Дорожная плита

Полезная модель относится к области строительства и может найти применение при изготовлении дорожных и аэродромных плит, а также может быть использована при сооружении и реконструкции плит 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, 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 в дорожном строительстве дорожных матов из композиционных материалов (КДМ), в которых покрытие дороги образовано полимерными плитами (RU, №131734. МПК: Е01С 5/00. 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.
Однако повышенная гибкость и недостаточная жесткость при действии высоких нагрузок, что обуславливают только временное ее применение, что снижает эффективность использования таких плит.
Наиболее близким техническим решением является монолитная двухслойная железобетонная плита, содержащая нижнюю и верхнюю плиты и разделительный упругий слой (RU, №2243316, Е04В/500, Е01С 3/00, 2004).
Однако сложность конструкции, значительный собственный вес, а также пониженная несущая способность, обусловленная хрупкостью нижнего слоя при изгибе плиты от действия эксплуатационных нагрузок являются существенными недостатками. 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 данной полезной модели лежит задача по разработке эффективной конструкции дорожной плиты, которая будет отличаться повышенным качеством изделия за счет повышенной трещиностойкости, особенно при воздействии динамических, знакопеременных нагрузках, за счет снижения массы плиты, а также за счет упрощения конструкции плиты.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленной полезной модели, является повышение несущей способности и эксплуатационной надежности дорожной плиты при снижении ее материалоемкости и себестоимости, а также повышение долговечности, т.е. увеличение срока службы дорожной плиты.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в дорожной плите, выполненной железобетонной и состоящей из двух слоев в виде нижней и верхней плит, дорожная плита выполнена комбинированной, состоящей из верхнего бетонного слоя и нижнего слоя, в виде полимерной композитной плиты, которая закреплена с бетонным слоем через углубления в полимерной композитной плите, заполненные бетоном, которые могут иметь фаску в верхней или нижней части углублений, а также могут иметь фаску в верхней и нижней частях углублений.
Исполнение дорожной плиты комбинированной, состоящей из двух несущих слоев - верхнего бетонного и нижнего полимерного композитного, позволяет, во-первых, повысить трещиностойкость за счет изготовления плиты с нижним несущим слоем, из полимерного композитного материала, отличающегося лучшими деформативными свойствами по сравнению с бетоном и, который подвергается значительным деформациям растяжения при изгибе плиты в процессе ее нагружения, во-вторых, снизить массу дорожной плиты за счет замены нижнего слоя из тяжелого бетона слоем из более легкого полимерного композитного материала, в-третьих, упростить технологию изготовления путем исключения операции по формованию выступов за счет использования готовой полимерной композитной плиты, в-четвертых, повысить прочность дорожной плиты, за счет выполнения полимерной композитной плиты с углублениями, которые позволяют обеспечить прочные связи с матрицей бетона; в-пятых, повысить коррозионную стойкость дорожной плиты, за счет использования полимерного композитного нижнего слоя плиты и, соответственно, отсутствия прямого контакта бетона с грунтовым основанием и, в целом, повысить эффективность работы всей дорожной плиты.
Кроме этого исполнение готовой полимерной композитной плиты с фасками в верхней части углублений позволяет повысить сцепление двух слоев - повысить прочность дорожной плиты или снизить количество дополнительных связей. Исполнение полимерной композитной плиты с фасками в нижней части углублений за счет большей площади распределения - приложения нагрузки позволяет повысить прочность связи между собой двух плит бетонной и полимерной композитной. При этом исполнение фасок как в верхней, так и в нижней частях углублений позволяет повысить прочность связи между собой двух плит бетонной и полимерной композитной за счет увеличения площади сдвига, заполненных бетонной матрицей, что, соответственно, повышает сопротивляемость сдвиговым деформациям - повышает эффективность работы дорожной плиты.
Дорожная плита поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена конструктивная схема дорожной плиты с нижним слоем из полимерной композитной плиты; на фиг. 2 - Вид I - узел соединения верхнего слоя дорожной плиты с нижним слоем через углубления с верхней фаской; на фиг. 3 - тоже соединение через углубления с нижней фаской; 4 - тоже соединение через углубления с верхней и нижней фаской.
На фиг. 1 - фиг. 4 обозначено: 1 - полимерная композитная плита; 2 - бетонный слой; 3 - углубления; 4 - фаски на углублениях.
Дорожная плита выполнена комбинированной и состоит из двух слоев - нижнего в виде готовой полимерной композитной плиты 1 и верхнего - из тяжелого бетона 2 (фиг. 1). В свою очередь полимерная композитная плита 1 выполнена с углублениями 3. Кроме этого углубления в полимерной композитной плите могут быть выполнены с верхней фаской 4 (фиг. 2), нижней фаской 4 (фиг. 3) или с верхней и нижней фасками (фиг. 4).
Размеры полимерной композитной плиты и углублений: длина l, толщина δ, шаг t задаются из условий работы плиты и величины воспринимаемой нагрузки.
Дорожная плита изготавливается и работает следующим образом.
Сначала изготавливают для нижнего слоя дорожной плиты полимерную композитную плиту 1 с углублениями 3, например, цилиндрической формы (фиг. 1). Для этого можно использовать полуфабрикат - готовую плиту, 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, в которой выполняются углубления 3 с верхней фаской (фиг. 2), нижней фаской (фиг. 3) или с нижней и верхней фасками (фиг. 4). Углубления можно выполнять, например, путем сверления или фрезерования.
Изготовление дорожной плиты начинают с формирования в форме нижнего слоя дорожной плиты, для чего укладывают соответствующую подготовленную полимерную композитную плиту с соответствующей фаской (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4). После этого укладывают бетонную смесь, формируют верхний несущий бетонный слой и уплотняют, например, на виброплощадке.
В процессе вибрирования часть бетонной смеси заполняет углубления в полимерной композитной плите. При этом технология изготовления дорожной плиты с полимерной композитной плитой, имеющей различные фаски, остается прежней.
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, в случае худшего варианта ее работы, можно рассматривать работу дорожной плиты как балка на двух опорах. Однако, в отличие от обычной дорожной плиты, где нижний слой бетонный и где действуют значительные растягивающие деформации, в комбинированной дорожной плите полимерный композитный слой будет препятствовать хрупкому ее разрушению за счет того, что имеет хорошие деформационные и прочностные свойства, выполняя, по сути, функцию второго несущего слоя, за счет чего существенно повышается несущая способность дорожной плиты.
При этом эффективность работы дорожной плиты повышается за счет включения в работу части бетонной матрицы, расположенной в углублениях полимерной композитной плиты. При этом несущая способность дорожной плиты при ее нагружении может быть повышена путем увеличения сдвиговой прочности между слоями 1 и 2 образованием фаски на верхней части отверстий. В этом случае повышается прочность связи между собой двух плит за счет увеличения сечения углублений в контактной зоне между плитами (фиг. 2). Для восприятия более значительных нагрузок используют полимерную композитную плиту с фаской в нижней части углублений (фиг. 3). Кроме этого используя полимерную композитную плиту с нижней и верхней фасками (фиг. 4) можно существенно повысить прочность плиты, что позволяет надежно воспринимать значительные нагрузки, особенно динамические.
На общей конструктивной схеме дорожной плиты (фиг. 1) - фиг. 3) видно, что основные конструктивные элементы дорожной плиты - верхний и нижний слои в виде двух плит связаны между собой с учетом действия нагрузки и технологичности ее изготовления. Это обеспечивается за счет возможности использования готовой полимерной композитной плиты в качестве нижнего несущего слоя. Поэтому предлагаемая дорожная плита выполнена конструктивно комбинированной и может работать более эффективно, чем известная бетонная двухслойная монолитная плита, так как вся конструкция обеспечивает возможность восприятия более высоких нагрузок, включая динамических. При этом повышается технологичность выполнения основных операций по изготовлению дорожной плиты, снижается масса плиты, повышается коррозионная стойкость дорожной плиты за счет исключения прямого контакта бетона с грунтовым основанием.
Особенно эффективно использовать предлагаемое техническое решение 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 х 40 х 160 мм, как чисто бетонные, так и комбинированные двухслойные балочки с верхним бетонным слоем и нижним из полимерного композитного материала. Нижний полимерный композитный слой изготавливался в виде пластины и выполнялся из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой с получением полимерной композитной пластины толщиной 5 мм. При этом для прочного соединения верхнего слоя балочки с нижним полимерным композитным слоем - полимерной композитной пластиной в ней выполнялись углубления диаметром 3-6 мм с верхней фаской.
Технологические операции по формованию комбинированных баночек осуществлялись в следующей последовательности. Сначала в форме укладывалась нижняя полимерная композитная пластина с углублениями в виде отверстий, образуя нижний слой, а затем укладывалась бетонная смесь толщиной 30 мм, образуя верхний слой комбинированной балочки.
В процессе формования балочки на виброплощадке углубления в виде отверстий с верхними фасками полимерной композитной пластины заполнялись бетоном, образуя анкеры для верхнего бетонного слоя. После твердения бетона углубления заполненные затвердевшим бетоном, являясь по сути анкерами прочно скрепляли два слоя - бетонный и полимерный композитный, 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 с углублениями с верхними фасками.
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 слоем из готовых 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 нижним слоем из 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 в строительной лаборатории кафедры ПСК ТвГТУ и показала при испытании повышенные эксплуатационные характеристики, а также возможность ее изготовления, как в заводских условиях, так и в реальных условиях строительства.