Строительство дорог низкой стоимости с основаниями из укреплённых грунтов

Протяжённость дорог и расстояния между городами и сёлами в Сибири не просто большие, а очень большие. Необходимая в этих условиях перевозка щебня, применяемого для устройства оснований и покрытий, увеличивает его сметную стоимость в 3-5 раз и считается ключевым фактором увеличения общей стоимости строительства.

Соответственно, применение технологий, которые позволили бы существенно снизить затраты и ресурсы, используемые при строительстве и ремонте дорог, становится нужным и важным делом для любого заказчика.

---

ОТ РЕДАКЦИИ

На рынке сейчас большое предложение стабилизаторов грунтов. За каждым стоит производитель, убеждённый продавец и т. д.

Сравнивать их между собой, чтобы не вызвать «стабилизационный диспут» можно, только на основе полномасштабного исследования. Но такие мероприятия обойдутся дорого. По заявлению автора этой статьи — директора ООО «Полимеравтодор» (компании, с 2009 года специализирующейся на строительстве автодорог, площадок, проездов) — он указывает зачастую умалчиваемые особенности большинства стабилизаторов грунтов. Однако редакция не может гарантировать объективность его выводов и предположений о применении ПАВ.

---

Стабилизация и укрепление грунтов — необходимость?

Одной из более действенных возможностей снижения стоимости строительства считается использование в основаниях дорожных покрытий укреплённых грунтов. Технико-экономические расчёты, проведённые с учётом фактических производственных расходов, показывают, что их использование взамен равнопрочных из привозных каменных материалов приводит к понижению стоимости дорожной одежды на 20-60%. Под укреплением и стабилизацией грунтов и других местных материалов (отходов промышленности, малопрочных каменных материалов и др.) следует понимать всю совокупность мероприятий (внесение вяжущих, стабилизаторов, ПАВ, а также последовательное выполнение всех предусмотренных технологических операций), обеспечивающих, в конечном итоге, коренное изменение свойств укрепляемых материалов с приданием им требуемой прочности, водо- и морозостойкости.

Из строящихся сейчас автодорог львиная доля приходится на дороги III – V категорий, находящиеся, в основном, на сельских территориях. Вследствие этого в условиях небогатого финансирования дорожной сети внедрение технологии стабилизации и укрепления грунтов может считаться наиболее реальной возможностью увеличить протяжённость местных дорог, соответствующих нормативу.

По настоящее время в РФ построено и эксплуатируется свыше 30 000 км дорог, где использованы укреплённые грунты. Их применяют в основном на дорогах III-V категорий — в качестве верхних слоёв оснований и покрытий. Дальнейшее развитие данной технологии идёт по пути улучшения имеющих место быть и разработки современных способов комплексного укрепления грунтов с использованием полимерных стабилизаторов и вяжущих, а так же вторичных, особенно местных, ресурсов, применения высокоэффективных грунтосмесительных механизмов, разработки передовых методов экспресс-контроля.

Стабилизация грунтов с целью улучшения характеристик, связанных с прочностью и стойкостью, зачастую зависит от цемента, извести, зольной пыли и битумной эмульсии. Эти материалы недороги, относительно просты в использовании и применении и придают улучшенные свойства разным видам грунта. Наибольшее распространение в нашей стране получили грунты, укреплённые неорганическими и минеральными вяжущими, в частности — цементом. Цементогрунт широко применяют в качестве основания на дорогах всех категорий, а также как покрытие с устройством защитного слоя, на дорогах IV–V категорий, районных аэродромах и при строительстве подъездных путей.

Анализ работы дорожных систем с основаниями из цементогрунта говорит о существенном их превосходстве при сопоставлении с классическими основаниями из каменных материалов.

Цементогрунтовое основание гарантирует подходящий водно-тепловой режим всей дорожной одежды, пониженное водонасыщение при устройстве земполотна, неплохую ровность покрытия и предотвращение появления усталостных трещин. Впрочем, есть у цементогрунта характерная особенность — хрупкость и истираемость (особенно в увлажнённом состоянии), что ограничивает возможность использовать его в качестве покрытия для дорог с интенсивным движением.

Наши выводы и выбор технологии стабилизации и укрепления грунтов основаны на многолетнем практическом опыте. Как собственного, так и наших партнёров, которые применяют технологию стабилизации и укрепления грунтов в разных климатических условиях по всей территории России. Практический опыт и исследования Союздорнии и Росдорнии указывают на то, что во 2 и 3 дорожно-климатических зонах требуется устраивать основания из укреплённых грунтов с использованием комплексного, преимущественно полимерного, вяжущего. Именно наличие в укреплённом или стабилизированном грунте, помимо цемента, полимерной составляющей позволяет:

• создать прочное, морозостойкое основание или покрытие, работающее в условиях 2 и 3, и тем более 4 и 5 дорожно-климатических зон;
• победить колейность на дорогах;
• увеличить межремонтные сроки.

На рынке присутствуют разнообразные добавки для стабилизации/укрепления грунта: полимерные эмульсии, кислоты, производные лигнина, ферменты, природный каучук и силикаты и пр. Эти добавки могут быть в жидком или твёрдом виде и часто навязываются как применимые для большинства грунтов. Наш опыт работы с различными добавками с 2011 года на объектах от 5 до 1 ДКЗ показывает, что многие добавки производят либо слабое улучшение, либо вообще не дают никакого улучшения при работе с пылеватыми, просадочными, тяжёлыми суглинками и в особенности с супесями. А заявленная применимость для «всех видов грунтов» на поверку оказывается просто словами. Так, например, одни дают улучшение только с отдельными видами грунтов, другие слабо применимы на переувлажнённых грунтах, третьи обладают высокой стоимостью. Да и место производства многих добавок — США — не позволяет в полной мере на них опереться.

Объективным решением служит индивидуальный подбор добавок разного типа и концентрации для стабилизации/укрепления грунта к разным видам грунтов. Наш опыт практического применения отечественной серии стабилизаторов позволяет говорить о выгоде такого подхода. Например, индивидуальный подбор композиции грунт-цемент-стабилизатор «Полидор» позволяет регулировать сроки твердения грунтоцементных смесей, направлять процессы структурообразования при укреплении грунтов в нужную сторону.

Действие композиции-стабилизатора зависит от типа грунта в грунтовой системе, типа вяжущего и концентрации самого полимерного стабилизатора. Индивидуальный подбор составов укреплённых грунтовых смесей, позволяет получить слои оснований с заданными эксплуатационными характеристиками с учётом транспортных нагрузок и климатических условий эксплуатации.

Особенности покрытия на укреплённом грунте

Какова надёжность дороги, «пирог» которой включает в себя основание из укреплённого грунта и тонкослойное покрытие или поверхностную обработку? Насколько такая конструкция устойчива? Как это понять?

Устойчивость любой дорожной конструкции предопределяется надёжным взаимодействием всех её элементов. Вследствие этого стабильность дорожной одежды из укреплённого грунта с тонкослойным покрытием или же защитным слоем гарантируется за счёт:

• непроницаемого, крепкого, морозоустойчивого слоя основания из укреплённого грунта;
• нижнего слоя покрытия или верхнего слоя основания, в любом случае слоя, который имеет надёжное сцепление с поверхностью укреплённого грунта и обеспечивает требуемую сдвигоустойчивость в плоскости раздела основание/покрытие;
• тонкослойного покрытия или же защитного слоя, отвечающего требованиям сдвигоустойчивости, износостойкости и, вполне вероятно, большей водонепроницаемости.

Работа дорожной системы, состоящей из укреплённого грунта с тонкослойным покрытием или же защитным слоем, очень специфична ввиду малозначительной толщины верхних слоёв.

Ударные нагрузки, пульсация, сдвиговые и вертикальные усилия от колёсной нагрузки, а ещё моменты, связанные с неблагоприятными климатическими условиями приводят к появлению в дорожной системе разных напряжений, а также содействует износу тонкослойных покрытий и защитных слоёв.

Вертикально направленные усилия от колёсной нагрузки вызывают изгибающие напряжения в слоях дорожных одежд из укреплённых грунтов. Самые большие изгибающие напряжения появляются по оси воздействия нагрузки на границе основания и покрытия. Величина данных напряжений находится в зависимости от толщины слоя покрытия и отношения его модуля упругости к совокупному модулю упругости всех нижележащих слоёв. Весна — то самое время, когда основание подвергается наиболее высоким нагрузкам на изгиб.

Основание из укреплённых грунтов, в силу повышенной распределяющей способности, существенно лучше гасит эти напряжения по сравнению с основаниями из дискретных (расклинка, уплотнение) материалов.

Горизонтальные напряжения в дорожной одежде появляются при торможении автомашин, при изменении скорости движения, на крутых склонах и поворотах. Наибольших значений эти напряжения достигают на границе контакта покрытия и основания, собственно, что имеет возможность привести к деформированию покрытия или же смещению его по причине при высочайшей позитивной температуре. Разрушений покрытия от горизонтальных усилий возможно избежать, используя для подстилающего слоя битумоминеральные композиции, характеризующиеся такими значениями угла внутреннего трения и сцепления, которые обеспечивают сдвигоустойчивость всему слою покрытия, в том числе и при условии неожиданного торможения автомашины.

На основании имеющихся у нас данных и последовательного анализа работы системы с тонкослойным покрытием или же защитным слоем на укреплённом грунте возможно сделать вывод: базовым критерием пригодности дорожных одежд на основаниях из укреплённых грунтов является именно сдвигоустойчивость в плоскости раздела основания и покрытия.

Как обеспечить сцепления всевозможных типов тонкослойных покрытий с основанием из укреплённого грунта и добиться необходимой сдвигоустойчивости? Выявлено, что наилучшие характеристики сцепления покрытия с основанием достигаются при применении для укрепления грунта таких ПАВ, которые обеспечивают высокую адгезию тонкослойного органоминерального покрытия одновременно с высокой водостойкостью собственно основания. При этом с уменьшением влажности верхнего слоя укреплённого грунта сцепление с ним материалов покрытия возрастает.

Ещё одним технологическим приёмом является использование подгрунтовок. Битумоизвестковая паста, применяемая в качестве подгрунтовки под тонкослойное покрытие, показала наилучшую сдвигоустойчивость при тестировании.

Но чем старше и глаже укреплённое основание, тем труднее добиться адгезии покрытия, в том числе и при применении в качестве подгрунтовки битумных паст и эмульсий. Вследствие этого для практической реализации предлагается технологический способ укладки покрытия на свежий грунт, укреплённый стабилизатором, позволяющий увеличить сцепление (взаимозацепление) двух слоёв в 6-10 раз.

В заключение скажу, что применение неорганических ПАВ позволяет укреплять грунты и устраивать основания и покрытия на любых участках дорог, использовать «безцементный» метод укрепления основания. Позволяет применять при устройстве покрытий укатываемый бетон (который дешевле асфальтобетона в 1,5 раза) и делать много другого хорошего и интересного.

Текст: Владимир Комолов