143570, Московская область, городской округ Истра, село Кучи, квартал 0080319, здание 147784, помещение 2 пн-пт, с 10-00 до 18-00
+7(950)670-77-88
Обратный звонок

ДЕФЕКТЫ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ В ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЯХ

  • Главная
  • Новости
  • ДЕФЕКТЫ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ В ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЯХ

Инженер ООО «Нова-Брит»

Барковский Д.В.

Инженер ФГУП ГПП и НИИ ГА «Аэропроект»

Гальченко Н.С.

Начальник управления СБР ООО «Трансстроймеханизация»

Михеев А.В.

Надежность герметизации деформационных швов, устаиваемых в цементобетонных покрытиях  автомобильных дорог и аэродромов  Российской Федерации, на протяжении многих лет и до настоящего времени оценивается визуально, а именно по внешнему состоянию герметизирующего материала и носит качественный характер.  В отечественных нормативных документах существуют  такие понятия, как «старый» или «разрушенный» заполнитель, в то время  как за рубежом [1] разработаны методики количественной оценки различных видов дефектов герметизации и степень их влияния на эксплуатационное состояние покрытия. В данной  статье  сравниваются эти два подхода и сформулированы  причины, вызывающие нарушения герметичности деформационных швов.

Герметизация деформационных швов  является общепризнанным требованием.  Несмотря на то, что ряд исследователей [2] указывают на то, что данная мера не является обязательной. Многочисленные эксперименты с «открытыми», не загерметизированными швами показали, что такой подход совершенно неэффективен для долгосрочной рентабельной эксплуатации покрытия. Коэффициент стока воды  через негерметичные швы может достигать 70% [3]. Это приводит к попаданию воды между слоями покрытия, а также  к переувлажнению основания   и, как следствие к возникновению таких серьезных дефектов -  просадки и разрушения отдельных плит (рис.1,2), а для жестких покрытий, усиленных  асфальтобетонными слоями  – сколу кромок швов (рис. 3).

Рисунок 1. Просадка плит.

Рисунок 3. Сколы кромки шва.

 
Рисунок 2. Сколы углов плит

Очевидно, что чем выше степень нарушения герметичности швов, тем выше вероятность появления вторичных дефектов.  Существующие зарубежные методики [4] предполагают следующую градацию уровней надежности герметизирующих материалов по протяженности дефектных (негерметичных) участков, относительно общей протяженности деформационных швов (табл.1).

 

Уровень надежности Нарушение герметичности, %
Высокий Менее 10
Средний 10-30
Низкий 30-50
Очень низкий Более 50

В методике, разработанной специалистами ЦНИИ 26 МО, отображены следующие дефекты герметизации, как отслоение герметика от стенки швов; выдавливание герметика из камеры  шва;  присутствие  в  швах  травы; отвердение (окисление) герметика; отсутствие герметика в шве. Степени разрушения герметизирующего материала (заполнителя) деформационного шва оценивается по следующим признакам:

  1. Слабая: герметик находится в хорошем состоянии в пределах всего шва при минимальном количестве повреждений. К слабой степени проявления повреждений герметика относят также локальное отслоение от стенок шва при сохранении сцепления с цементобетоном.
  2. Средняя: заполнитель находится в удовлетворительном состоянии, шов заполнен герметиком, но имеются видимые отрывы от стенок, размер которых не превышает 3 мм; вблизи шва наблюдается скопления минеральных частиц, образовавшихся вследствие выплесков; верхний слой заполнителя окислен и утратил эластичность, но полностью заполняет шов.
  3. Сильная: заполнитель находится в неудовлетворительном состоянии, либо отсутствует на длине, составляющей 10 и более процентов от общей протяженности швов. К сильной степени разрушения относят сплошные отрывы от стенок шва.
  4. Повреждение герметика в швах учитывают не по принципу “от плиты к плите”, а по его состоянию в пределах всего образца.

Более детально методика оценки эффективности применения герметизирующих материалов описана в американском стандарте [5], который включает в себя требования и критерии испытаний, предусмотренные Национальной программой оценки транспортной продукции (NTPEP) в отношении материалов для герметизации  трещин и деформационных швов в асфальтобетонных и цементобетонных покрытиях.   Согласно данной методике рассчитывается Индекс состояния заполнителя (герметика) ("Sealant Condition Number" (SCN)), учитывающий наличие и степень развития основных типов дефектов, таких как степень разрушения и засорение шва.

SCN = 1(L) + 2(M) + 3(H)

где:

L = количество типов дефектов низкого степени разрушения

M = количество типов дефектов средней степени разрушения

H = количество типов дефектов высокой степени разрушения

Степень разрушения измеряется как процентная доля участков нарушения герметичности, где вода проникает в шов по причине полного отсутствия адгезии (отрыв от стенки шва) или сцепления (когезионный разрыв герметика). Отсутствие адгезии или сцепления определяются при помощи метода визуального осмотра SHRP.

Доля дефектов, в которые проникает вода, определяется по формуле:

%L = (L/ Ltot)* 100

где:

%L = доля швов от общего количества, в которые проникает вода;

L = общая протяженность трещин в заполнителе, через которые в шов проникает вода;

Ltot = общая длина обследуемого участка.

Далее определяется степень распространения дефекта. Существуют следующие степени разрушения:

  1. Нарушение герметичности отсутствует: %L = 0% < %L < 1%
  2. Низкая степень (L): 1% < %L < 10%
  3. Средняя степень (M): 10% < %L < 30%
  4. Высокая степень (H): %L > 30%.

Засорение шва оценивается по наличию посторонних предметов на поверхности шва, включая сколы кромок. Приняты следующие уровни засорения:

  1. Низкий уровень (L): случайные камни и/или мусор прилипли к верхней части заполнителя, либо мусор проник в поверхность заполнителя/поверхности.
  2. Средний уровень (M): В заполнителе присутствуют камни или мусор, а отдельные частицы мусора глубоко проникли в заполнитель.
  3. Высокий уровень (H): В заполнителе присутствует большое количество камней и мусора, и они проникли глубоко в заполнитель.

В качестве примера расчета Индекса SCN принят участок со   швами протяженностью 150м, на котором выявлены:

  1. сквозные трещины в заполнителе общей длиной 30м, что соответствует средней степени разрушения

    (M) %L = (L/ Ltot)* 100 = (30/150)*100 = 20%;

  2. отдельные случаи засорения, что соответствует уровню (L).

Таким образом, на выбранном участке выявлен один тип дефектов низкого уровня развития (L) , один тип дефектов среднего уровня развития(M) и отсутствие дефектов высокого уровня развития (H). Тогда Индекс состояния заполнителя рассчитывается как:

SCN = 1*1+1*2+0*3 = 3

Если в заполнителе дефекты не обнаружены, то SCN определяется как 0, что является высшей оценкой. SCN = 6, худшая возможная оценка, присваивается, когда значения засорения и инфильтрации воды определены как высокие.

Исследования, проведенные в 2004 – 2007 годах в США [6], в соответствии с данной методикой показали, что для периода эксплуатации покрытий более трех лет  проведенные с использованием данной методики показали, что для после трех лет эксплуатации Индекс SCN для традиционно применимых в США герметизирующих материалов составляет от 1 до 3.

Таким образом, герметизация деформационных швов является одним из факторов,  обеспечивающим расчетный срок эксплуатации покрытия в целом, а надежность герметизации может определяется степенью водонепроницаемости швов.

К сожалению, в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют подтвержденные методы оценки фактического срока службы герметизирующих материалов. Однако, многолетний опыт авторов по мониторингу состояния деформационных швов аэродромных покрытий в различных климатических зонах, позволяет сделать предположение, что срок службы можно определить, как период эксплуатации, за который количество  дефектов не превышает 20%, что соответствует среднему уровню повреждения герметика по методике AАSНTO. Следует отметить, что срок службы зависит не только от собственных свойств герметика, но и в  правильности выбора конструкции шва и соблюдения технологии производства работ по герметизации. Условно, можно выделить четыре уровня, соответствующих сроку службы, или же сроку эксплуатации герметика:

  1. Краткосрочный, до 1 года.
  2. Среднесрочный, от 1 до 3 лет.
  3. Долгосрочный, более 3 лет.

Краткосрочный уровень допустим для аварийного ремонта небольших участков покрытия с целью обеспечения его безопасной эксплуатации. Такие работы могут проводиться в неблагоприятные погодные условия с отступлением от требований технологии применения и использованием таких простейших герметизирующих материалов, как битум или резино-битумная мастики.

Среднесрочный уровень характерен для большинства отечественных битумно-полимерных герметиков марок БП-Г, выпускаемых по ГОСТ 30740-2000.  Эти материалы могут успешно применяться для ремонта и текущего содержания покрытий, однако их применение при реконструкции или строительстве новых покрытий необоснованно, в силу низких технических требований, заложенных в стандарте.

Долгосрочный уровень проявляют герметизирующие материалы, соответствующие требованиям Стандарта ASTM D6690 [7]. Это герметики производства США, Канады и ряд отечественных материалов, для которых нарушение герметичности происходит не за счет температурных деформаций покрытия, а в результате естественного старения под воздействием УФ излучения и кислорода воздуха. Очевидно, что именно ожидаемый срок службы герметика должен определять конструктивные решения, технологию производства работ и тип применяемых материалов.

Все дефекты герметизации по времени их проявления можно разделить на две группы: летние дефекты, возникающие при положительных температурах и зимние, возникающие при отрицательных температурах. По нашим данным, их соотношение составляет 1 к 3, что связано с существенным ростом жесткости битумно-полимерных герметиков при снижении температуры и как следствие возрастание нагрузок на плоскости контакта герметик-стенка шва.

Необходимо уточнить, что возникновение различных дефектов, является объективным процессом, развивающимся в процессе эксплуатации. Далее будут рассматриваться только случаи преждевременной разгерметизации швов, когда дефекты возникают до окончания расчетного срока службы герметизирующего материала.

Как и для любых упруго-пластичных композиционных материалов, с повышением температуры в битумно-полимерных герметиках начинают преобладать пластические свойства. Этот процесс сопровождается снижением прочности сцепления с основанием и повышением вероятности образования необратимых деформаций. К числу дефектов, возникающих в летний период относятся:

1. Выдавливание герметика из камеры шва (рис.4).

Данный  дефект возникает в основном в швах расширения  иногда в швах сжатия, устроенных в искусственных покрытиях. Основной причиной выдавливания герметика из камеры шва является нарушение технологии работ, а именно в тех случаях, когда заполнение камеры шва герметиком осуществляется выше уровня нижней кромки фаски.  Такой же эффект может наблюдаться тех случаях, когда заполнение швов производят в холодное время года без учета расширения паза шва сверх расчетного значения в летний период. Так объем «стандартной» камеры шва размером в профиле (13х20) мм, нарезанной и загерметизированной при температуре +10ОС при нагреве покрытия до + 50ОС уменьшается на 15%, что вызывает выдавливание герметика выше уровня покрытия. При этом воздействие транспортной нагрузки способствует отрыву герметика от стенок шва, а при недостаточной глубине заполнения к предельному случаю нарушения герметичности -  полному выносу герметика из камеры шва.

2. Образование пузырей на поверхности герметика (рис.5) может происходить либо в результате подплавления поверхности уплотнительного шнура,  испарения растворителя из грунтовочного состава, либо испарения влаги из нижележащих слоев покрытия. Несмотря на высокую вязкость герметика, при температурах воздуха более +30ОС воздушные пузыри могут мигрировать из глубины шва к поверхности, существенно увеличиваясь в объеме за счет теплового расширения. В первом случае относительно крупные пузыри локализованы по продольной оси шва и, фактически не могут считаться дефектами, так как не нарушают герметичности шва. Однако, большое их количество в совокупности с выдавливанием герметика в результате сжатия камеры шва повышает вероятность отрыва герметика колесами транспортных средств.  Образование сплошной области мелких пузырей вдоль стенки шва свидетельствует о нарушении технологии проведения работ, выражающееся в недостаточном времени сушки грунтовочного состава, либо применения праймеров, содержащих малолетучие растворители.

3. Отслоение герметика от стенки шва (рис.6) при положительных температурах происходит в результате недостаточной очистки камеры шва от загрязнений, а также проведения герметизации на влажном покрытии. Обычно такие дефекты имеют протяженность от нескольких метров и локализованы на одной из стенок шва. В силу того, что в летний период швы обычно сжаты, визуально обнаружить отслоения бывает затруднительно, однако использование металлической линейки в качестве щупа, позволяет выявить данные дефекты при их наличии. Другой причиной возникновения подобных дефектов могут быть низкие адгезионные свойства герметизирующего материала. В любом случае, при обнаружении подобных дефектов на стадии устройства швов необходимо прекратить работы по герметизации и выявить причину отслоения. Предельным следствием отслоений может становится полный вынос герметика из камеры шва под воздействием транспортных средств.

4. Сколы кромок плит в зоне швов (рис.7) в основном происходят под воздействием транспортных средств в местах, где разница уровней смежных кромок швов превышает 3мм.  Одной из причин возникновения  разницы уровней смежных кромок швов    является нарушение технологии устройства цементобетонных покрытий, либо  вертикальные сдвиги смежных плит, а также    по причине кристаллизации воды, проникающей в конструкцию покрытия через негерметичные деформационные швы.  Сколы кромок, хотя и не могут рассматриваться, как дефекты герметизации, инициируют их возникновение, и в первую очередь – отслоения герметика. Другой причиной возникновения сколов кромок являются ошибки на стадии проектирования, когда в конструкции швов не предусматривается устройство фасок, специально предназначенных для снижения нагрузок на кромки швов.

5. Отрыв и вынос герметика (рис.8) в зоне пересечения деформационных швов встречаются достаточно редко и только в конструкциях швов, в которых предусмотрено применение уплотнительного шнура из пористой резины. При определенных погодных условиях, установить такой шнур в камеру шва возможно только его растянув. Находясь в камере шва  в растянутом состоянии шнур удерживается силами трения, но при охлаждении покрытия происходит восстановление его первоначальной длины вместе с герметиком. В результате чего, уже в первый год эксплуатации покрытия возникают критические дефекты в виде полного отрыва герметизирующего материала от стенок камеры шва

6. Особым случаем дефектов герметизации деформационных швов, устроенных в искусственных покрытиях  автомобильных дорог, является локальный вынос герметика из камеры шва в местах образования колеи по так называемым  «полосам наката» (рис.9). Данный тип дефекта характерен для покрытий автомобильных дорог после 1-2 лет эксплуатации. Под воздействием шипованных шин образуется, колея износа глубиной до 3мм, при этом герметик, обладающий упругими свойствами, не так сильно подвержен истиранию и в результате его уровень начинает превышать уровень покрытия. При низких температурах герметик обладает достаточной жесткостью, чтобы сопротивляться сдвиговым воздействиям проходящих транспортных средств, однако при повышении температуры прочность сцепления со стенками шва снижается и происходит локальный отрыв и вынос герметика из шва  длиной 30 – 50 см, причем на смежных участках дефекты не наблюдаются.

Рисунок 4.

Рисунок 5.

Рисунок 6

Рисунок 7.

Рисунок 8.

Рисунок 9.

 

В зимний период при отрицательных температурах эластичность битумно-полимерных герметиков снижается, а растягивающие напряжения от сжатия покрытия увеличиваются. Для обеспечения герметичности деформационного шва герметик должен обладать достаточной деформативностью при минимальных температурах эксплуатации, чтобы компенсировать температурные деформации покрытия. К числу дефектов, возникающих зимний период, относятся:

  1. Адгезионные отслоения герметизирующего материала (рис.10) составляют основную долю дефектов, образовывающихся при отрицательных температурах. Как правило, отрыв от одной из стенок шва. В таких случаях причиной возникновения такого дефекта в равной степени могут является недостаточная эластичность герметика, некачественная подготовка швов перед заполнением или же комбинация этих двух факторов. На практике оказывается достаточно сложным установить истинную причину преждевременной разгерметизации, именно в силу равнозначности этих двух факторов. Косвенным подтверждением несоответствия низкотемпературных свойств герметика климатическим условиям эксплуатации, является возникновение  такого характера дефекта на протяжении всего  загерметизированного участка.
  2. В отличие от рассмотренного выше случая, равномерно чередующиеся отрывы герметика, (ис.11) однозначно указывают на недостаточные адгезионные свойства, либо применение некачественного праймера. Такие дефекты возникают в тех случаях, когда температура хрупкости герметика соответствует фактическим условиям эксплуатации, а прочность сцепления со стенками швов существенно меньше напряжений, возникающих на границе контакта.
  3. Когезионное разрушение (рис.12) характеризуется растрескиванием самого герметика. При этом сцепление со стенками камеры остается надежной. В противоположность предыдущему случаю, когезионное растрескивание, является однозначным признаком того, что температура хрупкости герметика превышает фактическую минимальную температуру эксплуатации.
  4. Полный вынос герметика из камеры шва  наблюдается достаточно редко и является результатом одновременного проявления нескольких типов дефектов.

Рисунок 10.

Рисунок 11.

Рисунок 12.

В общем случае, стратегия достижения  высокого уровня долгосрочной  надежности герметизации деформационных швов  в цементобетонных покрытиях   автомобильных дорог и аэродромов включает в себя следующие этапы:

  1. Принятие технического решения, соответствующего условиям эксплуатации покрытия.
  2. Назначение конструкций швов, соответствующих деформациям покрытия и принятой технологии герметизации.
  3. Выбор герметизирующего материала, соответствующего климатическим условиям района эксплуатации.
  4. Соблюдение технологии и контроль качества производства работ.
  5. Систематический мониторинг состояния выполненных объектов и оценка эффективности предпринятых мер.

Список использованной литературы:

  1. Project work plan for NTPEP evaluation of hot mix asphalt crack sealing and filling materials. Washington, 2013.
  2. Shober S. The great unsealing: perspective of PCC joint sealing. 1997.
  3. Седенгер Г.Р. Дренаж дорожных одежд и аэродромных покрытий. Москва. 1981.
  4. J-F. Masson Performance of pavement crack sealants in cold urban conditions.
  5. ASTM D5340 Standard test method for airport pavement condition index surveys.
  6. THREE YEAR REPORT OF FIELD AND LABORATORY EVALUATIONS OF JOINT SEALANT MATERIALS FOR PORTLAND CEMENT CONCRETE. MDOT 2007.
  7. ASTM D6690 Standard Specification for Joint and Crack Sealants, Hot Applied, for Concrete and Asphalt Pavements.
Новости