся;

· системы защиты и для восстановления монолитности выщелоченного бетона внутренней поверхности балластных корыт при замене гидроизоляции;

· защитного покрытия, повышающего водонепроницаемость и морозостойкость бетона сливов подформенных площадок, оголовков опор, элементов и водопропускных труб;

· защитного покрытия, повышающего стойкость бетона в агрессивных средах.

Сухие смеси

Одним из новых направлений в строительном материаловедении являются технологии, основанные на применении сухих модифицированных смесей. Хорошо зарекомендовали себя сухие смеси отечественного производства «Алит», «ЦМИД», «Петромикс» и др. Помимо них на отечественном рынке строительных материалов широко представлена продукция зарубежных фирм. Например, смеси семейства Pagel фирмы Shomburg, которые могут применяться для производства строительных и ремонтных работ при возведении мостовых опор и устройстве конструкций для мостовых швов. Так, раствор с добавкой V1/50 на основе цемента сохраняет текучесть свыше 120 мин., обладает высокими начальной и конечной прочностями при сжатии (в возрасте одних суток - 45 МПа, 28 суток - 101,0 МПа); растяжении при изгибе (в возрасте одних суток - 7,9 МПа, 28 суток - 15,5 МПа), повышенной морозостойкостью, водонепроницаемостью, устойчивостью к маслам и бензину.

Для изготовления износоустойчивых бетонных покрытий проезжих частей фирма Shomburg предлагает сухие смеси типа FIBRIDUR. Бетоны на основе этих смесей имеют малую истираемость, повышенную морозостойкость, высокую долговечность.

Материалы для деформационных швов и монтажных стыков

Важной проблемой в мостостроении является устройство деформационных швов.

В настоящее время на автомобильных дорогах России в эксплуатации находится несколько десятков тысяч малых и средних мостов с балочными разрезными железобетонными строениями длиной от 12 до 33 м, продолжается строительство новых. Конструкции таких мостов предусматривают устройство деформационных швов, рассчитанных на малые (±20 мм) перемещения концов пролетных строений. При таких перемещениях устраивают, как правило, деформационные швы закрытого типа.

Многолетний опыт эксплуатации выявил ряд их недостатков, проявляющихся в быстром разрушении, нарушении околошовной зоны асфальтобетонного покрытия, коррозии железобетонных конструкций пролетных строений и опор - что неминуемо сказывается на безопасности движения автотранспорта.

Существующие отечественные конструкции заполненных швов, например, с резиновыми компенсаторами, также не лишены недостатков.

В последние годы на нашем рынке появились новые композиции для заполнения таких швов: Thormajoint, (Великобритания), Maurer (Германия), «Россербмост» (Сербия), Servideck (Великобритания) и др. Обладая более высокой герметичностью, прочностью и долговечностью, они имеют и более высокую стоимость.

Анализ опыта эксплуатации «заполненных» швов с латунными или резиновыми компенсаторами показал, что наиболее частой причиной их массового разрушения является действие вертикальных нагрузок от колес автотранспорта. Установлено, что наиболее эффективной может быть признана конструкция шва комбинированного типа, включающая перекрывающие элементы по типу плит перекрытых швов и элемента швов заполненного типа, из которых первые воспринимают нагрузку от давления колес автомобилей, вторые - служат для обеспечения герметичности шва.

Недавно запатентован отечественный состав (патент №2169161, 2001 г.) для заполнения деформационных швов, имеющий технические характеристики, не уступающие зарубежным аналогам, и более экономичный. Это достигается за счет применения новых прогрессивных полимербитумных материалов. На рис. 7 представлена конструкция деформационного шва комбинированного типа.

Композиция для заполнения шва включает нефтяной битум (выполняющий роль матрицы) и пластифицирующий и структурирующий компоненты. В таблице 5 приведены физико-механические характеристики и стоимость композиции в относительных единицах.

Рис. 7. Конструкция деформационного шва

Данный состав выпускается промышленно в Санкт-Петербурге, и его производство может быть достаточно просто налажено в других регионах страны.

Таблица 5. Характеристики битумно-полимерных композиций в сравнении с аналогом

Недавно на российском рынке появились эластомерные ленточные профили для швов FM и FMS согласно DIN 7865 с интегрированным центральным шлангом (Dehnfugenband INTEGRAL) фирмы Shomburg. Они применяются в деформационных швах шириной до 80 мм. Для дорожных покрытий без промежуточного пространства предлагается в качестве особой формы деформационного шва только паз для смещений вдоль и поперек шва. Для гидроизоляции шва в этих случаях применяют ленты с центральным шлангом - кожухом Duroject.

Если сооружения возводятся из сборных элементов, их эксплуатационная надежность во многом зависит от качества и проницаемости монтажных стыков. При этом герметизирующие материалы работают в наиболее сложных условиях - силовые воздействия для каждого вида стыков неодинаковы и требуют индивидуального выбора материалов и технологий герметизации.

В таблице 6 приведены сравнительные характеристики основных свойств материала для жестких стыков на основе глиноземистого цемента, гипса и комплексного модификатора, состоящего из смолы №89, ЛСТ и полиэтиленовой эмульсии.

Таблица 6. Основные свойства материала для жестких стыков

Для полужестких стыков, к которым предъявляются повышенные требования по деформативности, был предложен состав, содержащий смолу №89, добавку ЛНО-1 и латекс СКС-65ГП. Адгезионная прочность состава при введении добавок возрастает в 7-8 раз, деформативность - в 3-3,5 раза, водонепроницаемость достигает W12, морозостойкость - F300. Промышленное производство смолы №89 освоено в Санкт-Петербурге.

Геоматериалы

Относительно новым направлением в технологии строительства и ремонта мостов является использование георешеток и геотекстиля. В настоящее время метод объемного армирования с использованием георешеток широко применяется в транспортном строительстве в США, странах Западной Европы, а начиная с середины 90-х годов XX века в России. Сегодня накоплен достаточный практический опыт их использования для повышения долговечности и несущей способности основания автомобильных дорог, укрепления конусов мостов, путепроводов, подпорных стенок и др.

Эффективность применения георешеток помимо их длительной службы в указанных сооружениях подтверждается проведением штамповых испытаний, в результате которых определялись численные значения модуля деформации конструкций дорожных одежд. Количество слоев георешеток и их характеристики определяются исходя из конкретных инженерно-геологических условий. В многослойных конструкциях возможна их комбинация с геотекстилем. В России нашли применение георешетки «Прудон», TENAX, геосетки TENSAR и др.

Георешетки обладают следующими положительными качествами:

· длительным, свыше 100 лет, сроком службы;

· высокой армирующей способностью за счет конструктивных особенностей, улучшающих сцепление с армируемым основанием;

· повышенной прочностью на разрыв и др.

Применение георешеток для объемного армирования земляного полотна конструктивных слоев дорожной одежды из несвязных материалов дает возможность снизить трудоемкость выполнения работ и сократить сроки строительства. В зависимости от условий строительства применяют однослойные (с горизонтальной прослойкой из геотекстиля) и многослойные георешетки, обеспечивающие равномерное армирование всего массива насыпи. Георешетки, заполненные инертными материалами, позволяют уменьшить толщину дорожной одежды на 30-50% по сравнению с традиционной конструкцией.

С 1995 года наряду с укреплением основания автомобильных дорог подобное решение применяется для укрепления конусов мостов и путепроводов (рис. 8). Эта технология по сравнению с традиционными способами укрепления конусов дает возможность:

· уменьшить расход строительных материалов и снизить транспортные расходы;

· снизить расходы на содержание конструкции укрепления конуса;

· обеспечить долговечность конструкции;

· повысить морозостойкость, в т. ч. при температуре окружающего воздуха до ?50°С.

Для укрепления крутых склонов подпорными стенками применяют многослойные конструкции, в которых георешетки располагаются горизонтально одна над другой со смещением на расстояние, равное половине ширины ячейки. В качестве заполнителя для ячеек георешеток можно применять песок, щебень, растительный грунт, бетон на цементной или бесцементной (шлакощелочной) основе.

В заключение следует отметить, что в таком кратком обзоре не представляется реальным осветить все проблемы, представляющие интерес с точки зрения современного мостостроения. Однако следует также отметить, что и возможности их решения, благодаря достижениям современной науки, стали намного шире возможностей, информацию о которых можно отразить в одной журнальной публикации.

бетон твердение прочность микрокремнезем

Размещено на Allbest.ru