Ідея цієї статті з’явилася давно. Спочатку її актуальність була обумовлена ціновою конкурентоспроможністю цементобетонних покриттів, пов’язаноюіз значним ростом ціни на бітум та незначною зміною вартості цементу.З іншого боку зі збільшенням інтенсивності руху на автомагістралях і кількості важких автомобілів у транспортному потоці об’єктивно виникають підвищені вимоги до міцності й довговічності покриттів, безпеки руху транспортних засобів і їх мінімальному впливу на навколишнє середовище. Найбільшою мірою цим вимогам відповідають цементобетонні покриття.
Однак події останнього часу змусили поставити на перше місце в обґрунтуванні актуальності цієї статті іншу причину –енергетичну безпеку держави, яка забезпечуєтьсячастковим заміщенням імпортованогобітуму або нафти, як сировини для його виробництва, на вітчизняний цемент.
Впевнений, дорожній цементобетон–не панацея від двох споконвічнихвітчизнянихбід, як би кому з фахівців і користувачів доріг не здавалося інакше. Адже ж не даремнопоширеність цементобетону на дорогах в усьомусвітістановитьза різними даними лише до 10-20%.
Мета цієї статті – проінформувати фахівців і громадськість про найважливіші новації у конструкціях й технології дорожнього цементобетону тависвітлити особливості йрезультати застосування деяких з них у вітчизняній практиці дорожнього будівництва.
Перш ніж говорити про нове, згадаємо давно забуте старе.
Бетонні дорогив Україні, як і у всьому колишньому СРСР, порівняно активно почали розвивалися в 1960-1980-х роках. У чисельномувираженні активно – це сотнями й тисячами кілометрів, а не десятками, як було до цього на передодні Другої світової війни.
Поштовхом послужив візит у США Микити Хрущова. Він був вражений якістю й поширеністю бетонних доріг і по поверненню додому розпорядився закупити американський бетоноукладальний комплект із ковзкою опалубкою. Щоб поширитицюсправу на практиці, вітчизняне машинобудування по образу й подобі цієї чудо-техніки налагодило виробництвобетоноукладачівз ковзкою опалубкою, профілювальників і швонарізників (зі слів одного з вітчизняних фахівців-практиків у дорожньомубетоні С.М. Португальського).
Слід зазначити, що купивши укладальники, непридбали цементобетонні заводи. Відтак користувалися заводами вітчизняного виробництва продуктивністю кілька сотень кубічних метрів у зміну, тоді як продуктивність укладальних комплектів становила тисячу-дві кубометрів бетону за зміну. У такий спосіб виник дисбаланс між продуктивністю ланок одного технологічного ланцюга, що не дозволило в постійному й стабільному режимі підтримувати високі (до 1 км у зміну) темпи укладання бетону в дорожнє полотно.
Займатися будівництвом бетонних доріг у ті часи було доручено переважно підприємствам Мінтрансбуду СРСР, який був оснащений як найкращою технікою, у тому числі закордонноговиробництва, так і висококваліфікованими інженерами.
Будівництво бетонних доріг насамперед розгорнули на важливих і напружених утранспортному значеннінапрямках. Прикладом такого роду можна назвати дорогу Москва-Сімферополь, Москва-Волгоград і багато інших. На території України на дорозіміж Харковом і Новомосковськом, яка колись була частиною дороги Москва-Сімферополь, ми ще сьогодні можемо побачити порівняно протяжні ділянки з бетонним покриттям (більше 100 км).
Іншим місцем, де були поширені бетонні дороги стали важкодоступні й складні за грунтово-геологічними умовами будівництва місцевості. Будувались вони також за напрямками можливого перекидання важкої військової техніки до західних кордонів країни. Такими прикладами єділянкидоріг по напрямках Київ-Ковель-Ягодин, Київ-Чоп (на ділянці Київ-Житомир),Київ-Обухів,ділянкаколишньої Волгоград-Кишинів (зараз Кіровоград-Платоново), Київ-Москва (зараз Кіпти-Глухів-Бачівськ), Київ-Суми й інші.
Таким чином, на момент проголошення незалежності Україні дісталося близько 3 тис км доріг з бетонним покриттям (рис.1). У більшості випадків їх вже ремонтували, влаштовуючиповерх бетонних покриттівшар зносу або захисний шар (асфальтобетон або поверхневі обробки).Такі дії були викликані необхідністю «підрівняти» плити й тим самим підвищити рівність й комфортність руху по них, а також збільшити зчеплення поверхні бетонного покриття.
У розумінні водіїв бетонки асоціюються з міцною, але часто не комфортною дорогою через нерівності в місцях стикування плит. Експлуатаційникам вони також доставляли багато турбот з ремонтом швів або дефектів, які найчастіше утворювалисясаме в цих конструктивних елементах. Іноді влітку при розширенні плитїх могло покоробити, причиною чого є «відмова» швів розтягу через їх конструкцію та забруднення.
Проте, досвід експлуатації дорожніх бетонних покриттів починаючи з 1960-х років показав, що вони є найдовговічнішими з тих, що застосовують на сьогодні дорожники в Україні. Хоча вони й розраховувалися на термін служби 25 років, фактично вони вже прослужили 30-40 років. І май бетонне покриття міцну основу, надійні деформаційні шви й будь воно ремонтопридатним, навряд чи були б до нього претензії.
Рис. 1. Довжина доріг загального користування за типом покриття
Однак на початку нового тисячоліття поява нових технологій цементобетону, а також підвищення навантажень і інтенсивності руху автотранспортних засобів відродили інтерес до дорожнього цементобетонну в Україні.У 2003 році на ділянкі дороги Київ-Чоп (обхід м. Житомир) вперше після близько 20-ти річного забуття було влаштовано таке покриття тощиною 24 см. Автор мав честь працювати разом з інженерами-ентузіастами, які відновили культуру дорожнього бетону на наших дорогах, а саме: С.М. Португальський, І.Д.Тодоров, В.С.Мороз, С.А.Чернишов, В.В.Мельниченко, С.З.Харченко та інші. Є сподівання, що в найближчі роки держава зверне увагу на цементобетон як на один зі способів забезпечення енергетичної безпекий буде розгорнуто широке будівництво цементобетонних покриттів, особливо на напружених маршрутах. У зв’язку із цим доцільно дати короткий огляд нових технологій бетону і їх застосування при будівництві дорожніх покриттів у США та Західній Європі.
Перш за все розглянемо конструктивні особливості. На сьогоднійшій день у практиці світового дорожного будівництва застосовують три типи монолітних цементобетонних покриттів.
Перший із них – цементобетон з поперечними швами на відстані близько 5 м один від одного зі сталевими штирями в поперечних швах і з анкерними штирями в поздовжніх (JPCP – Jointed plain concrete pavement). Їх називають цементобетонними покриттями звичайного типу.
Другий тип – армований цементобетон (залізобетон) з поперечними швами на відстані від 9 до 12 м зі сталевою сіткою, яка повинна стримувати розкриття поперечних тріщин, і зі сталевими штирями в поперечних швах і з анкерними штирями в поздовжніх (JRCP- Jointed reinforced concrete pavement).
Третій тип – неперервноармований цементобетон без поперечних швів, у якому арматури більше, ніж в аромованому цементобетоні (CRCP – Continuously reinforced concrete pavement). Велика кількість поздовжньої арматур впливає на відстань між виникаючими поперечними волосяними тріщинами (яке може становити порядку 1,5 м). Арматура запобігає їхньому розкриттю. Часто ці безшовні покриття армують і в поперечному напрямку. Їхня товщина зазвичай рівна 85-90% від товщини цементобетонних покриттів звичайного типу для тих же умов роботи.
У якості основи під цементобетонне покриття використовують пісний цементобетон, пористий асфальтобетон, щебенево-піщані суміші, фракціонований щебінь. У Канаді для основи під цементобетонне покриття застосовують высокопористый асфальтобетон, а в Європі віддають перевагу щільному асфальтобетону в основі або щебенево-піщаній суміші, укріпленій цементом.Укріплений цементом ґрунт більше не рекомендують використовувати в якості основи в ряді штатів США (наприклад у Каліфорнії) і в Європі, зокрема, у Німеччині. У минулому в Німеччині прагнули забезпечити зчеплення між цементобетоном і розташованою під ним основою, що містила цемент. Зараз, навпаки, щоб відокремити цементобетонне покриття від укріпленої цементом основи (наприклад, від пісного бетону або від обробленої цементом щебенево-піщаної суміші), використовують тонкий шар гарячої асфальтобетонної суміші або полотно з геотекстиля товщиною близько 5 мм. Досвід показав, що, хоча геотекстиль просочується цементним молоком, він усуває зчеплення між покриттям і основою.
Здавалося б, міцність та деформатвиність бетонної плити покриття досить високі, тоді чому закордоном будують міцну і монолітну основу? З яких таких міркувань закладають пісний бетон або пористий та щільний асфальтобетон під бетоннне покриття?
Виявляється, що причиною пошкодження поперечних швів є не лише їх стан та герметичність, а й міцність та деформативність основи. На краях плит від сукупної дії навантаження та перепадів температур на поверхні та нижній грані бетонної плити протягом навіть доби виникає так званий «клавішний ефект». В результаті такого процесу відбувається поступове деформування та руйнування основи саме в цих місцях, і, як наслідок, плита або значно переміщається в таких місцях без руйнування, або тріскається. Небезпеку підвищує розгерметизація шва, яка забезпечує проникнення води у простір між плитою та основою й теж пришвидшує руйнування. Саме щоб запобігти цим проблемам з цементобетонними покриттями за кордоном й будують міцні монолітні основи.
Щодо вітчизняної практики дорожнього будівництва, то за останні десять років застосовувалися лише покриття першого типу − цементобетон з поперечними швами на відстані близько 4,5 м один від одного зі сталевими штирями в поперечних швах і з анкерними штирями в поздовжніх. Основою бетонної плити поки що був грунт укріплений цементом, але в нових проектах вбачається тенденція до застосування пісного бетону та піщано-щебеневих сумішей оброблених цементом. Як і за кордоном, у вітчизняних проектах передбачається відокремлення бетону від цементовмісної основи шляхом укладання поліетиленової плівки або геотекстиля товщиною 3-5 мм.
Застосовувалися у вітчизняній практиці – це скільки і де?
Справедливо було б зазначити, що сучасні конструкції і технології дорожнього цементобетонну прийшли в Україну із Європи через аеродромне будівництво. Першим прикладом була у 2001 році реконструкція злітно-посадкової смуги №1 Міжнародного аеропорту «Бориспіль», де застосовувалися конструкції аеродромного одягу та технології запозичені із Німеччини.
Наступними були аеродроми Міжнародних аеропортів «Донецьк» (2007-2012), «Львів» та «Харків» (2009-2012). Саме тут піднімались на новий рівень досвідчені ПАТ «БУ-813» і зростали у фаховому плані ТОВ «Шляхове будівництво «Альтком» та ТОВ «Спецбудбетон» (Альтис).
Перші за часів незалежності України 20 км дороги з бетонним покриттям, як вже говорилося вище, було влаштовано ПАТ «БУ-813» при виконанні капітального ремонту дороги Київ-Чоп (обхід містаЖитомир) у 2003-2004 роках. Наступним проектом Житомирської САД та цього ж підрядника був капітальний ремонт дороги державного значення Київ-Ковель-Ягодин в межах області від км 80 до км 245.
Слід зазначити, що до ремонту на цій ділянці дороги існувало два типи дорожнього одягу: нежорсткий – 15 км з асфальтобетонним покриттям (км 80 – км 95) і жорсткий – монолітні бетонні плити товщиною 22 см на ґрунтоцементній основі (км 95– км 245). Обидві ділянки були капітально відремонтовані із застосуванням монолітних бетонних покриттів першого типу.
На ділянці км 80 – км 95 асфальтобетон із поверхневими обробками був регенерований на місці ресайклером WirtgenWR 4200 з додаванням цементу, бітумної емульсії й нових кам’яних матеріалів.Тобто нежорстке покриття було перетворенехолодним способом в напівжорстку основу, по якій укладалипокриття із цементобетону марки М500 товщиною 24 см. Характерно, що на цій ділянці поверх бетонної плити відразу була влаштована поверхнева обробка за технологією Мультимак (Microsurfasing). Таке рішення мало на меті підвищити зчіпні якості поверхні покриття, оскільки ділянка дороги пролягає у складній місцевості з точки зору утворення ожеледиць.
У випадку, коли існуюче покриття було теж бетонним, його спочатку руйнували механічним способом (за допомогою гільйотини), потім основу із битого бетону ущільнювали й влаштовували вирівнюючий шар із грунтоцементу товщиною до 30 см. А вже потім бетоноукладальником з ковзкою опалубкою Wirtgen SP850 укладали на всю ширину проїзної частини нове цементобетонне покриття товщиною 24 см. Нарізку монолітного бетону виконували через 4,5 м. Поперечні і поздовжній (по осі) шви армовані сталевими штирями діаметром 20 мм. Через кожні 400 м були влаштовані шви розтягу, конструкція яких запозичена з Німеччини.
На сьогоднішній день в Україні запроваджується будівництво доріг із цементобетонним покриттям. Перша, за останні 10 років, така дорога будується в Полтавській області – Н-31 Дніпро – Царичанка – Кобеляки – Решетилівка. З 2019 року започатковано, а з 2020 року заплановано продовжити роботи на одній із найскладніших доріг в Україні – Н-14 Кропивницький – Миколаїв. Ця дорога буде побудована з цементобетонним покриттям.
Наприкінці 2019 року в Полтавській області відбулося з’єднання правого проїзду частин бетонної дороги Н-31 Дніпро-Царичанка-Кобеляки-Решетилівка, виконаних двома підрядниками – Onur і “Альтком”. 147-кілометрова національна автодорога була побудована в 1960-х роках. Сьогодні частина старої асфальтної дороги перетворюється в сучасну 4-смугову цементобетонну магістраль. На будівництво 80-кілометрової ділянки з двома масштабними транспортними розв’язками, що почалося у 2017 році, відводиться 5 років. Зараз рух вже відкрито на ділянці в 15 км по різним шарами бетону по правому проїзду. Загальна вартість дороги – близько 12 млрд грн. Фінансування – держбюджет.
2019 рік для “Автомагістралі-Південь” став роком технічного переоснащення. З кінця серпня 2019 на автошляху Н-14 “Олександрівка-Кропивницький-Миколаїв” в межах Миколаївської області .працює новий бетоноукладач WIRTGEN¹ SP 124. Влаштовано верхній шар покриття на ділянці км 165- км 172 даної дороги. Новим бетоноукладачем уже влаштовані перші кількасот метрів покриття цементобетонної дороги. Протяжність ділянки з бетонним покриттям по Н-14 – 45,6 км.
Крім Н-31 і Н-14, за цементобетонною технологією робиться реконструкція об’їзної Житомира на М-06 Київ-Чоп (на Будапешт через Львів, Мукачеве, Ужгород) на ділянці км 129+600 – км 151+730, Житомирська обл.
Цементобетонне покриття ІІ – ї категорії знаходиться в межах старого покриття. Додатково виконана присипка на 1м узбіччя для досягнення ширини з параметрів ІІІ – ї категорії 12 м до 14,5м як для ІІ – ї категорії.
Конструкція нового покриття наведена на Рисунок. 2 і включає вирівнюючий шар із грунтоцементу марки М 40 товщиною 18 см. Покриття із монолітного цементобетонну класу міцності на стиснення В 40, на розтяг при згині Вbtb-4,4 товщиною 26 см. Підбір складу цементобетонну і контроль якості виконувався відділом цементобетонних покриттів (к.т.н. Харченко С.З.). За даними випробувань середнє значення міцності на стик становить 530 МПа, а коефіцієнт варіацій близький до середньо галузевого Сv=13,5%.
Розміри бетонних плит після реконструкції становить 4,5 м (довжина)×4,5 м (ширина). Шви розширення не виконувались. Замість них через кожні 150 … 450м влаштовані компенсаційні шви (Рисунок. 3) в кінці робочої зміни. Це рішення було в той час новим для практики дорожнього будівництва. При влаштуванні швів використовували той же склад цементобетону тільки за рахунок добавлення води збільшувалась легкоукладальність сумішей до П3…..П4 з осадкою конуса 10…14 см. У результаті цього міцність бетону зменшилась до класу міцності В 25….В 30 і зона швів є слабким місцем в конструкції. Якість заливки компенсаційних швів незадовільна, в багатьох місцях герметик відсутній. Вода вільно затікає в шви.
Автомобільна дорога була введена в експлуатацію в 2005 році і практично через рік почали утворюватись поздовжні тріщини на відстані 1,5-2 м від краю бетонної плити. Для захисту конструкції від попадання через тріщини в основу поверхневих вод у 2006 р. на першій ділянці довжиною 12 км було влаштовано тонкошарове покриття (ТШП) із емульсійно-мінеральної суміші Мультимак (підрядник фірма Бітунова – України). Цей захід дозволив сповільнити темп наростання тріщиноутворення, яке становить менше 10…15% на захищеній ділянці. При цьому тріщини в основному волосяні. На ділянці без ТШП загальна довжина тріщини досягає до 40% від протяжності дороги. Розкриття тріщин до 1 … 3 см. У процесі експлуатації автомобільної дороги догляду за технічним станом практично не було, а заходи по експлуатаційного утриманню швів не проводилися. Стан заливки швів бажає кращого, що пов’язано з відсутністю якісних недорогих мастик і заливщиків швів. Це призводить до проникнення води через тріщини покриття, яка далі через тріщини укріпленої основи проникає в ґрунт земляного полотна.
У 2010 р. виконано проект переведення дороги в І-б категорію з використанням існуючого профілю. Передбачено влаштування шару зносу із тонкошарового покриття із емульсійно-мінеральної суміші типу Slurry Seal товщиною 0,02 м.
Зазначимо, що найвідоміша цементно-бетонна дорога в Україні — це автомобільна дорога міжнародного значення «Варшавка» довжиною 487 кілометрів. Вона з’єднує Київ—Ковель та контрольно-пропускний пункт «Яготин».
Конструкція нового покриття включає вирівнюючий шар із грунтоцементу марки М 40 товщиною 16 см. Покриття із монолітного цементобетонну класу міцності на стиснення В 40, на розтяг при згині Вbtb4,4 товщиною 26 см. Підбір складу цементобетонну і контроль якості виконувався відділом цементобетонних покриттів ДерждорНДІ (к.т.н. Харченко С.З.). За даними випробувань середнє значення міцності на стик становить Rст= 53 МПа, а коефіцієнт варіацій близький до середньо галузевого Сv=13,5%.
За легковкладальністю цементобетон відносився до марки Ж1.
Суміш підібрана в відповідно до ДСТУ Б В.2.7-215 і становила на 1 м3:
- портландцемент ПЦ М 400 Д0 Ц – 420 … 440 кг;
- щебінь гранітний
- (фр. 5 -10, 10 -20 та 20 – 40 мм) Щ – 1300 кг;
- пісок середній з Мк 2,9 – П – 560 кг;
- Добавки: Пластифікатор – < 2 кг;
- Повітровтягувальна – 0,8 кг.
Вміст повітря, для забезпечення морозостійкості за маркою F 200 від 5 до 6%. Цементобетонне покриття автодороги Київ – Ковель збудовано силами ПАТ “БУ – 813” в 2005 – 2010 роках.
ГАМЕЛЯК ІГОР ПАВЛОВИЧ
Доктор технічних наук, професор,
завідувач кафедри Аеропорти
Національного транспортного Університету