Обзор строительства бетонных дорог

Производство более экологичного высокопрочного бетона с использованием отходов российских кварцевых песчаников

1 Кафедра строительного материаловедения, изделий и конструкций, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шоухова, Россия, 46, Белгород, ул. Костюкова, 308012; ur.liam@65dat (AT); ur.liam@svakuan (ВЛ)

Валерий Лесовик

2 Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук, Россия, 21, Москва, Локомотивный пр., д. 127238

Роман Федюк

3 Политехнический институт Дальневосточного федерального университета, 690922 Владивосток, Россия

Мугахед Амран

4 Кафедра гражданского строительства, Инженерный колледж, Университет принца Саттама бин Абдулазиза, Альхардж 11942, Саудовская Аравия

5 Кафедра гражданского строительства, Факультет инженерии и информационных технологий, Амранский университет, Амран 9677, Йемен

Мурали Гунасекаран

6 Школа гражданского строительства, SASTRA, считающаяся университетом, Танджавур 613404, Индия; ude.artsas.livic@ilarum

Николай Ватин

7 Высшая школа промышленного, гражданского и дорожного строительства Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, 195251 Санкт-Петербург, Россия; ur.liam@nitav

Юрий Васильев

8 Кафедра дорожно-строительных материалов, Московский автомобильно-дорожный университет, 125319 Москва, Россия; ur.idam@velisav.uy

6 Школа гражданского строительства, SASTRA, считающаяся университетом, Танджавур 613404, Индия; ude.artsas.livic@ilarum

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Абстрактные

Кварцевый песчаник (QS) является отходом добычи; поэтому его использование в строительстве позволяет как снизить стоимость бетона, так и способствовать утилизации отходов. Научная новизна данного исследования заключается в выявлении моделей влияния заполнителя QS на физико-механические, прочностные характеристики и экобезопасность экологически чистого высокопрочного бетона. В исследовании использован энергоэффективный метод нетеплового воздействия электромагнитных импульсов на механизмы деструкции кварцсодержащего сырья. Всесторонне изучены характеристики агрегатов кварцитопесчаника, в том числе естественная активность радионуклидов. Изучены особенности твердения бетона, в том числе формирование межфазной переходной зоны между заполнителем и цементной матрицей, с учетом химических и морфологических особенностей кварцитопесчаника. Кроме того, определяли микроструктурные и морфологические свойства бетона после 28-суточного твердения. В данной работе изучалось поведение бетона с заполнителем QS с учетом положений геомиметической науки о родстве структур. Полученные результаты показали, что агрегат QS имел активность естественных радионуклидов в 3–4 раза ниже по сравнению с традиционными агрегатами. Также был получен эффективный экологически чистый бетон с прочностью на сжатие 46.3 МПа, классом водопроницаемости W14 и морозостойкостью 300 циклов, что свидетельствует о том, что характеристики этого более экологичного бетона сравнимы с характеристиками традиционного бетона с более дорогими заполнителями из гранита или габбро-диабаза. .

Ключевые слова: экологически чистый высокопрочный бетон, кварцевый песчаник, горные отходы, заполнитель, прочность на сжатие, морозостойкость

1. Введение

Современный этап развития цивилизации характеризуется ухудшением экологической ситуации, нехваткой энергетических ресурсов, а также природными и техногенными катастрофами [1,2,3]. Человек проводит значительную часть своего времени в окружении строительных материалов, которые призваны защищать его от негативного воздействия окружающей среды [4,5,6]. Естественные или искусственные заполнители составляют основную часть (до 90 % по объему) бетонов и строительных растворов; поэтому их качество и свойства во многом определяются заполнителями [7,8]. Проблема возникает в различии свойств заполнителей, полученных даже из одной и той же породы. Например, для экономии вяжущего необходимо, чтобы прочность заполнителя в 1.2–1.5 раза превышала расчетный класс бетона. Этот показатель в основном зависит от плотности и структуры заполнителя [9]. Эксплуатационные свойства заполнителей определяются минеральным и химическим составами, водо- и морозостойкостью. К важным характеристикам заполнителей относятся также форма зерен, характер поверхности, структура, химический состав, а также экономические показатели.

Многие авторы работали над исследованиями по разработке инновационного устойчивого бетона и / или раствора с использованием некоторых заполнителей. Лонго и др. [10] получили облегченные решения на основе геополимеров для структурной и энергетической модернизации зданий. Кобо Сеасеро и др. [11] использовали отходы мраморного шлама для производства устойчивых материалов в экономике замкнутого цикла. Торрес и др. [12] изучали включение отходов резки и полировки гранита в строительные материалы. Толстой и др. [13] подробно изучили синергетический эффект различных заполнителей на характеристики сырого бетона. Клюев и др. [14] разработали высокопрочный фибробетон на основе российских заполнителей. Бессмертный и др. [15] исследовали экологические теплоизоляционные композиты с использованием горных пород.

Большое значение имеет стоимость агрегатов при заботе об окружающей среде. Эффективным шагом на этом пути является использование одновременно добываемых пород.

Гранит, гравий и известняк являются наиболее популярными и распространенными источниками щебня, которые дороги, а их месторождения имеются не во всех странах [10]. При поиске альтернативных источников горных пород выделяются четыре группы: рудосодержащие кварциты, кварцевые песчаники (КП), кристаллические сланцы и дайковые породы. С точки зрения запасов и физико-механических свойств большой интерес представляют QS [16]. В работах [17,18,19,20] проведена детальная оценка качества общедоступных кварцсодержащих пород осадочного генезиса: метаморфических, эффузивных магматических пород, алюмосиликатных пород зеленосланцевой степени метаморфизма, карбонатных пород. были изучены. Установлено, что при одинаковом минеральном составе пород одноименных петрографических групп их энергетический потенциал может существенно различаться [21,22]. Свободная внутренняя энергия, содержащаяся в структуре сырья, определяется несовершенством кристаллической решетки минералов, включением минералообразующей среды, газовоздушными включениями, наличием рентгеноаморфного вещества, морфологией поверхности. и текстура, степень кристалличности минералов, размерность и др. [23,24,25].

Цель работы заключалась в изучении возможности использования кварцевого песчаника, одновременно являющегося добываемой горной породой, в качестве заполнителя для более свежего высокопрочного бетона. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: определение активности естественных радионуклидов заполнителя КС, разработка более зеленого высокопрочного бетона с использованием кварцевого песчаника (отсев в качестве мелкого заполнителя и щебень в качестве крупного заполнителя), а также изучение физико-механических свойств и прочностных характеристик разработанного бетона.

2. Сырье и экспериментальные методы

2.1. Характеристика сырья

В качестве крупного заполнителя использовались кварцевые песчаники Лебединского месторождения (Россия) (рис. 1 а), представляющие собой почти мономинеральные породы светло-серого и серого цвета. Породообразующим минералом является кварц. Обычно в небольших количествах встречаются полевой шпат, мусковит, биотит, фуксит. Кварц, сцементированные кварц-слюды и кварцевые гальки встречаются в основании толщи в виде линз. Кровля КС имеет сахарообразный вид со светлыми и яркими оттенками окраски, наблюдается маршализация кварца. Межзерновые пространства и трещины выполнены точечными гидроксидами железа. Все это говорит об обработке этих пород процессами выветривания. Мощность зоны 20 м. Поэтому кровля из кварцевых песчаников не включается в подсчет запасов и заполнитель из этих пород не используется для производства бетона. Однако анализ результатов физико-механических испытаний СМО Лебединского месторождения свидетельствует об их пригодности для использования в строительной отрасли (табл. 1). Гранит и габбро-диабаз Новопавловского месторождения (Россия) использовались в качестве контрольных материалов для крупного заполнителя (рис. 1 б, в). Для проведения испытаний физико-механических характеристик лабораторную пробу рассеяли на стандартные фракции: 5–10 мм (остаточный отсев) и 10–20 мм (щебень) с помощью лабораторных сит.

Обзор строительства бетонных дорог

Бетонные дорожные покрытия

Бетонные дороги изготавливаются из бетонной смеси из портландцемента, крупного заполнителя, песка и воды. Важнейшим преимуществом бетонной дороги является ее срок службы благодаря исключительной прочности. Они значительно менее подвержены дефектам износа, таким как колейность, растрескивание, потеря текстуры и выбоины, которые могут возникнуть на гибких поверхностях дорожного покрытия. Низкая потребность в техническом обслуживании является одним из основных преимуществ бетонных покрытий. Есть хорошо спроектированные бетонные покрытия, которые практически не требуют обслуживания. Меньший объем технического обслуживания также означает меньшее количество задержек на дорогах, что является огромным преимуществом на некоторых из наших уже перегруженных автомагистралей.

Требования к бетонным дорожным покрытиям

Идеальное покрытие должно отвечать следующим требованиям:

Подходящая толщина для безопасного распределения нагрузок от колес на грунт земляного полотна.
Прочный, чтобы выдерживать все виды нагрузок, возлагаемых на него
Адекватный коэффициент трения для предотвращения заноса транспортных средств,
Гладкая поверхность для комфорта участников дорожного движения
Непроницаемая поверхность, поэтому почва земляного полотна хорошо защищена
Долгий расчетный срок службы при низких затратах на техническое обслуживание
Толщина должна быть достаточной, чтобы передавать приложенные нагрузки и распределять их на большую площадь грунта ниже
Износостойкая поверхность, чтобы противостоять истиранию, вызванному автомобильными шинами

Виды бетонных дорожных покрытий.

Шовное гладкое бетонное покрытие (JPCP) – В гладком бетонном покрытии с швами используются усадочные швы для предотвращения растрескивания и не используется арматурная сталь. Расстояние между поперечными швами выбирают таким образом, чтобы температурные и влажностные нагрузки не приводили к промежуточному растрескиванию между швами.

Сочлененное железобетонное покрытие (JRCP) – Шовные железобетонные покрытия (JRCP) содержат арматурную стальную сетку (иногда называемую распределенной сталью). В JRCP проектировщики намеренно увеличивают расстояние между стыками и включают арматурную сталь, чтобы скрепить трещины в средней части панели.

Непрерывно армированное бетонное покрытие (CRCP) – Непрерывно железобетонное покрытие (НЖБК) содержит сплошную продольную стальную арматуру без поперечных стыков, за исключением случаев, когда это требуется для стыков в конце дня, на подходах к мостам и в местах перехода к другим конструкциям дорожного покрытия. Непрерывное армирование — это стратегия борьбы с поперечными трещинами, возникающими во всех новых бетонных покрытиях. В новых бетонных покрытиях объемные изменения, вызванные гидратацией цемента, тепловыми эффектами и внешним высыханием, сдерживаются основным слоем покрытия и продольной арматурой, вызывая развитие растягивающих напряжений в бетоне.

Непрерывно армированное бетонное покрытие

Способы строительства бетонной дороги

Бетонные дороги могут быть построены в один или два ряда. Однорядное покрытие или двухрядное. В однорядном покрытии вся толщина бетона состоит из однородного материала. Бетон укладывается в два ряда или слоя одинаковой или разной глубины с разными составами бетона тремя разными способами.

Альтернативный метод залива: занято в чередующихся бухтах; заливы, оставленные в первую очередь, делаются после того, как уже уложенный бетон достаточно затвердеет – одна неделя для обычного портландцемента и два-три дня для быстротвердеющего цемента.

Непрерывный метод: бухты одной полосы прокладываются непрерывно; однако строительные швы предусмотрены в конце рабочего дня.

Компенсационный шов и ленточный метод: дорога разделена на продольные полосы и поперечные пролеты с помощью деревянной опалубки. Затем швы соответствующим образом заполняются наполнителями, такими как асфальт, и обрабатываются таким образом, чтобы обеспечить расширение бетонной плиты.

Соединенное гладкое бетонное покрытие

Конструктивные элементы бетонных дорог

Бетонные дороги состоят из следующих компонентов:

Поверхностный курс

Это самый верхний слой; его функция состоит в том, чтобы обеспечить гладкий, прочный, устойчивый к истиранию и достаточно непроницаемый слой. Поскольку он находится в непосредственном контакте с шинами транспортного средства, он должен выдерживать возникающие нагрузки на колеса и безопасно передавать их нижележащему слою. Материал может быть гранулированным, битумным или цементным бетоном в зависимости от характера конструкции. Для нежестких дорожных покрытий битумная поверхность является слоем износа, тогда как в жестких покрытиях бетонная поверхность действует как базовый слой вместе со слоем износа.

Базовый курс

Он находится ниже поверхностного слоя, и его функция заключается в равномерном распределении напряжений, передаваемых через поверхностный слой, на нижележащие слои. Он неизменно состоит из гранулированного или битумного материала и действует как структурная часть дорожного покрытия. Базовый слой является наиболее важным слоем дорожной конструкции, передающим напряжения, возникающие в результате транспортных воздействий, через слой износа. Слой базового слоя обеспечивает необходимую жесткость фундамента и прочность конструкции.

Базовый курс

Он находится чуть ниже базового курса и обеспечивает дополнительную помощь курсам над ним в распределении нагрузок. Это также помогает предотвратить проникновение зерен грунта земляного полотна в базовый слой выше и противодействует действию мороза, если таковой имеется. Он может состоять из стабилизированного грунта или смесей грунтовых заполнителей, которые облегчают дренаж свободной воды с дорожного покрытия. Он находится между базовым слоем и земляным полотном. Материал, используемый для этого слоя, должен удовлетворять спецификациям по градации, прочности и характеристикам пластичности. Этот слой необходим, если земляное полотно некачественное.

грунтовое основание

Это уплотненный природный грунт непосредственно под слоями дорожного покрытия; это действует как основа для шоссе. Верхняя поверхность земляного полотна называется уровнем пласта. В зависимости от выравнивания и характера местности проезжая часть может быть построена над насыпью или выемкой, либо на естественном уровне земли или почти на нем. Следовательно, формирование уровня должно быть правильно решено в соответствии с этими условиями. Он служит основанием и действует как равномерная опора для тротуаров. Земляное полотно берет на себя всю нагрузку по платежам вместе с служебной нагрузкой по движению транспорта.

Строительство бетонной дороги включает следующие этапы:

Подготовка основания – форма и выравнивание. После очистки подготавливается до требуемой марки и профиля.
Размещение форм. Формы должным образом закреплены и закреплены на земле с помощью кольев. Формы смазывают маслом перед заливкой в них бетона.
Полив. Подготовленное основание закрепляют, подготовленную поверхность для приема бетона увлажняют. Его нужно сбрызнуть таким количеством воды, которое он может впитать.
Дозирование материалов – пропорции ингредиентов для бетонной смеси, мелкого и крупного заполнителя подобраны правильно.
Транспортировка и укладка бетонной смеси – бетон доставляется на площадку. Бетонная смесь быстро укладывается на основание слоем толщиной.
Уплотнение выполняется тяжелой стяжкой или трамбовкой с подходящими ручками. Бетон также уплотняют с помощью механической отделочной машины, ручной вибрационной стяжки и вибратора для стяжки плит.
Плавающая – делается для получения ровной поверхности без гофр.
Бельтинг – проводится непосредственно перед тем, как бетон затвердеет.
Бруминг — рисование кистей под прямым углом к центральной линии дороги от края до края.
Обрезка – края плиты тщательно обрабатываются кромкооблицовочным инструментом до окончательного затвердевания бетона.
Заполнение швов надлежащим герметиком
Отверждение – проверка потери воды из бетонной плиты и поддержание свежей бетонной плиты во влажном состоянии в течение периода затвердевания.
Открытие движения – открытие после достижения необходимой силы

Заключение

Бетон способен выдерживать большие нагрузки, например, тяжелые автомобили, с меньшей деформацией. Служит годами без капитального ремонта. Несколько факторов влияют на эксплуатационные характеристики бетонного покрытия, такие как движение транспорта, почва, окружающая среда, экономические факторы и факторы распределения нагрузки. Обратитесь к опытному инженеру по дорожному покрытию, чтобы тщательно управлять эффективностью работы, требуемой от дорожного покрытия.