Дорожная плита
ROAD SLAB

Изобретение относится к области строительства и может найти применение при изготовлении дорожных и аэродромных плит, а также может быть использовано при сооружении и реконструкции проезжей части мостов.
Известно применение полимерных и композитных сеток для армирования бетонных изделий (п. № 177233, МПК: Е04С 5/07. Сетка армирующая полимерно-композитная преднапряженная с нанодобавками, 2018).
Однако недостатками данного технического решения являются повышенная трудоемкость за счет сложности фиксации полимерных композитных сеток, повышенная материалоемкость и, соответственно, себестоимость дорожной плиты вследствие использования дополнительных фиксирующих компонентов, при этом нарушается однородность бетона в местах установки фиксирующих компонентов, что ухудшает его механические свойства, а также низкая устойчивость полимерных композитных сеток при их укладке и вибрировании бетонной смеси, что ведет к снижению трещиностойкости бетонной плиты.
Наиболее близким техническим решением является дорожная плита, которая содержит верхний и нижний слои из полимерного композитного материала в виде сборной плиты, причем крепление верхней и нижней сборных плит с цементобетонным слоем выполнено при помощи анкерных выпусков в виде саморезов, завинченных в поверхности сборных плит, при этом часть резьбы саморезов и их шляпки расположены в цементобетонном слое (п. № 2739818, МПК: Е01С 5/08. Дорожная плита, 28.12.2020).
Однако недостатками данного технического решения являются сложная технология изготовления за счет необходимости выполнения операции по фиксации полимерной сетки с использованием специальных фиксаторов, а также сложность ее удержания в натянутом состоянии, особенно в процессе формования, например, вибрирования смеси, что снижает эффективность изготовления плиты, в целом. При этом недостаточно выполняется главное исходное условие долговечности дорожной плиты - это обеспечение стабильной жесткости ее нижнего слоя, допускающего при этом в нем формирования рабочих деформаций растяжения при изгибе, предупреждающих развитие процесса трещинообразования в бетоне и последующего разрушения плиты, особенно за счет снижения трещиностойкости плиты при динамических нагрузках и температурных деформациях нижнего слоя, что снижает эффективность использования плиты, в целом.
Задачей изобретения является создание надежной конструкции дорожной плиты.
Техническим результатом данного изобретения является улучшение эксплуатационных свойств за счет повышения трещиностойкости, особенно при воздействии динамических, знакопеременных нагрузок, а также снижение ее материалоемкости, и уменьшение массы дорожной плиты.
Дорожная плита, выполненная многослойной, содержащая цементобетонный слой с полимерной композитной сеткой и нижний слой из полимерного композитного материала в виде сборной плиты, при этом крепление сборной плиты из полимерного композитного материала с цементобетонным слоем выполнено при помощи анкерных выпусков в виде саморезов, завинченных в поверхность сборной плиты, при этом часть резьбы саморезов и их шляпки расположены в цементобетонном слое. Согласно изобретению длина выпусков саморезов соответствует высоте расположения сетки в цементобетонном слое, причем сетка фиксируют в натянутом состоянии шляпками саморезов, установка которых задается согласно расположению отверстий сетки. Цементобетонный слой содержит две полимерные композитные сетки, расположенные одна над другой, причем нижняя полимерная композитная сетка является дополнительной вспомогательной, закрепленная на шляпках дополнительных саморезов, выпуск которых соответствует высоте расположения вспомогательной полимерной композитной сетки в цементобетонном слое, причем вспомогательная полимерная композитная сетка в два раза короче основной сетки и имеет размер отверстий в соотношении 1:5 с верхней сеткой.
Исполнение дорожной плиты, где длина выпусков саморезов соответствует высоте расположения сетки в бетонном слое, причем сетка фиксируется в натянутом состоянии шляпками саморезов, установка которых задается согласно расположению отверстий сетки позволяет, во-первых, повысить трещиностойкость за счет изготовления дорожной плиты путем исключения фактора нарушения однородности бетона в местах установки фиксирующих компонентов, что ухудшает его механические свойства, а также снижения устойчивости полимерных композитных сеток при укладке и вибрировании бетонной смеси, во-вторых, уменьшить себестоимость дорожной плиты вследствие отказа от использования дополнительных фиксирующих компонентов (фиксаторов) и, соответственно, снизить трудоемкость, в-третьих, снизить массу дорожной плиты за счет использования полимерной композитной сетки вместо стальной и отказа от использования фиксирующих компонентов (фиксаторов), в-четвертых, упростить технологию изготовления путем исключения из технологической цепочки операции по установке фиксирующих компонентов (фиксаторов) полимерной композитной сетки, а использовать более простую и быструю операцию сборки путем использования готовых выпусков анкеров-саморезов за счет того, что длина выпусков саморезов соответствует высоте расположения сетки в бетонном слое. В этом случае также не надо изготавливать специальные фиксирующие компоненты (фиксаторы), что позволяет снизить трудозатраты, так как саморезы выполняют двойную функцию анкеров и фиксаторов; в-пятых, улучшить механические свойства дорожной плиты, в частности, повысить трещиностойкость за счет исключения фактора нарушения однородности бетона в местах установки фиксирующих компонентов, а также за счет повышения устойчивости полимерных композитных сеток - предотвращения смещения сетки при укладке и вибрировании бетонной смеси за счет того, что сетка фиксируется в натянутом состоянии шляпками анкеров - саморезов, установка которых задается согласно расположению отверстий сетки.
Исполнение дорожной плиты, где цементобетонный слой содержит две полимерные композитные сетки, расположенные одна над другой, причем нижняя полимерная композитная сетка является дополнительной - вспомогательной, закрепленная на шляпках дополнительных саморезов, выпуск которых соответствует высоте расположения вспомогательной полимерной композитной сетки в цементобетонном слое, причем вспомогательная полимерная композитная сетка в два раза короче основной сетки, которая, согласно действию изгибающего момента, устанавливается в области наибольшего развития трещин (например, согласно патенту №2720593), и имеет размер отверстий в соотношении 1:5 с верхней сеткой, позволяет, во-первых, достигнуть большего армирующего эффекта для нижних слоев, испытывающие наибольшие растягивающие напряжения и деформации, соответственно будет больше оказывать сопротивление динамическим нагрузкам в случае воздействия повышенных динамических нагрузок, а также снизить скорость роста микротрещин при нагружении и, соответственно, снизить хрупкость цементобетонного слоя при действии динамических нагрузок, что особенно важно для аэродромных плит, во-вторых, исполнение нижней дополнительной - вспомогательнной полимерной композитной сетки в два раза короче верхней сетки, выполняющей функцию основной сетки, позволяет снизить стоимость изготовления дорожной плиты; в-третьих, исполнение нижней дополнительной - вспомогательнной полимерной композитной сетки с размером отверстий 1:5 относительно верхней сетки (основной) позволяет повысить армирующий эффект для нижних слоев, испытывающих наибольшие растягивающие напряжения и деформации, соответственно, повысить трещиностойкость плиты. Это объясняется тем, что отверстия в сетке можно рассматривать как ячейки, образованные системой отрезков нитей, моделирующих работу фибры. При этом известно, что совместное включение фибры различной длины в бетон, например, коротких длиной 6 мм и длинных - 30 мм (соотношение 1:5), дают больший эффект армирования, чем при использовании фибры различной длины по отдельности (Базанов, С.М. Улучшение качества бетона на основе использования смешанных видов волокон / С.М. Базанов, М.В. Торопова // Электронный ресурс: https://timas.at.ua/publ/1-1-0-19). Поэтому совместное использование двух полимерных композитных сеток с размером отверстий 1:5 также повысит эффективность армирования бетонной матрицы, а, в целом, эффективность использования дорожной (аэродромной) плиты.
Дорожная плита поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена конструктивная схема дорожной плиты с нижним слоем из полимерной композитной сборной плиты и с одной полимерной композитной сеткой; на фиг. 2 - конструктивная схема дорожной плиты с нижним слоем из полимерной композитной сборной плиты и с двумя полимерными композитными сетками.
На фиг. 1, фиг. 2 обозначено: 1 - верхний бетонный слой; 2 - сборная полимерная композитная плита; 3 - анкеры в виде саморезов; 4 - шляпки саморезов; 5 - полимерная композитная сетка (верхняя); 6 - дополнительная - вспомогательная нижняя полимерная композитная сетка; 7 - шляпки дополнительных анкеров в виде саморезов; 8 - дополнительные анкеры в виде саморезов.
c
Дорожная плита состоит из двух слоев (фиг. 1) - верхнего бетонного слоя 1, соединенного с нижним слоем, выполненного из сборной полимерной композитной плиты 2, через анкеры в виде саморезов 3 со шляпками 4, завинченными в нее с выпусками, соответственно, на величину h, на шляпках которых зафиксирована полимерная композитная (верхняя) сетка 5.
e
Дорожная плита, состоящая из двух слоев (фиг. 1) - верхнего бетонного слоя 1 и нижнего слоя, выполненного из сборной полимерной композитной плиты 2 и соединенного анкерами в виде саморезов 3 со шляпками 4, на шляпках которых зафиксирована полимерная композитная сетка (верхняя) 5, может быть усилена дополнительной вспомогательной нижней полимерной композитной сеткой 6, зафиксированная на шляпках 7 дополнительных анкеров в виде саморезов 8 с выпусками на величину h(фиг. 2).
в
c
к
в
с
e
c
Размеры дорожной плиты: длина l, толщина h, длина полимерных композитных сеток l,l, толщина полимерной композитной плиты h, толщина слоев с полимерными композитными сетками h,h, шаг анкеров в виде саморезов t,t, размер отверстий в полимерных композитных сетках задаются из условий работы плиты и величины воспринимаемой нагрузки.
Дорожная плита изготавливается и работает следующим образом.
к
Сначала изготавливают сборную полимерную композитную плиту 2 толщиной h для нижнего слоя дорожной плиты, для чего завинчивают в готовую полимерную композитную плиту анкеры в виде саморезов 3 со шляпками 4 с заданной величиной выпусков согласно патенту № 2739818 (фиг. 1).
Формование дорожной плиты начинают с формирования в форме нижнего слоя дорожной плиты, для чего укладывают подготовленную полимерную композитную сборную плиту 2 (фиг. 1) с анкерами в виде саморезов 3 со шляпками 4 вверх. После этого укладывают бетонную смесь до уровня шляпок 4, раскладывают полимерную композитную сетку 5 и закрепляют ее с натяжением на шляпках 4 анкеров в виде саморезов 3, далее формируют несущий бетонный слой 1. При этом для восприятия более значительных нагрузок, в том числе динамических, предварительно укладывают и закрепляют дополнительную вспомогательную полимерную композитную сетку 6 на шляпках 7 дополнительных анкеров в виде саморезов 8 (фиг. 2). После формования дорожной плиты выполняют тепловую обработку до достижения изделием распалубочной прочности.
Готовую дорожную плиту монтируют на стройплощадке или на строящейся дороге согласно техническим нормам.
При приложении нагрузки на дорожную плиту, изготовленную с верхним бетонным слоем, армированным полимерной композитной сеткой (верхней), и нижним слоем из сборной полимерной композитной плиты, соединенных анкерами в виде саморезов, она будет работать как балка на двух опорах. Верхний и нижний слои дорожной плиты будут работать совместно за счет работы шляпок анкеров в виде саморезов и части их винтовой нарезки в бетонном слое. В этом случае шляпки анкеров в виде саморезов и их резьба будут сопротивляться сдвиговым деформациям бетона. При этом часть нагрузки будет восприниматься полимерной композитной сеткой, закрепленной и натянутой на шляпках анкеров в виде саморезов.
В случае установки дополнительной вспомогательной (нижней) полимерной композитной сетки, расположенной в основной зоне действия изгибающего момента, нагрузка будет восприниматься и распределяться двумя полимерными композитными сетками более равномерно. В тоже время надо учитывать, что повышается эффективность восприятия нагрузки также за счет того, что анкеры и полимерные композитные сетки, закрепленные на них, работают совместно.
При этом использование полимерных композитных сеток, закрепленных на анкерах в виде саморезов, с возможностью строгого их расположения в проектном положении, в комплексе с работой полимерной композитной сборной плиты, позволяет значительно снизить процесс развития трещин и повысить трещиностойкость за счет повышенной ее прочности и отличающейся лучшими деформативными свойствами по сравнению с бетоном, который слабо сопротивляется деформациям растяжения при изгибе плиты, отличаясь хрупким поведением в процессе его нагружения. Это объясняется тем, что за счет использования полимерной композитной сборной плиты в основании предложенной дорожной плиты сокращается длина формируемой трещины и соответственно ее ширина раскрытия в нижнем бетонном слое будет меньше за счет лучших деформативных свойств у полимерного материала, чем у бетона, а также за счет совместной работы слоев дорожной плиты и полимерных композитных сеток при использовании простого и надежного их соединения анкерами в виде саморезов.
На общей конструктивной схеме дорожной плиты (фиг. 1, фиг. 2) видно, что основные конструктивные элементы дорожной плиты - верхний бетоннный слой, усиленный полимерными композитными сетками, и нижний слой в виде готовой сборной полимерной композитной плиты, связаны между собой через анкеры в виде саморезов. При этом анкеры в виде саморезов и полимерные композитные сетки, закрепленные на них, работают совместно. Поэтому предлагаемая дорожная плита, выполненная конструктивно комбинированной, может работать более эффективно, чем известная бетонная двухслойная дорожная плита, так как вся конструкция обеспечивает возможность восприятия более высоких нагрузок, включая динамические. При этом обеспечивается более высокая технологичность изготовления дорожной плиты. Это достигается за счет возможности использования готовых полимерных композитных изделий сборной плиты и сеток, а также готовых анкеров в виде саморезов, и исключения из технологической цепочки операции фиксации сеток с помощью специальных фиксаторов.
Улучшенные эксплуатационные свойства и меньшая масса дорожной плиты позволяют рекомендовать ее к использованию при устройстве временных вертолетных площадок, дорог и аэродромов в сложных природно-климатических условиях строительства.
Для обоснования работоспособности предлагаемого технического решения дорожной плиты с улучшенными эксплуатационными свойствами были выполнены лабораторные модельные испытания.
Для этого изготавливали стандартные балочки 40×40×160 мм, как чисто бетонные, так и комбинированные двухслойные балочки с нижним слоем из полимерного композитного материала. Нижний полимерный композитный слой выполняли из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой с получением полимерной композитной пластины толщиной 5 мм. При этом для прочного соединения слоев балочки в полимерные композитные пластины завинчивали 6 анкеров в виде саморезов диаметром 3,5 мм с выпусками на величину 10 мм с получением сборной полимерной композитной пластины.
Технологические операции по формованию комбинированных балочек осуществляли в следующей последовательности. Сначала в форме укладывали нижнюю сборную полимерную композитную пластину выпусками со шляпками анкеров в виде саморезов вверх, образуя нижний слой, затем укладывали бетонную смесь на высоту шляпок анкеров в виде саморезов, после чего устанавливали полимерную композитную сетку с размером отверстий 5 мм, путем ее закрепления с натяжением на шляпках анкеров в виде саморезов. После этого укладывали еще слой бетона, согласно толщине балочки, образуя верхний бетонный слой комбинированной балочки.
После твердения бетона анкеры в виде саморезов прочно закрепляли во внутреннем бетонном слое, за счет работы которых и происходило надежное соединение полимерной композитной пластины с бетонным слоем. При этом полимерная композитная сетка, закрепленная на шляпках анкеров виде саморезов оставалась строго в проектном положении.
Для изготовления балочек использовали цементо-песчаную смесь в соотношении 1:3. Песок использовали карьерный, средней крупности, вяжущее - портландцемент М500. Водоцементное отношение задавали 0,5.
Балочки формовали на виброплощадке с вертикально направленными колебаниями с последующей тепловой обработкой в пропарочной камере. Была изготовлена серия бетонных балочек, усиленных готовыми сборными полимерными композитными пластинами и полимерными композитными сетками.
Испытания на изгиб бетонных и комбинированных балочек выполняли на испытательной машине МИИ-100.
В процессе испытаний было зафиксировано хрупкое разрушение чисто бетонных балочек. Однако при испытании комбинированных балочек, усиленных слоями из готовых сборных полимерных композитных пластин и полимерных композитных сеток, явного хрупкого разрушения не наблюдалось. Это можно объяснить тем, что, во-первых, за счет использования полимерной композитной пластины в основании бетонной балочки сокращается длина формируемой трещины и соответственно ее ширина раскрытия в нижнем бетонном слое будет меньше, а, во-вторых, за счет лучших деформативных свойств у полимерного материала, чем у бетона и, в-третьих, за счет работы полимерной композитной сетки, установленной в натянутом состоянии строго в проектном положении.
Результаты испытаний показали, что максимальная прочность при изгибе, равная 4,65 МПа, соответствует комбинированной балочке, что на 22% больше прочности не усиленной балочки. При этом время нагружения - деформирования до достижения предельного состояния у комбинированных балочек было больше на 15-25% относительно не усиленной балочки, что косвенно говорит о лучших их деформативных свойствах и как следствие о меньшей степени хрупкости и повышенной трещиностойкости.
Учитывая полученные положительные результаты испытаний бетонных балочек, усиленных нижними слоями из сборных полимерных композитных пластин и полимерными композитными сетками, закрепленными на анкерах в виде саморезов, можно сделать вывод, что использование предлагаемой конструкции комбинированной дорожной плиты позволит, повысить трещиностойкость, прочность на изгиб, что особенно важно в случае ее применения в сложных природно-климатических условиях строительства. При этом используемые формы и технология формования дорожных плит остаются прежними.
Дорожная плита была изготовлена в виде модели и испытана в строительной лаборатории кафедры ПСК ТвГТУ и показала повышенные эксплуатационные характеристики, а также возможность изготовления дорожной плиты с улучшенными эксплуатационными свойствами, как в заводских условиях, так и в реальных условиях строительства.