6.2. Матеріали і вироби для залізобетонних мостів

Вимоги до бетону для залізобетонних мостів. Мости експлуатуються в складних умовах. Вони знаходяться під впливом важких рухомих навантажень; їх несучі конструкції не прийнято захищати від різноманітної атмосферної дії: коливань температури, вологості, шкідливих газів; їх опори знаходяться під активною дією льодоходу і змінного протягом року рівня води в річці. Складні умови роботи мостів, а також умови виробництва робіт при їх будівництві ставлять до матеріалів і виробів для мостів ряд вимог.

До бетону залізобетонних мостів висуваються наступні вимоги: висока міцність, водо- і газонепроникність, морозостійкість, хімічна стійкість, необхідні терміни тверднення, легкоукладуваність, помірна усадка і повзучість.

Показником міцності бетону є клас бетону по міцності на центральний стиск В – тимчасовий опір стиску, МПа, бетонних кубів з розмірами ребра 15 см, випробуваних у віці 28 діб після зберігання їх у вологому середовищі при температурі 20 ± 2 °С. Для конструкцій мостів і труб застосовують бетони наступних класів міцності на стиск: В20, В25, В30, В35, В40, В45, В50, В55 і В60. Залежно від вигляду і призначення конструкцій, способів їх армування і умов їх роботи застосовують в них бетон різних класів (відповідно до рекомендацій табл. 21 СНиП 2.05.03-84*).

У несучих, особливо попередньо напружених, конструкціях мостів рекомендується застосовувати бетон високих класів міцності. Для їх отримання використовуються наступні шляхи:

• застосування цементів високої активності (активність вживаного цементу зазвичай в 1,3...1,8 разу більш проектного класу бетону по міцності на стиск);

• раціональне збільшення норм витрати цементу (на 1 м³ бетону не менше 250 кг і не більше 450 кг цементу, великі витрати цементу збільшують деформації усадки і повзучості бетону, що приводить до утворення в ньому тріщин);

• зменшення водоцементного відношення;

• застосування міцних заповнювачів, промивка їх з метою видалення глинистих і мулистих частинок, погіршуючих зчеплення цементного каменя із заповнювачем;

• підбір оптимального гранулометричного складу піску і щебеню, при якому забезпечується можливо повніше заповнення ними об'єму бетону і зменшується вміст цементного каменя, що має меншу міцність, ніж міцність щебеню і піску.

Стійкість бетону проти зовнішніх дій, водо- і газонепроникність забезпечуються створенням його щільності, вимірюваної в кг/м³. Необхідна щільність бетону забезпечується його вібрацією. У конструкціях мостів і труб передбачається застосування важкого бетону з щільністю від 2200 до 2500 кг/м³. Застосування бетону з меншою щільністю допускається лише в експериментальних конструкціях.

Морозостійкість бетону характеризується маркою F – найбільшою кількістю циклів поперемінного заморожування і відтавання, які здатні витримати зразки 28-добового віку без зниження міцності більш ніж на 15 %. Марки бетону за морозостійкістю для мостів і труб залежно від кліматичних умов зони будівництва, розташування щодо води і виду конструкції приймають в межах від 100 до 400 за табл. 22 СНиП 2.05.03-84*. Кліматичні умови характеризуються середньомісячною температурою найбільш холодного місяця (помірні – при температурі нижче -10 °С, суворі – при температурі від -10 до - 20 °С, особливо суворі – при температурі нижче - 20 °С). Морозостійкість бетону підвищують введенням в нього повітровтягуючих добавок, які створюють дрібні пори, що забезпечують вільне розширення води при її замерзанні в тілі бетону.

Марка бетону за водонепроникністю W відповідає тиску води, МПа, при якому ще не спостерігається її просочування через зразок бетону заввишки 15 см у віці 28 діб, випробуваного за спеціальному режиму. Ця марка повинна бути не нижче W4 в підводних і підземних частинах і не нижче W6 у водопропускних трубах, елементах дорожнього одягу проїзної частини і перехідних плитах.

Хімічна стійкість бетону багато в чому залежить від його щільності і виду вживаного цементу. У залізобетонних мостах застосовують бетон на портландцементі, сульфатостійкому портландцементі і глиноземистому цементі. Портландцемент використовують для найбільш відповідальних споруд. Сульфатостійкий портландцемент і глиноземистий цемент використовують в конструкціях, які можуть піддаватися дії морської, мінералізованої і болотяної води або іншим агресивним хімічним діям, що шкідливо діють на портландцемент.

Терміни і інтенсивність тверднення бетону і придбання ним необхідної міцності важливі для прискорення виробництва робіт. Цементи із звичайною тонкістю помелу забезпечують у віці 3 діб близько 50 % міцності, тонкомолоті швидкотвердіючі цементи дозволяють отримати у віці 1 доби 40...50 % проектної міцності, проте при їх використанні збільшується усадка бетону і знижується його морозостійкість. Прискорення тверднення і набору міцності цементу краще забезпечувати рівномірним пропарюванням бетону в камерах з подальшим поступовим його охолоджуванням.

Рухливість бетонної суміші дуже важлива для отримання щільного бетону. Вона збільшується із збільшенням В/Ц, але це знижує міцність бетону. Для мостів застосовують бетонні суміші з водоцементним відношенням не більше 0,6. При ущільненні бетонної суміші тривалою вібрацією можуть застосовуватися жорсткі суміші з В/Ц = 0,3. Збільшення рухливості бетонної суміші при укладанні досягається також введенням в неї різних пластифікаторів. Є пластифікатори, які перетворюють бетон з низьким водоцементним відношенням у достатньо рухому суміш.

Усадка бетону – зменшення його об'єму в процесі його тверднення і подальшого висихання. Нерівномірна усадка бетону приводить до появи в ньому тріщин і додаткових зусиль в статично невизначних залізобетонних конструкціях. Зменшення усадкових деформацій досягають скороченням вмісту цементу і води в бетоні, а також постановкою протиусадочної арматури.

Повзучість бетону – збільшення його деформацій в часі при постійному навантаженні. Вона приводить до зменшення зусиль в напруженій арматурі і перерозподілу внутрішніх зусиль в статично невизначних конструкціях.

Разом із звичайним важким бетоном в експериментальних конструкціях допускається застосовувати легкий бетон із заповнювачем з керамзиту або інших матеріалів. Середня щільність таких бетонів складає близько 1800 кг/м³. Перспективний також бетон з полімерними добавками, що дозволяють значно підвищити водонепроникність і опір розтягу бетону. Представляє інтерес також фібробетон, міцність на розтяг якого в два-три рази вища, ніж звичайного бетону.

Арматура для залізобетонних мостів. Марки сталі для арматури залізобетонних мостів і труб, що установлюється з розрахунку, в залежності від умов роботи елементів конструкцій необхідно приймати відповідно до табл. 3.12 та 3.13 [1], з урахуванням 3.91 та 3.133, при цьому знак “плюс” означає можливість застосування зазначеної марки сталі в даних умовах.

У випадку застосування розтягнутої робочої арматури різних класів у розрахунках на міцність належить:

для ненапружуваної арматури – приймати розрахунковий опір, відповідний до арматурної сталі найменшої міцності;

для напружуваної арматури – враховувати тільки арматуру однієї марки.

Арматурну сталь класу А-ІІ марки Вст5пс2 припускається застосовувати в прогонових будовах (крім хомутів) і в опорах мостів, якщо діаметри її стержнів, мм, не більше:

20 – для елементів з арматурою, що не розраховується на витривалість;

16 – для елементів, що розраховуються на витривалість.

Зазначену арматурну сталь при діаметрах 22 мм і більше необхідно застосовувати тільки у фундаментах і частинах опор, розташованих нижче половини глибини промерзання ґрунту.

Зварні з'єднання стержневої термічно зміцненої арматурної сталі, високоміцного арматурного дроту, арматурних канатів класу К-7 і сталевих канатів із спіральним, подвійної звивки не припускаються.

До стержневої напружуваної арматури, що знаходиться в межах тіла бетону конструкції, заборонено приварювання будь-яких деталей або арматури.

У зв'язку з введенням в дію Державного стандарту України ДСТУ 3760, окрім арматури, що передбачено табл. 3.12, слід використовувати арматуру відповідно до табл. 3.13, область застосування якої передбачено “Рекомендациями по применению арматурного проката по ДСТУ 3760-98” (Держбуд України, К., 2002), і обмежено конструкціями, що не сприймають багаторазові повторні навантаження.

Застосування як робочої розраховуваної арматури нових, у тому числі імпортних арматурних сталей припускається у встановленому порядку.

Для монтажних (піднімальних) петель необхідно передбачити застосування арматурної сталі класу A-I марки Ст3пс або Ст 3с.

Припускається застосування арматурної сталі класів A-I і А-ІІ марок, зазначених у табл. 3.12, а також А 240С згідно з табл. 3.13.

Розрахункові характеристики бетону і арматури. Кубова міцність бетону є умовною характеристикою його міцності. Дійсна міцність бетону в конструкції більш повно оцінюється міцністю на стиск бетонних зразків у вигляді призм, висота яких перевищує поперечний розмір в 3,5 разу і більш. Призматична міцність бетону складає 70...75 % його кубової міцності. Міцність бетону на розтяг зазвичай в 10...15 раз менше його кубової міцності. Межа міцності бетону на зріз приблизно в 2,5 разу більше межі його міцності на розтяг.

Розрахункові опори бетону на центральний стиск і розтяг для розрахунку мостових конструкцій за першій групі граничних станів визначають діленням відповідного нормативного опору на коефіцієнти надійності за бетону і на коефіцієнт надійності конструкції.

Коефіцієнт надійності конструкції, що враховує ступінь відповідальності мостових конструкцій, приймають для бетону

γ_n = 1,1.

Розрахункові опори бетону для розрахунку за другій групі граничних станів встановлюють при коефіцієнті надійності за бетоном γ_b = 1.

Розрахункові опори арматури розтягу для розрахунку за першою групою граничних станів визначають діленням їх нормативних опорів на відповідні коефіцієнти надійності за арматурою і на коефіцієнти надійності конструкції. Їх приймають різними для автодорожніх і залізничних мостів. Цим враховують ступінь відповідальності цих споруд.

Значення розрахункових опорів арматури розтягу приведені в ДБН В.2.3-14:2006.

Розрахункові опори ненапружуваної арматури стиску, використовувані в розрахунку за першою групою граничних станів, за наявності зчеплення арматури з бетоном приймають рівними відповідним розрахунковим опорам арматури розтягу. Найбільше стискуюче напруження в напружуваній арматурі, що розташованій в стиснутій зоні перетину елементу і має зчеплення з бетоном, слід приймати з умови граничного стиску бетону не більше 500 МПа.

Для розрахунку залізобетонних конструкцій мостів і труб важливі також пружні характеристики бетону і арматури – модулі пружності і коефіцієнти Пуассона. Бетон є пружно-пластичним матеріалом.

Його повні деформації від напруги включають пружні, в'язко-пружні і пластичні деформації, які залежать від рівня напруги. У зв'язку з цим модуль пружності залежить від рівня напруги і часу дії навантаження. Крім того, модуль пружності залежить від класу міцності бетону, зростаючи з його підвищенням; він також залежить від віку бетону, виду його напруженого стану. Він зменшується при температурно-вологісній обробці бетону, при роботі бетону в умовах поперемінного заморожування і відтавання, дії сонячної радіації.

При проектуванні залізобетонних конструкцій мостів і труб важко врахувати реальні значення модуля пружності бетону, тому для розрахунку застосовують середні, умовні значення модуля пружності E_b на стиск за ДБН В.2.3-14:2006.

Для бетону, що піддається тепловологісній обробці, а також для бетону, що працює в умовах поперемінного заморожування і відтавання, ці значення модуля пружності зменшуються на 10 %, а для бетону конструкцій, не захищених від сонячної радіації, – на 15 %.

Модуль зсуву бетону G_b приймають рівним 0,4 E_b, а коефіцієнт Пуассона μ = 0,2.

Модулі пружності арматури приймають за табл. 3.17 ДБН В.2.3-14:2006. У міру зростання міцності сталі, модуль пружності її зменшується з 206 000 до 196 000 МПа. Модуль пружності пучків з паралельних дротин приймають 177 000 МПа, а пучків з арматурних канатів К-7, канатів спіральних і подвійного звивання – 167 000 МПа.

Матеріали для гідроізоляції бетону мостів. Гідроізоляція запобігає проникненню атмосферної вологи або грунтових вод до бетону пролітних будов або опор і оберігає бетон від руйнування, а арматуру від корозії.

Гідроізоляційні матеріали, вживані в мостобудуванні, підрозділяються на обмазувальні і обклеювальні. Для обмазувальної гідроізоляції застосовують холодні фарби і гарячі обмазки. Для холодних забарвлень використовують бітуми мазкий III і IV, розріджені лігроїном або гасом, а також дьогтеві лаки. Холодне забарвлення є першим шаром грунтовки, по якому наносять гарячу обмазку шаром товщиною 2...3 мм. Матеріалом для гарячих обмазок служать спеціальні мастики – суміші бітуму з дрібним азбестовим волокном.

Для обклеювальної гідроізоляції застосовують традиційні рулонні матеріали на основі бітуму і нові матеріали на основі синтетичної гуми (бутилкаучука).

Простим рулонним матеріалом на основі бітуму є руберойд. Він має невисокі ізоляційні якості і недовговічний, оскільки складається з паперової зміцнюючої основи. Значно кращими властивостями володіє гідроізол. Його гідроізоляційною основою також є бітум, але він зміцнений азбестовим або азбесто-целюлозним картоном. Завдяки хорошим гідроізоляційним якостям і довговічності він знайшов широке застосування в мостобудуванні. Застосовується також гідросклоізол, який має армуючу основу з склотканини. Її стійкість в лужному середовищі викликає сумніви. Кращі гідроізоляційні властивості і технологічні переваги має фольгоізол, що випускається на основі рифленої або гладкої алюмінієвої фольги товщиною до 0,3 мм. Як покривний шар для фольгоізолу застосовують бітумно-гумову мастику. За гідроізоляційних властивостях він кращий за інші матеріали, але значно дорожче. Фольгоізол застосовують тільки в найбільш відповідальних спорудах: великих мостах і тунелях.

Основний спосіб ведення робіт з бітумними гідроізоляційними рулонними матеріалами – безмастичне приклеювання з обов'язковою попередньою грунтовкою бетону. Для оплавлення бітумного покривного шару застосовують нагрівальні пальники на всю ширину матеріалу, що укладається.

Температурні обмеження у використанні бітумних гідроізоляційних матеріалів викликали необхідність розробки нових гідроізоляційних матеріалів. Для ізоляції автодорожніх мостів розроблений бутізол – еластичний морозостійкий (до температури -70 °С) губоподібний матеріал на основі бутил-каучука. Гумоподібні рулонні матеріали приклеюють до ізольованого матеріалу холодними мастиками або клеями.

Перспективні як ізолюючі шари синтетичні матеріали у вигляді листів з полівінілхлориду, поліпропілену і поліетилену. Пройшли досвідчену перевірку і знаходять ширше застосування нові вітчизняні технологічні рулонні матеріали: ізопласт, мостопласт і дальмостопласт.

Клеї для склеювання елементів конструкцій. Клей як конструктивний матеріал для склеювання бетонних конструкцій економічно доцільно застосовувати тільки в тому випадку, якщо він має міцність склеювання не нижчу за міцність бетону склеюваних елементів, а модуль пружності в затвердженому стані і коефіцієнт розширення близькі за значенням до характеристик склеюваного бетону. Клейові з'єднання повинні бути довговічні, стійкі до дії середовища в процесі експлуатації. Цим вимогам відповідають клеї на основі епоксидних смол. У них окрім смоли входять отверджувач, пластифікатор, наповнювач і модифікуючі добавки. Основним компонентом клеїв у вітчизняному мостобудуванні служили епоксидні смоли марок ЕД-5, ЕД-6 і ЕД-40. З 1973 р. налагоджений випуск нових епоксидних смол мазкий ЕД-22, ЕД-20, ЕД-16 і ЕД-14, що мають деякі технологічні переваги.

Полімеризація (затвердіння) смоли відбувається під впливом отверджувача. Залежно від виду отверджувача епоксидні смоли можуть бути отверджені при нормальній температурі або при нагріванні. У мостобудуванні застосовують отверджувачі холодного процесу полімеризації: гексаметилендіамін, поліетиленполіамін і триетанолдіамін.

Технологічні властивості клею регулюють зміною кількості і виду отверджувача, пластифікатора і наповнювача. Кількість отверджувача зазвичай складає 10...25% маси епоксидної смоли. Як пластифікатори при склеюванні використовують дибутилфталат, поліефіркрилат. Зазвичай їх вводять в межах 5...30 % до маси епоксидної смоли. При надлишку пластифікатора знижується міцність і збільшується деформативність клейового шва.

Наповнювач не впливає на процес полімеризації смол і технологічну життєздатність клею і використовується в основному для зміни коефіцієнта температурного розширення клею і зменшення витрати епоксидної смоли. Як наповнювачі в мостобудуванні використовують портландцемент, мелений кварцевий пісок, андезитову або діабазову муку.

Необхідна умова високоякісного клейового шва – хороша підготовка стикованих поверхонь до склеювання. Поверхня бетону повинна бути чистою, сухою, міцною. Очищення поверхонь необхідно проводити піскоструминними апаратами або механічними щітками.

Життєдіяльність клеїв на епоксидній смолі при температурі від 20 до 25 °С близько 2...2,5 год. При нижчій температурі життєдіяльність клею збільшується.

Є клеї, призначені для склеювання бетонних стиків при низьких позитивних і негативних температурах з використанням обігріву. Розроблені також клеї, які використовують для поліпшення зчеплення свіжоукладеного бетону з раніше укладеним затверділим бетоном.