1. ВВЕДЕНИЕ

Повышение требований к надежности, работоспособности и прочности дорожных одежд вызвано ростом грузоподъемности транспортных средств и интенсивности движения на дорогах. За последнее десятилетие автомобильный парк России вырос в три раза. На некоторых дорогах интенсивность движения в 1,5-3 раза превышает допустимую для данной категории дороги. В то же время дорожники России столкнулись с проблемами, которые связаны с низкой несущей способностью дорожных одежд: колееобразованием на дорогах, интенсивным развитием ям и выбоин, появлением сетки трещин на покрытиях.

Возрастающим требованиям движения, особенно на грузонапряженных магистралях, как показывает отечественный и мировой опыт, в наибольшей степени отвечают цементобетонные покрытия. Их преимуществами по сравнению с покрытиями, построенными с применением органических вяжущих, являются стабильные транспортно-эксплуатационные показатели и высокая долговечность.

В настоящее время в России построено 9790 км дорог с бетонными покрытиями. Для сравнения, в США насчитывается 120 тыс. км таких дорог. Примерно 60% межштатных дорог с интенсивным движением транспортных средств имеют цементобетонные покрытия. В КНР и других странах активно идет строительство магистральных дорог с жестким типом покрытий.

Срок службы цементобетонных покрытий в России существенно ниже, чем в развитых зарубежных странах. Проведенный анализ показал, что одной из причин этого является низкое качество эксплуатационного содержания и ремонта покрытий.

У российских дорожников годами складывалось представление о том, что цементобетонные покрытия не нуждаются в текущем ремонте и поддержании их транспортно-эксплуатационного состояния. В отечественной научной и учебной литературе утверждалось, что одним из преимуществ цементобетонных покрытий перед асфальтобетонными является значительно низкие затраты на эксплуатационное содержание и ремонт. Как показала практика - это ошибочное мнение.

К ремонту покрытий дорожные службы часто приступают в тот момент, когда уже накопилось значительное количество дефектов и резко снизилось их эксплуатационное состояние. В этом случае в десятки раз увеличивается стоимость ремонта, возрастает сложность выполнения работ.

На дорогах России до последнего времени применяли традиционную технологию ремонта деформационных швов, трещин и сколов кромок плит с использованием резинобитумных мастик. Известно, что такой ремонт, как правило, недолговечен.

За последние годы произошли существенные изменения в самом подходе к ремонту цементобетонных покрытий, созданы эффективные ремонтные и герметизирующие материалы, разработаны прогрессивные технологии с применением современных машин, механизмов и инструментов, значительно увеличились возможности использования зарубежного опыта в этой области.

2. ОСНОВНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ

Цементобетонные покрытия работают в условиях сложного напряженного состояния под действием повторных динамических нагрузок от автомобилей и переменных температурно-влажностных полей.

При нагревании или охлаждении плит покрытия они стремятся изменить свои линейные размеры, но из-за сопротивления свободному перемещению по основанию в них возникают температурные напряжения.

При изменении температуры по толщине цементобетонного покрытия плиты коробятся выпуклостью вниз (ночью) или вверх (днем) в зависимости от направления теплового потока. При несостоявшихся деформациях коробления в плитах также возникают температурные напряжения, величина которых зависит от их собственной массы и геометрических размеров.

Условия работы цементобетонного покрытия в разных его зонах (в центре, на краю, торце, углу плиты, полосе наката и т.д.) являются существенно неоднородными. Это создает возможность для накопления остаточных деформаций оснований под периферийной частью плит покрытия по всему периметру и для частичного нарушения контакта их нижней поверхности с основанием, особенно в зонах края и поперечных швов. В результате образуются зависающие участки плиты, в которых резко возрастают отрицательные изгибающие моменты при расположении нагрузки над швом.

Температурно-влажностные напряжения совместно с напряжениями от транспортных средств приводят к возникновению и развитию трещин [1]. В цементобетонном покрытии они образуются в разное время, в различных местах плит, имеют разное очертание и направление. Трещины могут быть волосными, поверхностными и сквозными. Поверхностные трещины постепенно увеличиваются в длину и глубину и могут разветвляться в разных направлениях.

Опасность сквозных трещин состоит в том, что они снижают несущую способность цементобетонных покрытий и создают условиях для проникания воды в грунтовое основание.

Кроме трещин, к характерным деформациям и разрушениям цементобетонных покрытий относятся шелушение поверхностного слоя бетона, отколы углов и краев плит, их вертикальные смещения, коробление, разрушение стыковых соединений и заполнителей швов.

Характерные наиболее распространенные деформации и разрушения цементобетонных покрытий автомобильных дорог представлены в табл. 1.

Таблица 1

3. КОНЦЕПЦИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ

До недавнего времени в России не применяли специальных технологий восстановления транспортно-эксплуатационного состояния покрытий. Считалось, что цементобетонные покрытия имеют срок службы 25-30 лет и почти не требуют затрат на ремонт. Несвоевременное выполнение, а чаще всего, не выполнение текущего ремонта, а также низкое качество строительства приводили к накоплению значительного количества дефектов уже в первые годы эксплуатации покрытий и резкому снижению их эксплуатационного состояния. В этом случае в десятки раз увеличивалась стоимость ремонта, возрастала сложность выполнения ремонтных работ. Появилось мнение о том, что одним из главных недостатков цементобетонных покрытий является сложность их ремонта и особенно восстановления поверхностного слоя.

Современная стратегия технической политики большинства развитых стран мира в области ремонта и содержания автомобильных дорог состоит в профилактике и предупреждении возникновения деформаций и разрушений дорожных одежд и покрытий. Суть данной стратегии заключается в том, чтобы своевременно выявить места и причины возможных деформаций и разрушений и устранить их на ранней стадии развития [2].

Опыт эксплуатации автомобильных дорог, а также экспериментальные исследования, выполненные в России [3] и за рубежом [4], свидетельствуют о том, что ровность дорожных покрытий в течение эксплуатации постепенно ухудшается по мере увеличения числа приложений расчетной нагрузки.

Периодическое восстановление ровности покрытия в период эксплуатации приводит к значительному увеличению его работоспособности.

В общем виде зависимость ровности от прочности дорожной одежды и числа приложений нагрузки в течение эксплуатации имеет вид

                                                                                (1)

где N_р - число проходов автомобилей, приведенных к расчетной нагрузке на ось;

S_к - предельно допустимое (максимальное) значение показателя толчкомера в конце эксплуатации дорожной одежды, см/км;

S_н - начальное значение показателя толчкомера, см/км;

К = 0,4+(6,7l_y)^2,13,                                                                                                       (2)

                                                                                                        (3)

l_y - статический упругий прогиб дорожной одежды в расчетный период, см;

р - среднее удельное давление колеса расчетного автомобиля на покрытие, МПа;

D - диаметр круга, равновеликого по площади отпечатку колеса расчетного автомобиля, см;

Е_y -статический модуль упругости дорожной одежды в расчетный период, МПа;

μ - коэффициент Пуассона дорожной одежды.

Зависимость (1) позволяет для данной конструкции дорожной одежды при известной ее прочности, заданных уровнях ровности покрытия определить показатель работоспособности, выраженный суммарным числом проходов автомобилей, приведенных к расчетной нагрузке на ось.

Улучшение ровности покрытия ведет к повышению его работоспособности. Так, изменение ровности дорожного покрытия с 150 до 50 см/км увеличивает допускаемое число проходов расчетных автомобилей с 9,2 до 12,2 млн.

Учеными МАДИ (ГТУ), ГПИ и НИИГА «Аэропроект» совместно со специалистами ЗАО «Ирмаст-Холдинг» [5] были построены кривые износа эксплуатационного состояния дорожного покрытия (рис. 1). За «S» обозначен показатель эксплуатационного состояния по пятибальной шкале, определяемый по формуле

S = 5(1-m),                                                                                                                  (4)

где m - мера повреждений покрытия.

При значении показателя S = 3 (см. рис. 1, точка 1) состояние покрытия характеризуется как неудовлетворительное, и, следовательно, необходимо выполнить его ремонт. Если такой ремонт будет отложен по времени, то появление повреждений на покрытии будет прогрессировать (траектория 1-5) и объем ремонта возрастет

 

Срок службы покрытия, годы

Рис. 1. Изменение показателя эксплуатационного состояния покрытия:

1 - точка, отображающая состояние покрытия в начале ремонта; 2 - то же, после выполнения ремонта; 3 - кривая износа покрытия после проведения первого ремонта; 4 - то же, второго ремонта; 5 - то же, без выполнения ремонта

Из табл. 2 следует, что выполнять ремонт своевременно и поэтапно экономически выгодно, так как стоимость отложенного ремонта увеличивается примерно в 10 раз по сравнению с теми ремонтами, которые производятся вовремя. Очень важно, чтобы на покрытии не накапливались повреждения. В этом случае целесообразно, чтобы ремонт выполняли как дорожные эксплуатационные службы, так и специализированные подрядные организации, такие, например, как ЗАО «Ирмаст-Холдинг», НПО «Прогресстех» и др.

Небольшой объем работ по устранению ряда некрупных повреждений следует проводить силами дорожно-эксплуатационных служб. При этом они должны быть оснащены специальной техникой, исходя из принципа разумной достаточности и экономической целесообразности. Значительные ремонтные работы или работы, требующие использования особой техники, должны быть поручены специализированным организациям. Если же, как и прежде, стремиться все работы выполнять только силами ДРСУ, то амортизационные отчисления за дорогостоящую технику, например, для фрезерования или подъема просевших плит, могут серьезно осложнить и без того трудную жизнь дорожников. Очень важно, чтобы технические возможности дорожно-эксплуатационных организаций позволяли ежегодно производить весь объем работ по ремонту покрытий. В этом случае на покрытии не будут накапливаться повреждения, что приведет к весьма существенному продлению срока службы покрытий [5].

Для сохранения работоспособного состояния покрытия важную роль играют правильно выбранные ремонтные материалы и технологии, а также периодичность и последовательность выполнения работ. На основании обследования состояния покрытия и выявления причин образования деформаций и разрушений определяют очередность их ликвидации. В первую очередь желательно назначить те ремонтные работы, которые позволили бы устранить причины образования дефектов на покрытии.

Хотя для каждой автомобильной дороги следует разрабатывать индивидуальную программу ремонта, в обобщенном виде можно рекомендовать следующую очередность проведения восстановительных работ:

1. Устройство швов расширения (при их отсутствии) или дополнительных швов при неработоспособности существующих.

2. Разделка, очистка, восстановление геометрии деформационных швов и их герметизация.

3. Консервация трещин.

4. Замена разрушенных участков плит на всю толщину.

5. Выравнивание поверхности покрытия.

6. Устранение сколов кромок плит и выбоин.

7. Ликвидация разрушений поверхности бетона.

8. Устранение усадочных трещин.

9. Укрепление поверхности бетона специальными составами.

В настоящее время в России есть все необходимое для того, чтобы реально уйти от сложившейся практики перекрытия цементобетонных покрытий слоями асфальтобетона. В мировой практике накопился положительный опыт длительной эксплуатации цементобетонных покрытий без капитального ремонта за счет периодического выполнения ремонтных работ, направленных на устранение возникающих повреждений, не допуская их развития и накопления.

В условиях дефицита средств назрела необходимость разработать приемлемую с финансовой и технической точек зрения программу строительства в России магистральных дорог с использованием цементобетона в конструктивных слоях дорожных одежд. Важным элементом этой программы должна стать стратегия продления эксплуатационного ресурса жестких покрытий за счет повышения стойкости дорожного бетона к эксплуатационным воздействиям и улучшения качества содержания и ремонта покрытий.

4. РЕМОНТ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ И КОНСЕРВАЦИЯ ТРЕЩИН

4.1. Устройство компенсационных швов

В период массового строительства автомобильных дорог с цементобетонными покрытиями многие из них были сооружены без швов расширения. При эксплуатации покрытий, даже при наличии швов расширения, температурные швы постепенно засоряются и не работают. В летнее время, особенно в период высоких температур, наблюдается температурное перенапряжение плит. При этом интенсивно идет процесс образования сколов, разрушения плит, нарушается ровность покрытия, создаются условия для потери его продольной устойчивости. С тем чтобы затормозить эти процессы и предотвратить коробление плит устраивают компенсационные швы.

ЗАО «Ирмаст-Холдинг» разработало и реализовало на практике технологию устройства этого вида швов [6]. Компенсационные швы устраивают по типу швов расширения.

 

Рис. 2. Машины с алмазными дисками для нарезки швов:

а - глубиной до 170 мм; б - до 220 мм

Они предназначены для восприятия перемещений плит при их расширении под воздействием высоких температур. Ширину швов и расстояние между ними определяют расчетом.

Нарезка компенсационных швов возможна как по имеющимся швам сжатия (предварительно выполняют работу по извлечению старого герметика), так и в средней части плиты предпочтительно с помощью алмазного режущего инструмента, позволяющего получить безупречные кромки [7] (рис. 2, 3).

 

Рис. 3. Гидравлические машины для нарезки швов:

а - глубиной до 390 мм; б - до 580 мм

Нарезают цементобетонные покрытия на всю его толщину при ширине шва 30 мм. Тщательно очищают сквозной шов сжатым воздухом, просушивают и заполняют его нижнюю часть пенополиуретаном. Снимают фаски 2 мм на кромках шва под углом 45°, осуществляют грунтовку стенок и герметизацию его верхней части на глубину 30 мм.

Очень часто при устройстве компенсационных швов возникают дополнительные трудности, заключающиеся в том, что плиты в это время находятся в продольно-обжатом напряженном состоянии и могут, расширяясь в направлении образовывающихся щелей, зажимать режущий инструмент. Чтобы этого не происходило [8], разрезы большой глубины не должны выполняться за один проход. Глубина разреза за один проход должна составлять 6-7 см при скорости подачи 1 м/мин. Толщину дисков последующих разрезов следует уменьшать.

При полном закрытии шва после разрезки плиты дополнительно устраивают паз шириной 8-10 мм и глубиной 25-30 мм. Затем укладывают уплотнительный шнур и осуществляют герметизацию шва.

В тех случаях, когда в ремонтируемом покрытии имеются штыревые или иные соединения для передачи нагрузки с плиты на плиту, для обеспечения совместной работы разрезанных плит устанавливают стыковые соединения после «срабатывания» швов. Для размещения штырей производят устройство скважин диаметром 24 мм путем сверления бетона под углом 30° сверлильным станком с поворотным лафетом. После очистки пробуренного отверстия его заполняют вяжущим составом на основе акриловой смолы и вводят в скважину вращательным движением стальной анкер [9].

4.2.Восстановление герметизации деформационных швов и консервация трещин

Восстановление герметизации деформационных швов и консервация трещин - важные этапы работ по продлению эксплуатационного ресурса покрытий. Большую роль на эффективность работы герметика в швах и его срок службы оказывает деформативность герметизирующих материалов. При выборе типа герметика учитывают возможные максимальные отрицательные и положительные температуры воздуха региона, где эксплуатируются покрытия.

В настоящее время созданы уникальные герметизирующие материалы с использованием полимерных композиций. Среди отечественных мастик горячего применения наиболее известны герметики «Новомаст» и «Прогресс АГ», а среди импортных «Crafco» (США) и «Biguma» (Германия). Эти материалы имеют высокие технико-эксплуатационные характеристики и гарантированный срок службы не менее 5 лет [6].

Основные показатели некоторых герметизирующих мастик представлены в табл. 3, а требования к их относительному удлинению - в табл. 4.

Таблица 3

Таблица 4

Для разогрева мастик созданы специальные автоматические котлы с двойными стенками, термоконтролем и системой подачи мастики в швы и трещины (рис. 4). Растапливаемый материал опосредованно разогревается теплоносителем, в качестве которого применяют термомасло. Этим достигается щадящий режим плавления и разогрева мастики. Теплоноситель подогревают при помощи газового, масляного или дизельного обогрева. В емкости для разогрева мастики смонтирована установка принудительного перемешивания. Разогретую до нужной температуры мастику подают через сливной шланг и специальную пику с помощью нагнетающего насоса непосредственно в шов (трещину) (рис. 5). Котлы-заливщики монтируют на одноосной или двухосной ходовой части. Созданы и самоходные котлы с гидравлическим приводом на ведущее колесо, которые могут самостоятельно, без буксирующей машины, двигаться вдоль швов при их герметизации [7].

 

Рис. 4. Котлы-заливщики с опосредованным разогревом мастики

 

Рис. 5. Герметизация температурных швов цементобетонных покрытий

В зарубежной практике для герметизации швов используют также мастики холодного применения «VULCEM» (США), «U-SEAL» (Канада), «COLPOR» (Англия) и др. Эти мастики обладают хорошей деформативностью при отрицательных температурах и высокой долговечностью, однако стоимость их значительно превосходит стоимость мастик горячего применения. В то же время непременным условием высокого качества герметизации с помощью этих материалов является идеальное состояние кромок цементобетонных плит. Они должны быть сухими, чистыми, без микротрещин. Этим обусловлено применение холодных герметиков, в основном, при устройстве новых швов [6].

В последние годы в зарубежной практике очень часто используется для герметизации швов технология закатки в шов эластичных цельных или полых резиновых профилей. В этом случае возможно проведение работ даже в сырую погоду и при низких температурах [9]. Для установки профилей разработаны специальные машины. Размер профиля должен на 40% превышать ширину шва.

При ремонте швов выполняют работы по извлечению из них старого герметика при помощи минитрактора, оборудованного специальным шовным плугом, на котором монтируется зуб для выемки массы в зависимости от ширины шва. В случае, если по краям шва имеются остатки старой массы герметика, то они также удаляются с поверхности при помощи специального скребка-ножа. Если шов выполнен не качественно, то необходимо дополнительно нарезать (обрабатывать края) боковые грани с тем, чтобы обеспечить требуемые параметры полости шва [10].

При ремонте цементобетонного покрытия участка автомобильной дороги М1/Е30 Брест - Минск - граница России на всем его протяжении производили сплошной ремонт герметизации швов [11]. Удаление существующего герметика производили с помощью нарезчика швов, оборудованного набором дисков толщиной 9 мм, для получения ширины паза не менее 10 мм. Глубина расчистки и нарезки швов составляла не менее 30 мм. Для очистки швов от грязи применяли установку водоструйной очистки под высоким давлением. После промывки паз шва продували и сушили теплым воздухом (рис. 6). Период между сушкой и нанесением грунтовочного состава не должен превышать 15 мин.

 

Рис. 6. Оборудование для герметизации швов:

а - термоочиститель ТО-001; б - нарезчик швов с алмазной дисковой пилой РШ-120-01

Очистку швов часто выполняют щеточными машинами, переоборудованными из нарезчиков швов. Вращение щетки осуществляется против движения, что способствует более эффективному очищению шов (рис. 7).

 

Рис. 7. Щеточная машина для очистки швов от пыли и грязи

Для предотвращения отламывания кромок шва под нагрузкой и разгерметизации швов производят снятие фасок 2 мм у швов под углом 45° специальным алмазным диском.

Важной технологической операцией является не только очистка швов, но и грунтовка их поверхностей, которую выполняют специальными грунтовочными составами с использованием шприц-распылителей [4].

В девяностые годы швы заливали без грунтовки, позднее стенки шва стали обрабатывать разбавленной керосином мастикой. Наличие растворителя на поверхности бетона в контактной зоне снижает, а не повышает сцепление мастики с бетоном. Для улучшения сцепления на границе мастика- бетон в настоящее время применяют специальный полимерный клей типа Colzumix [8].

Ранее считалось необходимым полностью заливать шов мастикой. Герметизация на всю глубину шва не только неэкономична с точки зрения расходования мастики, но и вредна по конструктивным соображениям. Поэтому в настоящее время обязательным стало применение при герметизации швов резиновых уплотнительных шнуров как с целью экономии мастики, так и формирования оптимального поперечного сечения герметика в шве. ЗАО «Юнирбау» разработало специальные технические условия и поставляет резиновые губчатые шнуры с нулевым водонасыщением и стойкие к высоким температурам (мастика при герметизации имеет температуру 180 °С).

Консервацию трещин шириной до 40 мм, когда кромки трещины не обрушены, осуществляют практически по той же технологии, что и герметизацию деформационных швов. До начала консервации трещины разделывают распиливанием пальчиковой фрезой на глубину 30 мм и тщательно очищают от каменной мелочи, пыли, грязи и других посторонних предметов, препятствующих хорошему сцеплению герметизирующих материалов с бетоном. Разделка трещины пальчиковой фрезой позволяет повторить конфигурацию трещины, не создавая запилов. Трещину продувают сжатым воздухом, а если бетон влажный - горячим воздухом. Затем в трещину засыпают резиновую крошку или запрессовывают уплотнительный шнур, обрабатывают стенки трещин огрунтовочным составом и герметизируют.

В настоящее время стали применять герметики с высокой проникающей способностью и возможностью их использования в зимних условиях. В этом случае ремонт трещин осуществляется при температурах до -15°С. Это дает возможность исключить из технологического цикла трудоемкую операцию разделки трещин, так как при отрицательных температурах они находятся в раскрытом состоянии [8]. Когда кромки трещины значительно разрушены, выполняют ремонт с применением специальных материалов по типу ремонта сколов [6].

4.3. Устранение сколов кромок плит и сколов деформационных швов

При устранении сколов кромок плит первоначально выполняют маркировку и оконтуривание дефектных мест с помощью нарезчика швов с алмазными дисками. Затем удаляют разрушенный бетон пневмоинструментом с малой энергией удара (специальным перфоратором, игольчатым пистолетом) и тщательно очищают место ремонта металлическими щетками. Далее осуществляют грунтовку очищенной поверхности бетона и заполнение поврежденного участка ремонтным материалом. Для устранения сколов кромок швов после удаления разрушенного бетона в шов вставляют соответствующей ширины планку. После затвердевания ремонтного материала планку удаляют из шва, дополнительно нарезают шов для исключения возможного соединения плит ремонтным составом и герметизируют шов.

При выполнении небольших объемов работ и в короткие сроки в качестве ремонтных материалов используют метакрилатные, модифицированные эпоксидные и другие искусственные смолы. Материалы «Silical» готовят на основе метакрилатных смол. Они относятся к двухкомпонентным реактивным смолам, не содержащим растворителей, а следовательно, и имеющим минимальную усадку в процессе твердения. Для обеспечения прочного сцепления бетона с ремонтным материалом используют грунтовочный состав метакрилатной смолы «Silical R51», обладающий малой вязкостью и большой проникающей способностью. Ниже приведены показатели, характеризующие искусственную смолу «Silical R51» для грунтовки поверхности бетона.

Для получения бетона на основе искусственной смолы «Silical» в качестве наполнителя используют сухой фракционированный кварцевый песок, который содержит в своем составе порошкообразный отвердитель - пероксид бензоила.

Предварительно приготавливают смесь минерального наполнителя и отвердителя, в которую на месте производства ремонтных работ вводят строго дозированное количество смолы, что позволяет получить бетоны стабильного качества с минимальной усадкой в процессе твердения. Материал «Silical» можно использовать для выполнения ремонтных работ при отрицательной температуре до -10°С. Свойства бетона на основе метакрилатной смолы «Silical R17» приведены ниже.

Для ремонта сколов кромок плит наряду с материалами на основе искусственных смол широко используют материалы на основе минеральных вяжущих, например, сухие бетонные смеси «Emaco» [12].

Средства механизации, рекомендуемые для устранения сколов кромок плит, герметизации деформационных швов и консервации трещин, представлены в табл. 5.

Таблица 5

5. РЕМОНТ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ

Шелушение бетона - наиболее характерный вид разрушений жестких покрытий. Анализ способов ремонта поверхностного слоя бетонных покрытий с использованием асфальтобетонных и цементобетонных смесей, смесей на жидком стекле, а также мелкозернистого торкретбетона показал, что они недостаточно эффективны. Так, применение смесей на жидком стекле характеризуется сложностью технологии ремонта, высокой стоимостью и повышенным уровнем опасности выполнения работ.

Использование традиционных цементобетонных смесей и мелкозернистого торкретбетона не обеспечивает необходимой долговечности ремонтного слоя, требует достаточно длительного закрытия движения на время проведения работ [13].

Тонкий слой асфальтобетона наименее долговечен при ремонте поверхности жестких покрытий. При этом резко ухудшается внешний вид цементобетонного покрытия [14].

Использование мастик для устранения шелушения бетона создает иллюзию благополучного состояния покрытия. Концентрация влаги на контакте слоев мастики и бетона ускоряет процесс разрушения поверхности при его замерзании [15].

Эффективность ремонта поверхностного слоя цементобетонного покрытия может быть обеспечена за счет:

- использования относительно недорогих смесей, которые можно легко приготовить и нанести на поверхность покрытия;

- быстрого ввода в эксплуатацию отремонтированного покрытия и его высоких эстетических качеств;

- применения материалов, имеющих высокие морозостойкость, прочность, деформативность и адгезию к бетону.

При глубине шелушения до 10 мм применяют предварительное выравнивание поверхности покрытия путем его фрезерования, а затем укрепление бетона гидрофобизирующим составом с помощью пропитки [6]. Для фрезерования поверхности покрытия используют специальные мощные машины, рабочий орган которых - вал с набором алмазных дисков общей шириной 0,15-0,6 м. Алмазные диски срезают неровности без разрушения микроструктуры остающегося бетона. Данная технология служит не только для устранения неровностей покрытия, но и связана также с повышением степени безопасности движения в результате увеличения сцепления колес автомобилей с бетонным покрытием [9].

От качества подготовки поверхности ремонтируемого участка во многом зависит прочность сцепления используемых составов с поверхностью старого бетона и сопротивляемость разрушению готового покрытия при воздействии на него транспортных нагрузок и природно-климатических факторов.

При подготовке цементобетонных покрытий к ремонту удаляют слабый или разрушенный слой бетона с устройством вертикальных стенок, очищают от пыли, мусора и грязи, а также промывают и просушивают (при необходимости) ремонтируемую поверхность.

Обрезку бетона по контуру производят алмазным инструментом по плоскости, перпендикулярной его поверхности, на глубину не менее глубины разрушенного слоя с последующим удалением ослабленного бетона перфораторами, отбойными молотками, проволочно-игольчатыми пистолетами, металлическими щетками, пескоструйными установками, шлифовальными машинами и фрезами. Предпочтение отдают обработке бетона пескоструйными установками, шлифовальными машинами и проволочно-игольчатыми пистолетами, позволяющими не изменять или даже увеличивать его прочность на отрыв[7].

Контуры ремонтируемых участков не должны иметь острых углов. Глубина зарезов в тело «здорового» бетона алмазным инструментом не должна превышать 20 мм. Удаление бетона на глубину разрушения по углам производят перфораторами или отбойными молотками.

Перед нанесением грунтовочного состава ремонтируемую поверхность очищают от пыли продувкой воздухом от компрессора, имеющего водо- или маслоотделитель.

При использовании ремонтного материала на основе минеральных вяжущих не позднее чем за 30 мин до начала укладки смеси поверхность бетона увлажняют до состояния полного насыщения. При необходимости излишки воды удаляют сжатым воздухом или с помощью ветоши.

Если в процессе подготовки бетонных поверхностей вскрыты арматурные стержни, то нельзя допускать их повреждения алмазными дисками. Максимальная глубина резания бетона по периметру ремонтируемого участка в этом случае не должна превышать толщину защитного слоя, а минимальная должна быть 20 мм [6].

При удалении поврежденного бетона вокруг арматурных стержней не допускают механического воздействия на арматуру отбойных молотков или перфораторов с целью снижения влияния вибрации на сцепление арматуры с бетоном. Вскрытые арматурные стержни полностью оголяют, а зазор между подготовленной поверхностью бетона и стержнем оставляют не менее 10 мм при крупности заполнителя в ремонтном материале до 5 мм и не менее 20 мм при крупности заполнителя более 5 мм. Стальную арматуру после вскрытия очищают от ржавчины и окалины [7].

Для ремонта мест глубокого шелушения и выбоин цементобетонных покрытий в настоящее время широко применяют быстротвердеющие высокопрочные бетоны. ЗАО «Ирмаст-Холдинг» организовало в России по лицензии фирмы MACspa (Италия) производство сухих бетонных смесей серии «Emaco», представляющих собой смеси подобранного состава, приготовленные на основе специальных цементов нормированного минерального состава, фракционированного инертного заполнителя, композиционной минерально-химической добавки и полимерного или металлического фибронаполнителя [12]. Прочностные характеристики некоторых типов сухих бетонных смесей «Emaco» представлены в табл. 6. Для получения бетона на месте укладки в смесь добавляют лишь воду.

Таблица 6

Основу смесей «Emaco» составляет цемент «Макфлоу», представляющий собой быстротвердеющий, пластифицированный, расширяющийся продукт, получаемый на основе портландцементного клинкера и комплекса расширяющих и пластифицирующих добавок.

В табл. 7 приведены составы бетона на основе цемента «Макфлоу».

Таблица 7

Прочностные характеристики бетона на цементе «Макфлоу» класса 52,5 представлены в табл. 8.

Таблица 8

Отечественная промышленность также приступила к выпуску сухих бетонных смесей для ремонта цементобетонных покрытий - это смеси РМ-26Ф (ТУ 5715-001-07805066) и НПО «Прогресстех» (ТУ 5870-001-11430927-99). Физико-механические показатели этих смесей приведены в табл. 9 [16].

Таблица 9

Для ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий находят применение составы на основе модифицированных эпоксидных смол. Одним из таких материалов является «Конкретин». Основными его преимуществами по сравнению с известными эпоксидными смолами ЭД-10, ЭД-16, ЭД-20 являются малая начальная вязкость, отсутствие растворителей в составе, низкий модуль упругости в затвердевшем состоянии и большое предельное относительное удлинение [6].

Для повышения сцепления материала «Конкретин» с бетонным покрытием используют маловязкую, не содержащую растворитель смолу «Конкретин IHS-BV». Расход смолы для грунтовки в зависимости от пористости бетонной поверхности составляет 300-500 г/м³. Ниже приведены характеристики грунтовочного состава на, основе этой смолы.

Для ремонта мест глубокого шелушения возможно использование эпоксидной смолы «Конкретен GMH» в смеси с фракционированным кварцевым песком.

Ниже приведены ее характеристики.

Интересен способ ремонта поверхностного слоя бетонных покрытий с использованием порошкообразных полимеров, которые способны расплавляться под действием высокой температуры и образовывать пленочные покрытия при последующем остывании [17]. В этом состоит принципиальное отличие способов их нанесения от традиционной технологии устройства покрытий из полимерных материалов. Одним из широко распространенных аморфных порошкообразных полимеров является поливинилбутираль (ПВБ).

Введение в состав порошкообразных полимерных материалов наполнителя и его взаимодействие с расплавом полимера оказывают существенное влияние на процесс формирования и свойства покрытия [15].

Ниже приведены физико-механические характеристики полимерного материала на основе ПВБ.

Основной технологической операцией при устройстве покрытий на основе поливинилбутираля является нагрев. Соблюдение оптимальных температурно-временных условий нагрева полимерминеральных композиций позволяет получить покрытие с наиболее высокими физико-механическими свойствами. Технология ремонта состоит из следующих операций: очистка поверхности от разрушенного бетона, промывка и просушивание ремонтируемого участка; приготовление и распределение сухой смеси, состоящей из ПВБ и кварцевого песка; нагрев слоя полимерминеральной композиции установкой инфракрасного излучения в соответствии с рекомендуемыми параметрами; твердение ремонтного покрытия в естественных условиях. В связи с быстрым формированием покрытия открывать движение транспортных средств по отремонтированному участку возможно через 2-3 ч [13].

Некачественный уход за бетоном и ряд других факторов вызывают появление усадочных трещин на поверхности покрытий. До последнего времени считалось, что устранять усадочные трещины довольно сложно, так как отсутствовала соответствующая технология ремонта.

В настоящее время для ремонта цементобетонных покрытий стали применять цементно-водные суспензии, которые приготавливают в высокооборотном смесителе (3000-7000 об/мин) с использованием особо тонкодисперсных цементов «Интрацен» (Россия), «Microdur» (Франция) или «Spinor» при водоцементном отношении 0,5-0,7 с добавлением суперпластификатора. После перемешивания в течение 1-3 мин суспензия приобретает очень высокую пенетрационную способность. С помощью щеток ее наносят и втирают на обрабатываемую поверхность до прекращения впитывания в бетон. Затем осуществляют уход за поверхностью покрытия с использованием известных пленкообразующих материалов. При устранении усадочных трещин непосредственно после их появления достигается набольший эффект [6].

Для повышения стойкости поверхностного слоя бетона к эксплуатационным и природно-климатическим воздействиям в мировой практике находит широкое применение обработка покрытий пропиточными укрепляющими составами. Проникая в поверхностный слой цементобетона, они образуют в порах и капиллярах бетона трудно растворимые в воде соединения, что способствует упрочнению его структуры, повышению морозостойкости и износоустойчивости покрытия. Из наиболее известных пропиточных составов следует отметить материал «Burke-o-Lith» (США), представляющий собой раствор фторсиликата натрия или цинка в воде. Из отечественных материалов с этой целью применяют 15-25%-ные растворы нефтеполимерной стирольно-инденовой смолы (СИС) и нефтеполимерной лакокрасочной смолы (НЛС) в органическом растворителе сольвенте [16].

6. ВЫРАВНИВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАМЕНА ОТДЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ПЛИТ БЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ

Выравнивание поверхности выполняют на основе ее дефектации по данным нивелирования. Устранение небольших неровностей на покрытии производят путем его фрезерования, а также с помощью алмазных режущих инструментов. Однако иногда используют инструмент, изготовленный из твердых металлов, что значительно дешевле. Соотношение стоимости в этих двух случаях выражается как 1:8, но при этом структура бетона после обработки инструментом из твердых металлов имеет большие повреждения.

Для проведения работ по устранению неровностей на дорожных покрытиях с использованием алмазного инструмента применяют машины мощностью 120 л.с. и выше с шириной вала 60 см. Алмазные круги имеют диаметр 300 мм и толщину 3,2 мм. Между двумя соседними кругами устанавливают дистанционные кольца толщиной 1 мм, которые позволяют удалять срезанный бетон [9].

При просадке одиночных бетонных плит укладывают быстротвердеющие высокопрочные бетоны, а также полимербетоны на полную глубину просадки или осуществляют подъем плиты с исправлением под ней основания, который выполняют в тех случаях, когда просевшая плита не имеет значительных дефектов, т.е. не требует ремонта поверхности. Для проведения работ по подъему просевших плит в каждой плите просверливают от 6 до 8 отверстий диаметром от 35 до 50 мм, располагаемых равномерно по всей поверхности плиты. В отверстия вводят штуцеры и фиксируют их. Под воздействием воздуха, поступающего под давлением, бетонная плита отрывается от основания. Затем под плиту подают быстротвердеющий состав путем вспрыска и пустоты заполняются. Осевшие плиты поднимают на требуемый уровень. Буровые отверстия в верхней части бетонной плиты очищают и заполняют специальным составом. Движение по отремонтированному участку возможно уже через 4 ч после завершения работ.

Для стабилизации основания под плитами, имеющими пустоты в опорной части, раньше использовали дорогостоящие импортные составы. В настоящее время в России по лицензии выпускаются ремонтные материалы европейского качества для нагнетания под плиты, которые обладают текучей способностью, высокими скоростью набора и величиной прочности [8].

При замене разрушенных участков плиты производят выпиливание по контуру на полную ее толщину и разрезание на сегменты. Важным элементом этой технологии является подъем выпиленных участков плит, подлежащих замене. Для этого, например, специалисты ЗАО «Ирмаст-Холдинг» используют надежные цанговые захваты, которые устанавливают в скважинах, выбуренных в покрытии, что позволяет удалять разрушенные участки плит без повреждения кромок соседних участков покрытия (рис. 8). Затем устраивают скользящую прослойку между слоем основания и вновь укладываемого покрытия. Для обеспечения совместной работы ранее уложенных и новых плит устанавливают арматурные каркасы и штыри (рис. 9). Укладку бетонной смеси производят с использованием средств малой механизации, позволяющих обеспечить получение покрытия необходимой ровности и заданного уклона.

 

Рис. 8. Демонтаж сегмента разрушенной плиты

 

Рис. 9. Установка арматурных каркасов для обеспечения совместной работы ранее уложенных и новых плит

При ремонте дефектных участков в районе кромок плит в монолитных армобетонных покрытиях специалистами НПО «Прогресстех» предложена технология ремонта локально-восстановленными плитами. Суть технологии заключается в удалении дефектных участков покрытия блоками одного размера и замена их специально разработанной железобетонной плитой, которая может быть изготовлена на месте производства работ или в заводских условиях [16].

7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА РЕМОНТА ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ

При выполнении ремонтных работ осуществляют входной, операционный и приемочный контроль. Основной задачей контроля является обеспечение соответствия выполненных работ требованиям проекта, стандартов, норм и правил, других нормативных документов.

При входном контроле проверяют наличие паспортов, сертификатов и другой необходимой документации, регулярно ведут журнал по контролю качества исходных материалов, фиксируют номера партий материалов, заводы-изготовители, даты изготовления и исследования проб, даты окончания гарантийного срока хранения, условия фактического хранения, а также результаты проверки качества материалов.

Лабораторный контроль за качеством каждой партии исходных материалов выполняют непосредственно при получении их с заводов-изготовителей, а также по истечении гарантийных сроков хранения, указанных в прилагаемом паспорте. В этом случае качество материалов проверяют непосредственно перед их применением. Все записи в журнале контроля качества заверяются подписями лиц, проводивших исследования и ответственных за качество исходных материалов.

Операционный контроль осуществляет подрядная организация в ходе ремонтных работ с целью своевременного выявления нарушений технологии производства работ и их устранения [18]. При выполнении ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог операционному контролю подлежат все технологические операции по каждому виду работ. Регламент операционного контроля качества разрабатывает подрядная организация и согласовывает его с заказчиком. Регламент устанавливают с учетом применения материалов и технических решений.

Приемку работ при ремонте цементобетонных покрытий автомобильных дорог осуществляют в соответствии с законодательными актами, стандартами, строительными нормами и правилами, другими нормативными документами, действующими в Российской Федерации. Выполненные работы подрядчик предъявляет приемочной комиссии. Приемку работ оформляют актами установленной формы. Датой приемки работ считают дату подписания акта приемочной комиссией. Для законченных ремонтом автомобильных дорог с этой даты начинается гарантийный срок.

Промежуточную приемку (освидетельствование) скрытых работ производят по мере окончания работ или восстановления конструктивных элементов, отнесенных к категории скрытых работ. К ним относят: подготовку подстилающих слоев, укладку прослоек между основанием и покрытием, установку арматурных стержней и каркасов, запрессовку уплотнительного шнура и установку прокладок для швов и др.

Освидетельствование скрытых работ проводит комиссия, включающая представителей подрядчика, заказчика и проектной организации. По решению заказчика для освидетельствования могут быть привлечены специалисты-эксперты, лаборанты и геодезисты.

При приемке выполненных работ по ремонту цементобетонных покрытий комиссия определяет объемы работ, осуществляет их освидетельствование (правильность выполнения в натуре), знакомится с технической документацией, изучает материалы технического надзора, рекламации надзорных организаций.

Приемку работ по ремонту покрытий не производят при наличии отступлений от проектной документации, не согласованных в установленном порядке; несоблюдении обязательных требований нормативных документов и если нарушение этих требований повлекло за собой снижение уровня безопасности движения, потерю прочности, устойчивости, надежности сооружений, их частей или отдельных элементов.

При нарушении, повлекшим за собой снижение прочности, устойчивости, надежности объекта (его частей, элементов), заказчик имеет право в одностороннем порядке снизить сумму оплаты за выполненные работы. Штрафные санкции не освобождают подрядчика от обязанности устранения допущенных им нарушений и возмещения ущерба.

Установлены следующие основные требования к качеству отремонтированных покрытий:

- отклонение от прямой линии пазов компенсационных швов должно быть не более 8 мм (измерение штангенциркулем);

- ширина шва между смежными плитами не должна отличаться в большую сторону более чем на 3 мм в зоне восстановленного участка;

- не более 10% результатов определений превышения граней плит, смежных с отремонтированными участками, могут иметь значения в пределах до 6 мм, остальные - до 3 мм (не менее трех измерений на участке шва длиной до 10 пог. м, которые проводятся металлической линейкой или штангенциркулем);

- не более 5% результатов определений ровности покрытий 3-х метровой рейкой могут иметь значения просветов до 10 мм, остальные - до 5 мм (оценка по ГОСТ 30412-96);

- коэффициент сцепления поверхности восстановленного участка покрытия должен быть не менее 0,40 (определение по ГОСТ 30413-96);

- для покрытий из бетона с прочностью на растяжение при изгибе В_btb 4,0 (R_и = 50 МПа) и более прочность при сжатии материала, используемого для ремонта плит цементобетонного покрытия, должна быть не менее 40 МПа, а для покрытий из бетона с прочностью на растяжение при изгибе В_btb 3,6 (R_и = 45 МПа) - не менее 30 МПа [19, 20];

- прочность сцепления ремонтного материала с бетоном покрытия должна быть не менее 1,5 МПа (не менее трех измерений на каждые 100 м² площади восстановленного участка покрытия);

- морозостойкость ремонтных материалов на основе минеральных вяжущих в необходимых случаях может быть проверена в соответствии с ГОСТ [21] и должна быть не ниже проектной марки бетона покрытия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К сожалению, многие специалисты до сих пор считают основным недостатком цементобетонных покрытий сложность их ремонта и особенно восстановления поверхностного слоя, что является одной из причин, сдерживающих широкое применение этого типа покрытий при строительстве дорог в России.

Еще в 1934 г. английский инженер Smith R.A.B. в своей книге «Проектирование и строительство бетонных дорог» писал: «При более внимательном обследовании бетонных дорог можно установить, что если бы мелкие дефекты на них были своевременно исправлены и было бы уделено некоторое внимание уходу за швами, то состояние дорог улучшилось бы и срок их службы увеличился. Еще встречаются специалисты, недооценивающие строительство бетонных дорог ввиду невозможности, по их мнению, удовлетворительно ремонтировать и восстанавливать бетонную одежду. В действительности ремонт бетонных дорог может производиться дешевле, быстрее и с меньшим необходимым машинным оборудованием, чем ремонт большинства других одежд». Английский инженер, написавший эти строки 68 лет назад, был прав.

В настоящее время накоплен положительный опыт длительной эксплуатации цементобетонных покрытий в различных климатических условиях за счет проведения восстановительных ремонтов. Средний срок службы таких покрытий в США, Германии и других промышленно развитых странах составляет 26 лет. В мировой практике широко применяют высококачественные ремонтные и герметизирующие материалы, современные технологии ремонта, высокопроизводительные машины и механизмы. В настоящее время в России имеется все необходимое для того, чтобы реально уйти от сложившейся и не совсем удачной практики перекрытия цементобетонных покрытий слоями асфальтобетона, не использовав при этом весь ресурс бетона, как высокопрочного и долговечного дорожно-строительного материала.

Внедрение современных способов ремонта позволит значительно продлить срок службы цементобетонных покрытий и повысить эффективность их эксплуатации на дорогах России с тяжелым и интенсивным движением.