Дорожные плиты

Дорожные покрытия — одна из наиболее перспективных областей применения песчаного бетона. Здесь реализуются основные его достоинства: повышенная способность воспринимать растягивающие и знакопеременные нагрузки, особенности трещинообразования, высокая морозостойкость.
В отечественной практике накоплен большой опыт изготовления и эксплуатации дорожных изделий из песчаного бетона: тротуарных плит, в том числе и крупноразмерных, бортовых камней, фигурных элементов мощения — опыт, позволяющий считать целесообразным изготовление дорожных плит из песчаного бетона.
Базовым предприятием для проведения работ был выбран Андроновский филиал завода ЖБИ №11 ППО МПСМ, изготавливающий около 37 тыс. м3 дорожных плит ПДП 3х1,75. Выбор этого завода объясняется двумя основными соображениями. Первое: с применением щебня на филиале изготавливаются только дорожные плиты, поэтому переход на их выпуск из песчаного бетона позволит полностью отказаться от его использования и значительно упростить технологию производства (отказаться от доставки щебня, складов, трактов подачи и др.). Второе: дорожные плиты изготавливаются на специальной технологической линии, обслуживаемой отдельной бетономешалкой — таким образом, приготовление цементно-песчаной смеси может быть организовано независимо от приготовления бетонных смесей для остального производства.
Предварительные подборы составов песчаного бетона М300 показали, что применение песка Тучковского карьера с M = 1,8, на котором работает завод, в качестве единственного заполнителя при изготовлении плит в рамках существующего технологического процесса требует увеличения расхода цемента примерно на 20% или 100 кг/м3, что, несмотря на возможность получения определенного экономического эффекта за счет разницы в стоимости щебня и песка, вряд ли является приемлемым решением в условиях массового производства плит. С целью снижения расхода цемента в песчаном бетоне предложено использовать пластифицирующую добавку и повысить жесткость смеси.
Применение используемой на заводе добавки ВРП позволило сократить указанный выше перерасход цемента примерно на 30 кг/м3.
Опытные формовки показали, что на имеющейся на заводе виброплощадке возможно изготовление дорожных плит из цементно-песчаных смесей с OK = 1,5-2,0 см. Таким образом, использование песчаного бетона, обладающего лучшей удобоукладываемостью, позволяет уменьшить подвижность смеси по сравнению с применяемой (3-4 см OK в тяжелом бетоне) и в результате сократить перерасход цемента еще на 15-20 кг/м3.
Наконец, предложено изготавливать дорожные плиты из песчаного бетона М250 по прочности на сжатие вместо М300 тяжелого бетона, регламентируемой стандартом. Более высокие характеристики песчаного бетона Rпр и Rри (в границах марки) по сравнению с тяжелым и более низкий модуль упругости обеспечивают требуемую несущую способность плит на стадии эксплуатации, несмотря на снижение марки бетона.
Результаты расчета плит из песчаного бетона приведены в табл. 6.4.
Отличия в изгибающих моментах оказались невелики, что позволило сохранить армирование, принятое в плитах из тяжелого бетона.
При подготовке к выпуску дорожных плит из песчаного бетона был решен ряд технологических, конструктивных и организационных задач.
Проведены подборы составов песчаного бетона на мелком и крупном (Академический карьер, Mк = 3,0) песках.
Подборы составов (табл. 6.5) показывают возможность получения песчаных бетонов с расходом цемента, не превышающим существующий даже при использовании песка с Mк = 1,8. В табл. 6.5 приведен также расчет экономической эффективности использования песчаного бетона (в ценах 1984 г.).
В табл. 6.6 — составы цементно-песчаных смесей с добавкой ВРП и их подвижность. Последовательным увеличением количества добавки в составе смеси до 0,14 % Ц получен состав с OK=2 см, качественно уплотняющийся на существующей виброплощадке.
Проанализированы зависимости прочности песчаного бетона от времени перемешивания сухих компонентов и смесей с водой. Устойчивые результаты получаются при перемешивании компонентов насухо в течение 1,5 мин и в смеси с водой в течение 1,5 мин.
При работе с цементно-песчаными смесями жесткостью, близкой к предельно перерабатываемой формующим агрегатом, необходим тщательный контроль за получением требуемого коэффициента уплотнения. При недоуплотнении смеси наряду со снижением прочности бетона ухудшаются структурные характеристики материала, что, например, может существенно снизить морозостойкость. Поэтому технологическими указаниями предписывается систематический (не менее 2 раз в смену) контроль коэффициента уплотнения.
Для цементно-песчаной смеси с OK=2 см визуальный контроль момента окончания формования по появлению цементного молока на поверхности изделия является недостаточным и должен дублироваться фиксированием времени уплотнения.
На графике зависимости прочности песчаного бетона от времени формования выделяются два участка: первый (восходящая ветвь) — увеличение прочности с увеличением времени формования, второй — прочность не зависит от времени формования. Время формования свыше 45 сек, позволяет устойчиво работать в зоне требуемого коэффициента уплотнения.
Определение режима тепловлажностной обработки включало, главным образом, определение времени предварительной выдержки цементно-песчаной смеси, которое было принято равным периоду ее структурообразования - около 2 ч (рис. 6.2).

Принят режим подъема температуры 20 °С/ч, обеспечивающий отсутствие Нарушений структуры в процессе твердения песчаного бетона.
Таким образом, 14-ти часовой цикл тепловлажностной обработки, равный существовавшему при производстве плит из тяжелого бетона, включает (рис. 6.3):
а) выдержку в закрытой камере при t = 20°C без подачи пара — 2 ч,
б) подачу пара и подъем температуры до 80°С — 3 ч,
в) изотермический прогрев при 80°С — 7 ч,
г ) остывание на территории цеха — 2 ч.
Для определения несущей способности плит, выполненных из песчаного бетона, были проведены испытания изделий.
Испытываемые плиты были изготовлены из песчаного бетона на мелком песке (табл. 6.5). Армирование плит не отличалось от стандартного. Прочность бетона на день испытаний R = 240 кг/см2, Rри = 42 кг/см2. Цель испытаний — оценка прочности, трещиностойкости, ширины раскрытия трещин в плитах из песчаного бетона М250, сравнение результатов с параллельными испытаниями плит ПДП 3х1,75 из тяжелого бетона М300, а также сравнение данных расчета и испытаний. Физико-механические характеристики песчаного бетона и арматуры, необходимые для расчета, получены в результате испытаний кубов и призм (10x10x40 см), изготовленных одновременно с плитами, а также испытаний арматурных стержней.

Испытания проводились в две стадии по специально разработанной методике:
— на двух опорах по схеме чистого изгиба (тарирование),
— на упругом основании.
Схема тарировочных испытаний и расстановка приборов показаны на рис. 6.4 и 6.5.
Тарировочные испытания плит проводились путем многократного воздействия нагрузки до стабилизации деформаций. Устанавливались зависимости между изгибающим моментом — кривизной и шириной раскрытия трещин. На стадии испытаний на упругом основании плиты загружались штампом площадью, равной площади отпечатка колеса расчетного автомобиля Н-30. Нагружение проводилось поэтапно с выдержкой на каждой ступени. Расчетная нагрузка — 7,2 т.
Результаты тарировочных испытаний плит представлены на графике зависимости «нагрузка — кривизна» при многократном загружении (рис. 6.6, 6.7). После второго загружения остаточные деформации затухают и при последующих загружениях становятся весьма малыми. Таким образом, зависимость стабилизируется и принимает характер, близкий к линейной. Максимальная ширина раскрытия трещин при тарировочных испытаниях плит на двух опорах на восприятие положительного момента составила для плиты № 1 — 0,24 мм, для плиты № 2 — 0,30 мм. Момент появления первых трещин Mт при испытании на двух опорах составил для плиты № 1 — 1,65 тм, для плиты № 2 — 1,9 тм, что соответствует растягивающим напряжениям в бетоне 12,9 и 15,4 кг/см2.

Испытания плит на упругом основании производились по четырем схемам, представленным на рис. 6.8.
Испытания имели целью определить положительный и отрицательный изгибающие моменты от действия расчетных нагрузок. Графики перемещений по продольной и поперечной осям плиты приведены на рис. 6.9, а изменения кривизн плиты от нагрузки по схемам 1-4 на рис. 6.10-6.13.
При расчетной нагрузке Р = 7200 кг, максимальная кривизна плиты при испытании ее на упругом основании составила 12/15*10в-6 1/см, что соответствует изгибающему моменту M = 1,3 тм. Средняя ширина раскрытия трещин составила 0,15-0,18 мм. Изгибающий момент, воспринимаемый плитами ПДП 3х1,75, изготовленными из тяжелого бетона, составил 1,22/1,28 тм.

При загружении плит по схеме 4 максимальная величина кривизны (при расчетной нагрузке Р=7,2 т на штамп) составила 7/10*10в-6 1/см, что соответствует значению изгибающего момента M= 1,2 тм и близко к значению M=1,1 тм, полученному при аналогичном испытании плит из тяжелого бетона. При испытании плит по схеме 2 максимальное значение отрицательного изгибающего момента в плите на упругом основании составляет 1,0 тм, при максимальном значении кривизны 6/10*10в-6 1/см. Это несколько меньше, чем значение изгибающего момента при испытании двумя грузами по схеме 4, и близко к величине изгибающего момента M=1,1 тм, полученной при испытании плит из тяжелого бетона. Значение отрицательного изгибающего момента при испытании плит по схеме 3 составляет 1,1 тм, что соответствует кривизне 8*10в-6 1/см.
Максимальная ширина раскрытия трещин при всех принятых схемах испытаний и расчетной нагрузке не превышала 0,15 мм, а при двукратном превышении нагрузки - 0,3 мм.
При испытании по схеме 1 и нагрузке на штамп 30 т разрушения плиты не произошло.
При испытании плит по схеме 2 кольцевые трещины около штампа образовались при нагрузке свыше 14 т, а при нагрузке 20 т их максимальная ширина составляла 0,2 мм.
При испытании по схеме 3 трещины начали образовываться при P = 9 т, а при нагрузке 20 т их ширина была 0,15 мм. Разрушение плиты произошло при нагрузке в 29,7 т с местным продавлением бетона вокруг штампа.
При загружении плиты по схеме 4 разрушение плит при нагрузке около 12 т началось с раскалывания торца посередине короткой стороны, а при нагрузке 21 т на каждый штамп произошло продавливание бетона под штампом.
Таким образом, проведенные испытания позволили установить, что плиты из песчаного бетона М250 по прочности, трещиностойкости и ширине раскрытия трещин удовлетворяют требованиям, предъявляемым ГОСТ 21924-84 к дорожным плитам.
Величина воспринимаемого плитами максимального положительного изгибающего момента составила 1,3 тм, что приблизительно на 15% выше значения аналогичного момента, полученного при испытании плит из тяжелого бетона М300.
Максимальная ширина раскрытия трещин при различных схемах загружения не превышала допустимого раскрытия при загружении плит расчетной нагрузкой и составляла 0,15-0,2 мм.
Загружение плит нагрузкой более чем в 2 раза превышающей расчетную при испытании по основным схемам, определяющим несущую способность плит, показало, что каких-либо существенных разрушений конструкций не наблюдалось. Это позволило рекомендовать плиты ПДП 3х1,75, изготовленные из песчаного бетона, к опытно-промышленному производству.
Одновременно с изготовлением партии плит, предназначенных для механических испытаний, были изготовлены образцы для испытания на морозостойкость. Испытания эти показали, что песчаный бетон указанного состава выдерживает не менее 200 циклов в 5%-ном растворе NaCl.
Проверка на водопоглощение песчаного бетона, используемого для изготовления плит, также подтвердила его соответствие требованиям стандарта.
Заводом выпущена опытно-промышленная партия дорожных плит объемом 20 тыс. м3, что позволило отработать технологические режимы производства и провести массовые испытания плит в стадии эксплуатации. Плиты, подвергавшиеся на опытных участках в течение 11 месяцев воздействию груженых панелевозов, трайлеров, успешно выдержали эксплуатационные нагрузки. He отмечено также признаков разрушения плит в результате размораживания.