Деформации и разрушения цементобетонных покрытий

Цементобетонные покрытия работают в условиях сложного напряжённого состояния под действием повторных динамических нагрузок от автомобилей и переменных температурно-влажностных полей. При нагревании или охлаждении плит покрытия они стремятся изменить свои линейные размеры, но из-за сопротивления свободному перемещению по основанию возникают температурные напряжения в покрытии.

При изменении температуры по толщине цементобетонного покрытия плиты коробятся выпуклостью вниз (ночью) или вверх (днём) в зависимости от направления теплового потока. При несостоявшихся деформациях коробления в плитах также возникают температурные напряжения, величина которых зависит от собственной массы плит покрытия и их геометрических размеров.

Условия работы цементобетонного покрытия в разных его зонах (в центре, на краю, на торце, на углу плиты, на полосе наката и т.д.) являются существенно неоднородными. Это создает условия для накопления остаточных деформаций оснований под периферийной частью плит покрытия по всему периметру и для частичного нарушения контакта их нижней поверхности с основанием, особенно в зонах края и поперечных швов. В результате образуются зависающие участки плиты, в которых резко возрастают отрицательные изгибающие моменты при расположении нагрузки над швом.

К характерным деформациям и разрушениям цементобетонных покрытий относятся шелушение и выкрашивание поверхностного слоя бетона, трещины, выбоины, отколы углов и краев плит, вертикальные смещения плит, коробление, разрушение стыковых соединений и заполнителей швов.

Шелушение - механическое отделение частичек верхнего слоя покрытия в виде чешуи толщиной 2-5 мм или тонких лещадок толщиной до 40 мм.

Выкрашивание - отделение мелких частиц составляющих материалов (песка, щебня, цементного камня).

Основной причиной шелушения и выкрашивания покрытий является нарушение связности и прочности сцепления цементного камня и заполнителя в бетоне. Это может быть следствием нарушения технологии укладки бетона (укладка и твердение бетона при температуре ниже +5°С, заглаживание поверхности свежеуложенной смеси с добавлением воды, цемента или песка, излишнее вибрирование смеси, неправильный уход за свежеуложенным цементобетоном), а также низкого качества материалов. Другой причиной шелушения и выкрашивания может быть многократное приложение тяжёлых нагрузок в одном и том же месте в сочетании с резкими перепадами температуры на поверхности при частом замораживании и оттаивании в зимний и осенний периоды года.

Шелушение и выкрашивание поверхности покрытия является наиболее распространённым видом дефектов. Они опасны тем, что задерживают воду на поверхности, что способствует дальнейшему разрушению покрытия в период заморозков и оттаивания, а также тем, что создают участки покрытия с различными сцепными качествами.

Выбоины - местные разрушения в виде углублений различных форм и размеров в плите глубиной до 8-10 см. Причиной их образования может стать недостаточная прочность поверхностного слоя на отдельных участках покрытия, а также дальнейшее развитие уже имеющихся поверхностных разрушений (выкрашивание) в результате воздействия часто повторяющихся динамических нагрузок от колёс автомобилей, которые могут возрастать до 50 % от статической.

Раковины - это разрушения поверхности покрытия, по своему виду похожие на выбоины, только меньших размеров. Они образуются как результат развития процесса выкрашивания при попадании в верхний слой неморозостойких крупных заполнителей или инородных материалов, которые быстро разрушаются и выбиваются из покрытия. Раковины могут образовываться из-за недоуплотнения цементобетонной смеси и плохой отделки покрытия.

Трещины цементобетонных покрытий могут быть поперечными, продольными и косыми; волосными, поверхностными и сквозными.

Волосные трещины хорошо заметны при влажном покрытии, образуются преимущественно вследствие усадки цементобетона при его твердении из-за плохо подобранного состава смеси и неправильного ухода за свежеуложенным цементобетоном, а также в результате скопления и замерзания влаги в мельчайших порах верхнего слоя покрытия. Поверхностные трещины бывают усадочного и температурного происхождения. Последние могут возникнуть при короблении плит.

Сквозные трещины появляются в результате перенапряжения при недостаточной несущей способности покрытия. Снижение несущей способности покрытия может произойти из-за переувлажнения грунтов земляного полотна, просадки грунта из-за плохого уплотнения, из-за перегрузки покрытия при пропуске тяжёлых нагрузок и т.д.

Поперечные сквозные трещины образуются при больших расстояниях между швами и в тех случаях, когда произошло сцепление бетонных плит с основанием и они не могут перемещаться при температурных изменениях. Это температурные трещины. Продольные сквозные трещины возникают при неоднородно уплотнённом земляном полотне, когда края, уплотнённые меньше, начинают давать осадку. Косые трещины проявляются над местными пустотами, осадками земляного полотна и при недостаточно прочных покрытиях. Наличие сквозных трещин в цементобетонных покрытиях обычно служит признаком недостаточной прочности и начала разрушения.

Опасность сквозных трещин состоит в том, что они снижают несущую способность цементобетонных покрытий и создают условиях для проникновения воды в грунтовое основание.

Отколы углов и краев плит происходят в результате воздействия нагрузок и температуры при недостаточной прочности угловых и краевых участков плит. Причиной отколов углов и краёв является: недоуплотнение цементобетонной смеси на этих участках, неправильная установка штырей (перекос или размещение в разных уровнях), ослабление прочности основания вследствие проникания воды через швы или через обочины (рис. 6.6). На армированных плитах отколы особенно опасны, так как при этом обнажаются верхние концы арматуры, которые могут разорвать шины колес автомобилей.

Рис. 6.6. Схема разрушения бетонного покрытия в шве:
1 - деформация основания; 2 - разлом; 3 - трещина; 4 - уступ; 5 - направление движения транспортных средств; 6 - арматура

Сколы кромок плит в зоне швов и стыков возникают из-за недостаточной прочности верхнего слоя краевых участков плит под действием нагрузок от колес автомобилей. Скалывание кромок плит может происходить летом при высоких температурах, когда плиты сильно удлиняются, а их кромки сближаются вплотную настолько, что происходит коробление, в кромках плит возникает перенапряжение и происходит скол кромок.

Локальное или местное скалывание кромок плит часто происходит при засорении швов щебнем, гравием и т.п.

В систематизированном виде характерные наиболее распространённые деформации и разрушения цементобетонных покрытий автомобильных дорог представлены в табл. 6.5.

Наиболее распространенные деформации и разрушения цементобетонных покрытий автомобильных дорог

Вид	Характеристика и характер распространения	Наиболее вероятные причины возникновения
А. Деформации и разрушения покрытия
Трещины	1. Поперечные сквозные:
	а) технологические	Несвоевременная и некачественная нарезка деформационных швов
	б) эксплуатационные	Изменение температуры покрытия при большем, чем допустимо, расстоянии между швами сжатия и расширения; эксплуатация транспортными средствами с нагрузками, превышающими несущую способность покрытия; приложение нагрузки при слабом контакте покрытия с основанием
	2. Поперечные поверхностные	Воздействие транспортных средств при короблении плит от неравномерного распределения температуры по толщине покрытия
	3. Поперечные на краевых участках плит вдоль швов	Некачественная нарезка деформационных швов; неправильная установка штыревых соединений
	4. Продольные сквозные	Дефекты в устройстве продольных швов; неоднородные деформации земляного полотна
	5. Косые на угловых участках плит	Недостаточный контакт плиты с основанием; повышенные напряжения в плите при проезде транспортных средств
	6. Волосные усадочные	Неудовлетворительный подбор состава бетонной смеси; несоблюдение правил ухода за бетоном покрытия; недостаточный защитный слой бетона над арматурой
Вертикальные смешения плит	Образование неровностей (уступы, просадки)	Некачественное уплотнение подстилающего грунта или основания; пучение грунта зимой; вымывания материала основания из-под покрытия
Разрушение кромок плит	Местное смятие и обрушение поверхности кромок в зоне деформационных швов. Скалывание краевых участков плит	Отсутствие швов расширения; засорение деформационных швов; наличие уступов между соседними плитами
Разрушение заполнителя швов	Выкрашивание герметизирующего материала, удаление его из шва колесами автомобилей	Старение герметизирующего материала; плохая деформативность при отрицательных температурах; низкая термоустойчивость; значительные вертикальные и горизонтальные смещения кромок плит
Коробление плит	Потеря продольной устойчивости плит покрытия	Отсутствие свободы перемещения плит при температурных напряжениях; некачественное выполнение стыковых соединений; высокие годовые колебания температуры воздуха
Б. Деформации и разрушения поверхности плит при достаточной прочности дорожной одежды
Износ (истирание)	Уменьшение толщины покрытия при воздействии транспортных средств. Возникает на участках торможения автомобилей, на спусках, перед кривыми, на перекрёстках, на участках с интенсивным тяжёлым движением	Недостаточная износостойкость покрытия
Шелушение и выкрашивание	Отслоение чешуи цементного камня с последующим выкрашиванием заполнителя на глубину до 40 мм: Сплошное Очаговое Вдоль швов	Нарушение технологии приготовления и укладки бетонных смесей; низкое качество ухода за твердеющим бетоном; использование противогололёдных химических реагентов, раннее замораживание бетона покрытия; сочетание интенсивного приложения колесных нагрузок (особенно с шипованными шинами) с частыми циклами попеременного замораживания и оттаивания бетона
Выбоины	Местные разрушения покрытия овальной и круглой формы диаметром 5-10 см в плане и глубиной до 10 см	Недостаточное сопротивление покрытия касательным усилиям от транспортных средств; непрочное сцепление цементного камня с заполнителем; наличие грязного и неморозостойкого заполнителя в бетоне; низкое качество уплотнения отдельных участков покрытия
Раковины	Местные разрушения покрытия. Имеют такую же форму, как и выбоины, но меньших размеров	Применение неморозостойких крупных заполнителей; некачественная отделка поверхности покрытия и недоуплотнение бетонной смеси
В. Разрушение дорожной одежды
Проломы	Полное разрушение дорожной одежды с резким искажением поперечного профиля	Низкая прочность дорожной одежды в сравнении с требуемой по условиям движения
Просадки и вспучивание	Резкие искажения профиля покрытия, сопровождающиеся продольными и косыми пересекающимися трещинами	Переувлажнение грунтов земляного полотна; наличие пучинистых грунтов; глубокое промерзание земляного полотна