Дорожная плита
ROAD PLATE

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.
Известна дорожная плита, выполненная из упругого и несущего слоев, и состоящая из цементной матрицы с мелким и крупным заполнителем и армирующими элементами (RU, №2433219, МПК Е01С 5/06. Дорожная плита, 2011).
Недостатками данного технического решения являются пониженная несущая способность, обусловленная невысокой жесткостью слоев, а также недолговечность, обусловленная хрупкостью нижнего слоя при изгибе плиты от действия эксплуатационных нагрузок, особенно при воздействии динамических переменных нагрузок, а также высокая материалоемкость и соответственно, себестоимость дорожной плиты вследствие использования дополнительных упругих компонентов.
Известно применение полимерных и композитных сеток для армирования бетонных изделий (Полезная модель №177233. МПК: Е04С 5/07. Сетка армирующая полимерно-композитная преднапряженная с нанодобавками, 2018).
Недостатками данного технического решения является пониженная несущая способность, обусловленная хрупкостью нижнего слоя при изгибе плиты от действия эксплуатационных нагрузок, особенно при воздействии динамических нагрузок.
Известно применение в дорожном строительстве дорожных матов из композиционных материалов (КДМ), в которых покрытие дороги образовано полимерными плитами (патент на полезную модель №131734. МПК: Е01С 5/00. Композиционный дорожный мат для дорог со сборно-разборным покрытием, 2013).
При этом плиты изготавливаются из полимерного композиционного материала, физико-механические характеристики которого обеспечивают требования к максимальной нагрузке - колесной, осевой и гусеничной, а также к химической стойкости, что обеспечивает высокую их долговечность.
Для изготовления плит, формирующих КДМ, используется композиционный полимерный материал по своим физико-механическим характеристикам превосходящий ранее используемые материалы: железобетон и дерево, а также композиционный стеклопластик, используемый для плит согласно патенту №107165, что подтверждается данными, приведенными ниже в таблице 1.
Известно также применение в строительстве саморезов в качестве крепежных элементов соединения слоев из различных материалов (например, https://sprb.bv/material/269-samorez-vidy-primenenie.html). Однако их применение в качестве анкерных элементов для соединения, например, металлических или полимерных материалов с бетонным слоем, отличается сложностью реализации и повышенной трудоемкостью за счет необходимости сверления отверстия в бетоне и установки дюбеля.
Наиболее близким техническим решением является монолитная двухслойная плита с верхним слоем из полимерной композитной сборной плиты с заданными характеристиками повышенной химической стойкости, повышенной прочности, повышенной морозостойкости и повышенной износостойкости, соединенная с бетонным слоем анкерными выпусками из арматуры (Патент RU 2 667 396. МПК Е01С 5/22. Способ устройства дорожного покрытия повышенной долговечности, 2018).
Недостатками данного технического решения являются пониженная несущая способность, обусловленная низкой трещиностойкостью нижнего слоя при изгибе плиты от действия эксплуатационных нагрузок, сложная технология изготовления за счет необходимости изготовления специальных анкеров и отдельного формования сборной плиты, а также не обеспечиваются защитные функции нижнего слоя бетона. При этом не 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.
В основе настоящего изобретения лежит задача по повышению трещиностойкости дорожной плиты, особенно при воздействии динамических, знакопеременных нагрузках, и упрощению технологии ее изготовления.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного изобретения, является повышение несущей способности и эксплуатационной надежности дорожной плиты при снижении ее материалоемкости, а также повышение долговечности.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что дорожная плита, содержащая цементобетонный слой и верхний 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 из нижней поверхности сборной плиты, погруженных в тело цементобетонного слоя, при этом дорожная плита, содержит нижний слой 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.
При этом саморезы со шляпками могут быть завинчены под углом к поверхности сборных плит, контактируемых с цементобетонным слоем. Это целесообразно выполнять для верхней композитной плиты в случае использования небольшой ее толщины, так как она не является несущим слоем, а выполняет в основном защитные функции - против коррозии, износостойкость и др.
Исполнение дорожной плиты, состоящей из трех слоев - верхнего и нижнего из полимерного композитного материала и внутреннего бетонного слоя, позволяет, во-первых, повысить трещиностойкость за счет изготовления дорожной плиты с нижним несущим слоем из полимерного композитного материала в виде сборной плиты с заданными характеристиками повышенной химической стойкости, повышенной прочности, повышенной морозостойкости, отличающейся лучшими деформативными свойствами по сравнению с бетоном, который слабо сопротивляется деформациям растяжения при изгибе плиты, отличаясь хрупким поведением в процессе его нагружения, во-вторых, повысить коррозионную стойкость нижнего слоя бетона, защитив его полимерной композитной сборной плитой с заданными характеристиками повышенной химической стойкости за счет отсутствия в этом случае прямого контакта бетона с грунтовым основанием, в-третьих, снизить массу дорожной плиты за счет частичной замены нижнего слоя из тяжелого бетона слоем из более легкого полимерного композитного материала, в-четвертых, упростить технологию изготовления путем исключения из технологической цепочки операции по формованию верхней и нижней сборных плит, а использовать более простую и быструю операцию сборки путем использования готовых полимерных композитных плит, например применяемые в дорожном строительстве (полезная модель РФ N 152159, МПК: Плита «Р-ТЭК» модульного дорожного покрытия для сборно-разборных временных дорог и площадок, 2015) и готовых анкеров - саморезов. В этом случае также не надо изготавливать специальные анкеры - снижаются трудозатраты, так как саморезы это готовые покупные изделия, а также упрощается процесс изготовления сборной плиты за счет использования более простой операции по их установке в сборной плите - операции завинчивания, что, в целом, повышает эффективность изготовления и работы дорожной плиты.
Кроме этого в случае использования полимерных композитных сборных плит небольшой толщины для более надежного в них закрепления анкеров - саморезов, последние завинчиваются под углом к поверхности полимерных композитных сборных плит, контактируемых с цементобетонным слоем.
Дорожная плита поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена конструктивная схема дорожной плиты с верхним и нижним слоями из полимерной композитной сборной плиты; на фиг. 2 - конструктивная схема полимерной композитной сборной плиты; на фиг. 3 - Вид I; на фиг. 4 -конструктивная схема полимерной композитной сборной плиты с анкерами -саморезами, завинченных под углом к ее поверхности.
На фиг. - фиг. 4 обозначено: 1,2 - верхний и нижний слои из полимерной композитной сборной плиты соответственно; 3 - анкеры - саморезы; 4 - шляпка анкера - самореза; 5 - внутренний бетонный слой; 6 - геосетка.
1
3
2
в
Дорожная плита состоит из трех слоев (фиг. 1) - верхнего и нижнего слоев, толщиной соответственно h и h, - из готовых полимерных композитных сборных плит 1,2 (фиг. 2) с завинченными в них анкеров - саморезов 3 со шляпками 4, соединенные с внутренним бетонным слоем 5 толщиной h выпусками анкеров - саморезов длиной h, армированного геосеткой 6 (фиг. 3).
Кроме этого готовые полимерные композитные сборные плиты 1,2 могут быть соединены с внутренним бетонным слоем 5 анкерами - саморезами, завинченных под углом к его поверхности (фиг. 1, фиг. 4).
1
в
Размеры дорожной плиты: толщина слоев h, шаг анкеров - саморезов t, величина их выпусков h и угол их наклона а задаются из условий работы плиты и величины воспринимаемой нагрузки.
Дорожная плита изготавливается и работает следующим образом.
в
Сначала изготавливают две сборные полимерные композитные плиты 1,2 для верхнего и нижнего слоев дорожной плиты, для чего завинчивают в готовые полимерные композитные плиты (например, согласно патенту: полезная модель РФ N 152159, МПК: Плита «Р-ТЭК» модульного дорожного покрытия для сборно-разборных временных дорог и площадок, 2015) с заданными размерами и характеристиками повышенной химической стойкости, повышенной прочности, повышенной морозостойкости и повышенной износостойкости анкеры - саморезы 4 со шляпками 5 с заданной величиной выпусков h - перпендикулярно (фиг. 2) или наклонно -(фиг. 4).
Формование дорожной плиты начинают с формирования в форме нижнего слоя дорожной плиты, для чего укладывают соответствующую полимерную композитную сборной плиту (фиг. 2, фиг. 4) анкерами - саморезами 4 со шляпками 5 вверх. После этого укладывают бетонную смесь и формируют внутренний несущий бетонный слой. При этом для восприятия более значительных нагрузок укладывают геосетку 6 (фиг. 1). Затем формируют верхний слой, для чего укладывают полимерную композитную сборной плиту анкерами - саморезами 4 со шляпками 5 вниз с полным их погружением во внутренний бетонный слой.
После формования дорожной плиты выполняют тепловую обработку до достижения изделием распалубочной прочности.
Готовая дорожная плита монтируется на стройплощадке согласно техническим нормам.
При приложении нагрузки на дорожную плиту, изготовленную с верхним и нижним слоями из сборных полимерных композитных плит, соединенных анкерами - саморезами с внутренним бетонным слоем, она будет работать как балка на двух опорах. Верхний и нижний слои дорожной плиты будут работать совместно с внутренним слоем за счет работы шляпок и части винтовой нарезки саморезов в бетонном слое. Часть резьбы выпуска анкера - самореза и его и шляпка являются несущей частью анкера -самореза в бетонном слое. При приложении нагрузки шляпка самореза и его резьба будут сопротивляться сдвиговым деформациям бетона.
При этом работа полимерного композитного материала в виде сборной плиты позволяет предотвратить развитие трещин - 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 можно объяснить еще 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, а также за счет лучших деформативных свойств у полимерного материала, чем у бетона.
Кроме этого, работа полимерного композитного материала в виде сборной плиты позволяет также защитить нижний слой бетона от агрессивной среды грунтового основания - повысить его коррозионную стойкость за счет работы полимерной композитной сборной плиты с заданными характеристиками повышенной химической стойкости и за счет отсутствия в этом случае прямого контакта бетона с грунтовым основанием.
На общей конструктивной схеме дорожной плиты (фиг. 1 - фиг. 3) видно, что основные конструктивные элементы дорожной плиты - верхний и нижний слои в виде готовых сборных полимерных композитных плит, связаны между собой через внутренний бетонный слой с учетом действия нагрузки, что в этом случае приводит к повышенной технологичности изготовления дорожной плиты. Это обеспечивается за счет возможности использования готовых полимерных композитных изделий - сборной плиты в качестве верхнего защитного слоя и в качестве нижнего несущего слоя. Поэтому предлагаемая дорожная плита выполнена конструктивно комбинированной и может работать более эффективно, чем известная бетонная двухслойная дорожная плита, так как вся конструкция обеспечивает возможность восприятия более высоких нагрузок, включая динамических. При этом повышается технологичность выполнения основных операций по изготовлению дорожной плиты за счет применения готовых изделий в виде полимерных композитных плит, а также анкеров в виде саморезов, снижается масса плиты за счет использования более легких компонентов дорожной плиты - сборных полимерных композитных плит, повышается долговечность работы, что обеспечивается более высокой коррозионной стойкостью дорожной плиты за счет исключения контакта бетона с грунтовым основанием в случае использования полимерной композитной сборной плиты в качестве нижнего слоя.
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 изготавливались стандартные балочки 40×40×160 мм, как чисто бетонные, так и комбинированные трехслойные балочки с наружными слоями из полимерного композитного материала. Нижний и верхний полимерный композитный слой выполнялся из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой с получением полимерной композитной пластины толщиной 5 мм. При этом для прочного соединения наружных слоев балочки с внутренним бетонным слоем в них завинчивались 6 анкеров - саморезов диаметром 3,5 мм с выпусками на величину 10 мм с получением сборной полимерной композитной пластины.
Технологические операции по формованию комбинированных балочек осуществлялись в следующей последовательности. Сначала в форме укладывалась нижняя сборная полимерная композитная пластина выпусками со шляпками анкеров - саморезов вверх, образуя нижний слой, затем укладывалась бетонная смесь толщиной 30 мм, после чего устанавливалась верхняя сборная полимерная композитная пластина выпусками со шляпками анкеров - саморезов вниз путем их вдавливания в бетонный слой, образуя верхний слой комбинированной балочки.
В процессе формования балочки выпуски со шляпками анкеров - саморезов сборных полимерных композитных пластин (верхней и нижней) фиксировались во внутреннем бетонном слое. После твердения бетона анкеры - саморезы прочно закреплялись во внутреннем бетонном слое, за счет работы которых и происходило надежное соединение наружных полимерных композитных слоев балочки с бетонным слоем.
Для изготовления балочек использовалась цементо-песчаная смесь в соотношении 1:3. Песок использовался карьерный, средней крупности, вяжущее - портландцемент М500. Водоцементное отношение задавалось 0,5. Балочки формовались на виброплощадке с вертикально направленными колебаниями с последующей тепловой обработкой в пропарочной камере. Была изготовлена серия бетонных балочек, усиленные готовыми сборными полимерными композитными пластинами.
Испытания на изгиб бетонных и комбинированных балочек выполнялись 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, 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. При этом трещин в нижней сборной полимерной композитной пластине, подверженной наибольшим изгибным деформациям, обнаружено не было.
Результаты испытаний показали, что максимальная прочность при изгибе, равная 5,82 МПа, соответствует комбинированной балочке, что на 27% больше прочности не усиленной балочки. При этом время нагружения -деформирования до достижения предельного состояния у комбинированных балочек было больше на 17-35% 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 цементобетонных балочек, усиленных наружными слоями из сборных полимерных композитных пластин, можно сделать вывод, что использование предлагаемой конструкции комбинированной дорожной плиты позволит снизить нагрузку на основание, повысить трещиностойкость, прочность на изгиб и коррозионную стойкость дорожной плиты, 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.