Государственное казенное учреждение Нижегородской области
«Главное Управление Автомобильных Дорог»
Авторы:
Как известно, особенность работы оснований дорожных одежд заключается в том, чтобы погасить воздействие статических и особенно динамических нагрузок. Здесь следует отметить, что нагрузки на конструктивные слои основания дорожной одежды со временем возрастают из – за непрерывно возрастающих интенсивности движения и доли тяжёлых автомобилей в общем составе движения. Поэтому для обеспечения надёжной сопротивляемости дорожной конструкции возрастающим нагрузкам в целом в течение всего срока её службы необходимо, чтобы и энергия структурных связей в материале несущего слоя дорожной одежды также постоянно увеличивалась или, по крайней мере, не уменьшалась.
Кроме того, увеличение прочности материалов оснований также весьма важно с точки зрения их устойчивости к воздействию агрессивных факторов региональных природно – климатических условий и особенно попеременному воздействию максимальных положительных температур (для Нижегородской области расчётная температура воздуха, полученная на основе значений температуры наружного воздуха наиболее тёплого месяца в районе эксплуатации автомобильной дороги (см. климатологический СНиП 23.01.9 ), достигает 60° С) и минимальных отрицательных температур (достигает - 34° С), действующих разрушительно на структуру любого материала. То есть, покрытие, как и основание, должны отвечать условиям сдвигоустойчивости и трещиностойкости.
Распределяющую же функцию основания, - уменьшение давления от автомобильного транспорта на грунт земляного полотна, как наиболее слабый элемент дорожной конструкции, наилучшим образом выполняют монолитные слои основания, например, тощий бетон, полимер-цемент-грунт и гидро-полимер-цемент-грунт и т.п.
Учитывая особенности динамического напряжённо – деформированного состояния слоёв дорожной конструкции при воздействии транспортной нагрузки, отслеживаемых с помощью частотных характеристик точки её поверхности, очевидно (рисунок № 1),
Рис.1
что наилучший эффект в части уменьшения прогиба элементов дорожной конструкции и даже сглаживания второго резонансного пика достигается при использовании в них связных материалов, например, таких как полимер-цемент-грунтов или гидро-полимер-цемент-грунтов. Несмотря на то, что уменьшение прогиба дорожной конструкции также возможно за счёт увеличения верхнего слоя основания или покрытия, это приведёт к повышению стоимости устройства дорожной одежды. Особенно это важно при отсутствии в регионе необходимых каменных материалов.
Учитывая мировой опыт строительства автомобильных дорог и прежде всего таких стран, как Германия, Канада, США, Австрия, широко использующих грунты, укреплённые вяжущими материалами, для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов, становится очевидным, что для улучшения свойств укреплённых грунтов этими странами эффективно применяются различного рода полимерные добавки, позволяющие достигать более высокую прочность образцов смеси на сжатие, растяжение при изгибе, повышенные морозостойкость и водоустойчивость.
Проведя анализ исследований, выполненных Омским «СоюздорНИИ», Санкт – Петербургским филиалом «СоюздорНИИ», ОАО «ИркутскгипродорНИИ», Тихоокеанским государственным университетом (г. Хабаровск), АО «КаздорНИИ» и ВАТТ имени А.В.Хрулёва, выбор по применению полимерных добавок был остановлен на новой полимерно – минеральной композиции «NICOFLOK». Данная добавка может быть применена для всех видов грунтов, пригодных к укреплению цементом. При этом отсутствуют какие – либо ограничения по кислотности грунта, наличию сульфатов, хлоридов, гипса. Рассматриваемый продукт не ядовит, имеет гигиенический сертификат, может транспортироваться и храниться при отрицательных температурах. Его состав гидрофобен, нужно избегать лишь прямого контакта с водой. Количественные параметры расхода «NICOFLOK» колеблются от 0,5% до 1% от массы того или иного вида грунта, а портландцемента марки М 400 - 5% ... 10%.
Отечественная добавка «NICOFLOK» производится в г. Санкт – Петербурге предприятиями «НИКЕЛЬ» в соответствии с условиями ТУ 5743 – 003 – 13881083 – 2006 «Добавка укрепляющая для вяжущих растворов и сухих смесей «NICOFLOK». Её насыпная плотность 800 кг / м3...1260 кг / м3, влажность не более 2% и остаток на сите с сеткой № 0315 не более 1,0%.
Анализ указанных выше исследований показал, что в сравнении с другими известными зарубежными добавками («Ренолит», «Geosta», «Perma - Zyme») применение «NICOFLOK» обеспечивает более существенное увеличение прочностных и деформационных характеристик укреплённого грунта (рисунок № 2).
Рис.2
Следует также отметить, что испытания, проведённые профессором ВАТТ Г.И.Собко (рисунок № 3), показали, что полимер-цемент-грунт с данной добавкой обладает повышенной адгезией к битуму (напряжение на отрыве составило от 0,12 МПа для битумов с пониженной вязкостью и до 0,25 МПа для битумов с высокой вязкостью). При этом установлено, что адгезия плёнки настолько велика, что прочность склеивания определяется когезией вяжущего, и разрыв образцов происходит по плёнке битума.
Рис.3
В связи с этим в Нижегородской области в 2007 году были начаты, а в 2008 году продолжены экспериментальные работы по строительству опытных участков автомобильных дорог IV и V технических категорий в Шатковском, Шарангском, Борском, Сокольском и Городецком районах без традиционных конструктивов из песка и щебня. Предпочтение было отдано использованию полимер - и гидро-полимер-цемент-грунтовым материалам.
Конструктивно дорожная одежда на участках нового строительства и ремонта в одном из первых вариантов (р.п. Шатки) представляла собой слой из полимер-цемент-грунта, а в последующем (в других районах) из гидро-полимер-цемент-грунта. Слой износа по сооружённому конструктиву устраивался из асфальтобетона типа В - III либо щебёночно – мастичного асфальтобетона ЩМА - 10 толщиной 3 см из малопрочных каменных материалов осадочных пород с маркой по прочности 400 ... 600. При этом общий модуль упругости как традиционной, так и предлагаемой к производству конструкции был равным Е общ. = 115 МПа (рисунок № 4).
Рис.4
Несколько слов о химико – физических особенностях используемых добавок. Полимерно – минеральная композиция (ПМК) на основе редиспергируемых порошков и минеральных наполнителей «NICOFLOK» представляет собой композицию, состоящую из определённо подобранных минералов по заданному химическому составу и активации, а также полимеров, состоящих из молекул, получивших название «гребнеобразных». Такая модификация полимера представляет собой макромолекулы с длинными боковыми цепями. Так как большие цепи состоят из молекул нескольких типов, действие каждой из которых начинается в строго определённое время. Эти цепи имеют конкретные скорости обсорбации и гидратации (фазообразование), что обеспечивает необходимую продолжительность их действия в смеси.
ПМК обеспечивает весьма высокую сохраняемость смеси, замедляет схватывание и ускоряет набор прочности сразу после её укладки и уплотнения. При использовании полимерно – минеральной композиции происходит активация влаги, находящейся в грунте оптимальной влажности, что влияет на общий энергетический баланс системы всей укрепляемой смеси, что в свою очередь приводит к дополнительной активации цемента и, соответственно, к увеличению прочности на сжатие при равных количествах цемента в укрепляемом грунте .
К.т.н. С.И.Дубиной при участии соавторов данной статьи разработана и внедрена новая технология устройства гидро-полимер-цемент-грунтовых оснований и покрытий. В настоящее время оформляется заявка на изобретение и патент. В организации внедрения инновационных технологий непосредственное участие принимал директор Государственного учреждения «Главное управление автомобильных дорог Нижегородской области» А.А.Герасименко. Новая технология позволяет получать укреплённые грунтовые смеси, при уплотнении которых включается механизм межмолекулярного взаимодействия частиц грунта по типу связей Ван-дер-Ваальса и ускоренного формирования кристаллизационных связей без образования или значительного уменьшения сульфатных оболочек, являющихся одной из основных причин малой прочности укреплённых минеральными вяжущими грунтов. Это позволяет практически на 2 сутки после устройства конструктивного слоя из укреплённых таким способом грунтов достичь предела прочности на сжатие не ниже М 40, рекомендованных ГОСТ 23558 – 94 для покрытия со слоём износа в дорожных одеждах переходного типа. А на 7 и 28 сутки предел прочности на сжатие достигает, соответственно, 7, 2 и 11,4 МПа (рисунок № 5). А учитывая то, что при использовании ПМК структура кристалла цементного камня меняет свою обычную форму и формируется вдоль энергетического потока образованного цепями полимера, происходит образование микрокристаллов игольчатой формы и микроармирование цементного камня. Этим и объясняется увеличение прочности на растяжение при изгибе в 1,5...2 раза, а также отсутствие микротрещин в устраиваемом конструктиве при правильном подборе укрепляемой смеси.
Рис.5
Кроме того, использование гидродобавки совместно с полимерно – минеральной композицией впервые позволило устраивать конструктивные слои из грунта, укреплённого минеральными вяжущими без технологического процесса по его уходу (т. е. на поверхности гидро-полимер-цемент-грунтового слоя образуется защитная плёнка, удерживающая внутреннюю влагу, необходимую для набора прочности рассматриваемого конструктива). Здесь также следует отметить и высокую удерживающую способность устроенного гидро-полимер-цемент-грунтового слоя влаги, попавшей на его поверхность извне (дождя, например), - она не проникает внутрь слоя, а лишь испаряется за счёт тепла окружающей среды. Наблюдались случаи такого испарения в течение 2 суток (рисунок № 6), что свидетельствует о высокой водоустойчивости и морозостойкости.
Рис.6
Здесь нельзя не отметить и тот факт, что ПМК абсорбируется и на гидро – сульфоалюминатах. Это подтверждают результаты исследований «КаздорНИИ», проводивших испытания на солёных грунтах западного Казахстана. Солёные грунты, не подлежащие применению по нормативам, были укреплены цементом и ПМК с положительным результатом.
Проведённые Государственным учреждением «Главное управление автомобильных дорог Нижегородской области» совместно с ООО «Омский СоюздорНИИ» и ВАТТ имени А.В.Хрулёва обследования опытных участков после зимне – весенне – летнего периода эксплуатации показали отсутствие характерных трещин, указывающих на недостаточную несущую способность участков автомобильных дорог и способность их сохранять свои эксплуатационные свойства как на участках с земляным полотном из недренирующих грунтов при 3 – ей схеме увлажнения рабочего слоя земляного полотна (рисунок № 7),
Рис.7
так и при 1 – ой и 2 – ой схемах увлажнения в районах с большим количеством осадков (II - III ДКЗ) (рисунок № 8).
Рис.8
Конструкции дорожных одежд с применением гидро-полимер-цемент-грунтовых смесей (ГПЦГС), образуемых полимерно – минеральной композицией на основе редиспергируемых полимерных порошков и минеральных наполнителей «NICOFLOK» и гидродобавки (точное название и количественные параметры рецептуры будут сообщены после подтверждения авторских прав), следует проектировать с учётом требований СНиП 2.05.02 – 85 (в редакции 1997 г.), ОДН 218.046 – 01, СНиП 3.06.03 – 85, ГОСТ 23558 – 94, СН 25 – 74, Методических рекомендаций по применению полимер-цемент-грунтовых смесей для опытного строительства дорожных одежд. Надёжность конструкций дорожных одежд необходимо оценивать по трём критериям: упругому прогибу, сдвигу, возможной величине морозного пучения.
Приготовление гидро-полимер-цемент-грунтовых смесей рекомендуется производить на смесительных установках типа ДС-50, обеспечивающих требуемую точность дозировки всех составляющих ингредиентов и однородность смеси.
Укладка ГПЦГС должна осуществляться асфальтоукладчиком с включенным вибробрусом и виброплитой .
Уплотнение уложенной смеси производится самоходными катками на пневматических шинах массой 10...12(14) тн.
Осуществляя контроль качества всех видов дорожно – строительных работ при устройстве оснований и покрытий из рассматриваемых материалов, особое внимание следует уделять:
- контролю гранулометрического состава грунта, его насыпной плотности и естественной влажности, как исходных данных для определения необходимого количества вводимых в грунт портландцемента, добавок и воды. Здесь следует иметь в виду, что испытанный и подобранный состав как полимер,- так и гидро-полимер-цемент-грунтовой смеси относится только для грунта определённого генезиса, его гранулометрического состава и не может быть распространён на другие грунты;
- контролю качества смеси и прежде всего её тщательности перемешивания и точности дозировки всех компонентов, входящих в смесь. Смесь должна быть однородной. Проектные показатели прочностных и деформационных характеристик конструктивного слоя дорожной одежды обеспечиваются только однородной смесью и только заданной рецептуры. Не допускается выпуск смеси с влажностью, не соответствующей оптимальной, определяемой по ГОСТ 22733;
- контролю качества укладки и уплотнения ГПЦГС. Уложенная асфальтоукладчиком смесь должна быть уплотнена при оптимальной влажности до коэффициента уплотнения не ниже 0,98. Недоуплотнённая и недоувлажнённая смесь, а равно как и смесь уменьшенной толщины не будет обладать проектными прочностными показателями;
- исключению какого либо движения по уплотнённому слою из ГГЦГС, пока им не будет набрана необходимая прочность (около двух суток).
На участках со сложными грунтово – гидрологическими условиями необходимо принимать все необходимые меры по стабилизации водно – теплового режима земляного полотна. Для этих целей Государственное учреждение «Главное управление автомобильных дорог Нижегородской области», проектные и строительные организации Нижегородской области использовали весь арсенал последних достижений в области геотехнического обеспечения. Здесь мы остановимся только на примере обеспечения морозоустойчивости дорожной конструкции при сезонном промерзании. На участках устройства гидрополимерцементногрунтовых оснований и покрытий, где расчётная величина морозного пучения земляного полотна дорожной конструкции превышала допустимое значение для переходного типа дорожной одежды равное 10 см ( см. таблицу 4.3. ОДН 218.046-01 ), что характерно для 2 и 3 типа местности по характеру и степени увлажнения (СНиП 2.05.02 – 85) (см. рисунок № 9),
Рис.9
нами были выполнены мероприятия по уменьшению глубины промерзания и, соответственно, пучения до допустимой его величины с использованием теплоизолирующего слоя из пенополистирольных экструзивных плит «Теплекс», производимых в Нижегородской области. При этом для усиления (армирования) верхней части земляного полотна и отвода воды из неё использовались полуобоймы из геосеток и геотекстиля, засыпанные щебнем смеси фракций св. 20 мм до 70 мм толщиной 20 см. В нижней части обоймы укладывались плиты «Теплекс» толщиной 45 мм (рисунки № 10 и № 11).
Рис.10
Рис.11
Это обеспечило безостановочный проход всего частного потока по устройству гидро-полимер-цемент-грунтового основания без длительного ожидания стабилизации малой насыпи земляного полотна.
В заключении хотелось бы отметить, что цель выполняемой работы по внедрению инновационной технологии дорожного строительства была достигнута. Впервые в Российской Федерации произведены работы с высоким качеством по приготовлению гидро-полимер-цемент-грунтовых смесей практически на всех видах цементобетонных и растворных установок с применением отечественных добавок «NICOFLOK» и специально подготовленной для этой цели гидродобавки. Освоены технологические процессы и операции по устройству надёжных, с большим сроком службы конструктивов дорожной одежды, обеспечивающих требуемые сдвигоустойчивость и трещиностойкость отечественными укладочными комплексами и специалистами.
Губернатором Нижегородской области В.П.Шанцевым поставлена глобальная задача по строительству автомобильных дорог в области, в том числе и с применением приведённой выше технологии (рисунки № 12, № 13, № 14) до 1 тысячи километров в год, и к 2010 году соединить все посёлки и деревни твёрдым дорожным покрытием с сетью региональных и республиканских дорог.
Рис.12
Рис.13
Рис.14
