Материаловедение для транспортного строительства

 
1 августа 2002 года по решению Учёного Совета института на базе шести профильных лабораторий был создан Научно-исследовательский центр «Строительные материалы и изделия». По сути, это было возрождение после почти десятилетнего перерыва отделения, имевшего аналогичное название и аббревиатуру «СМ». Основной причиной воссоздания НИЦ СМ явилась острая потребность в концентрации усилий в формировании и проведении в жизнь единой технической политике в области строительных материалов и изделий для транспортного строительства. Что собственно и являлось основным предметом деятельности отделения СМ на протяжении всей истории его существования. Хотелось бы отметить, что у руководства отделением стояли видные учёные: Сергей Владимирович Шестопёров, Олег Янович Берг, Евгений Николаевич Щербаков. Яркая плеяда учёных трудилась в отделении, создавая разработки, имевшие большое народно-хозяйственное значение, известные не только в нашей стране, но и за рубежом. Объём статьи не позволяет назвать все имена учёных отделения, но мы их помним и благодарны им за заложенный фундамент нашей науки о материалах. Хотелось бы осветить основные направления деятельности отделения СМ за прошедший период. Особо хотелось отметить, что по традиции отделение СМ тесно сотрудничало и сотрудничает практически со всеми подразделениями института, поэтому многие научно-исследовательские работы, о которых пойдёт речь, были выполнены совместно с учёными из смежных отделений института.
В материалах журнала на протяжении всей его истории находили отражение последние и технология применения новых материалов и строительных изделий.
Обзор журнальных статей за 75 лет существования журнала как в зеркале
Достижения отраслевой науки в столь важной для транспортного строительства отрасли, какой является материаловедение, отражают весь путь развития, который прошла отрасль строительных материалов для транспортного строительства. Знаменательными вехами на этом пути являются главные транспортные стройки, а также задачи, которые ставились перед строительной индустрией и решались в духе каждого конкретного периода развития отрасли.
Среди научно-исследовательских работ по тематике видное место занимают работы, посвящённые технология строительных материалов, методам и оборудованию для изготовления изделий транспортного назначения, энергосберегающим процессам.
С выходом в начале 50-х годов постановления ЦК КПСС и Совета Министров «О развитии производства сборных железобетонных конструкций и деталей для строительства» было широко развёрнуто строительство заводов сборных железобетонных конструкций, оборудование приобъектных полигонов. В связи с этим весьма полезным было ознакомление с опытом сооружения большого городского моста через реку Ханшуй (приток Янцзы у г. Ханьшуй) и фундаментов семи речных опор моста через р. Янцзы в Китайской Народной Республике, в проектировании и строительстве которого принимали участие специалисты Минтрансстроя. Впервые в мостостроении секции железобетонных свай изготовлялись на заводах методом центрифугирования. Практика массового изготовления оболочек диаметром 1,55 м. в полевых условиях подтвердила целесообразность их производства на приобъектных полигонах при ограниченных возможностях и сжатых сроках строительства. Стало возможным применять сборные центрифугированные сваи с монтажными стыками на фланцевых стыках большой длины. В результате центрифугированной укладки бетона при изготовлении свай прочность его возрастает по сравнению с общим вибрированием на 40-50%. Многочисленные статические испытания центрифугированных свай показали очень высокую несущую способность. Сваи разрушались лишь при напряжении в бетоне 400-500 кг/см2, а критические нагрузки на сваю составляли 300 тн и более.
В послевоенные годы важнейшим мероприятием для усиления и реконструкции путевого хозяйства явилось широкое внедрение железобетонных шпал. К производству и укладке в путь железобетонных шпал МПС и Минтрансстрой приступили во второй половине 1955 г. За первые три года было изготовлено 500 тыс. шпал, из которых значительная часть находилась в эксплуатации. Для изготовления железобетонных шпал были запроектированы и осуществлены на ряде заводов стендовая и поточно-агрегатная технологии производства. В 1955 году вступил в эксплуатацию шпальный завод железобетонных конструкций на ст. Силикатная. В цехе было организовано производство цельнобрусковых шпал с напряжённой арматурой по проекту, разработанному Гипропромтрансстроем. В связи с этим в лаборатории бетонов и вяжущих ЦНИИСа была разработана технология стендового метода изготовления струнобетонных шпал. Основное внимание было уделено технологии уплотнения бетонной смеси на стенде с тем, чтобы по возможности повысить жёсткость применяемого бетона и снизить расход цемента с одновременным повышением долговечности бетона. Для стендовой технологии шпал были предложены вибраторы с ножами, которые обеспечивали равномерное распределение бетонной смеси в объёме матрицы между струнами и её уплотнение. Такой способ уплотнения позволил изготовить шпалы с расходом цемента 350 кг и воды 140 л. на 1 м3 бетона.
Ещё одной важнейшей народно-хозяйственной задачей было освоение на предприятиях Минтрансстроя технологии изготовления предварительно-напряжённых опор контактной сети с арматурой из высокопрочной проволоки. В массовом порядке такие опоры производились только на нормативный изгибающий момент 4; 5 и 6 тм. Между тем, строительство всё больше нуждалось в опорах мощнее 6 т.м. Для изготовления более мощных предварительно напряжённых опор было предложено использовать арматуру периодического профиля из стали марок Ст5 и 25Г2С с предварительным её упрочнением. Внесение изменений и уточнений технологического процесса изготовления позволили наладить промышленное производству таких опор на заводах железобетонных изделий Минтрансстроя.
К середине прошлого века мостостроителями был накоплен большой опыт изготовления на заводах и полигонах напряжённых железобетонных балок пролётных строений мостов по стендовой технологии. Изготовление предварительно-напряжённых балок пролётных строений с натяжением арматуры после бетонирования по поточно-агрегатной схеме было успешно применено в 1958-1959 годах на полигоне при строительстве Краснопресненского путепровода в Москве. В это же время Мостотрест создаёт полигон у станции Бескудниково Московской дороги, на котором было предусмотрено изготовление мостовых пролётных строений по поточно-агрегатной технологии (современное название завода: «Мокон»). Эта технология позволила производить натяжение арматуры как до, так и после бетонирования. Это сделало схему производства универсальной и позволило широко механизировать процессы натяжения.
Опыт изготовления сборных пролётных строений получил своё дальнейшее развитие в 70–ые годы. На автодорожном мосту через р. Дон у города Калач было применено неразрезное коробчатое предварительно-напряжённое железобетонное пролётное строение длиной 854 м, состоящее из 240 блоков постоянной высоты 3,16 м. Учитывая технологические особенности блоков, сжатые сроки освоения технологии изготовления и необходимость повышения их качества, за основу организации производства блоков были приняты разработанные ЦНИИСом экзотермический способ ускорения твердения бетона и опалубка с гибкими виброподдонами. Опыт изготовления коробчатых блоков неразрезного пролётного строения по новой технологии показал возможность индустриального их производства в условиях полигона с обеспечением высокого качества конструкций.
Параллельно с технологией строительства из сборных элементов разрабатывалась технология бетонирования в скользящей опалубке. Проектом железнодорожного моста через р. Обь было предусмотрено сооружение опор эстакадной части из сборных железобетонных оболочек диаметром 3,6 м. со стенками толщиной 15 см., заполняемых на высоту 3-5 м тощим бетоном. С целью экономии металла и снижения стоимости строительства Мостопоезд № 470 разработал способ сооружения опор на месте возведения из оболочек, бетонируемых в подвижной металлической опалубке, рассчитанной на многократное использование. В практике мостостроения такая опалубка применялась чрезвычайно редко, хотя её использование для изготовления оболочек и массивных опускных колодцев на месте их сооружения при чередовании бетонирования и погружения во многих случаях экономично и целесообразно.
Курс народного хозяйства на экономию материальных и энергетических ресурсов нашёл своё отражение в технических и технологических решениях при производстве строительных материалов. Применение жёстких бетонных смесей потребовало разработки новых вибрационных технологий. При этом следовало учитывать, что на заводах ЖБК Минтрансстроя изготавливали самые тяжёлые и самые крупногабаритные железобетонные изделия. Удельный вес сборного железобетона в министерстве составлял около 5% его производства по стране. Поэтому стало необходимым активное участие предприятий Минтрансстроя в создании формующего оборудования: виброплощадок СМЖ-164, виброрезонансных опалубок, ударно-вибрационных площадок и шок-столов. Кроме традиционных вибрационных методов уплотнения в технологии бетона всё чаще использовались альтернативные методы укладки бетона. Так изготовление малообъёмных железобетонных изделий (тротуарные плиты, плиты мощения мостовых конусов и укрепления берегов водоёмов) по традиционной вибрационной технологии было энергоёмко и требовало большого парка форм. Для изготовления таких изделий предложен метод вибровакуумирования с немедленной извлечением свежеотформованных изделий из форм с помощью формующего вакуумщита. Преимущество такого метода – минимальная потребность в формах (требуется всего одна – две формы), что важно в условиях стройплощадки. Кроме того, для приготовления песчаных бетонов стало возможным использовать местные материалы, главным образом песок.
Важнейшей задачей технологии бетона является поддержание его качественных показателей на протяжении всего строительного процесса. Как показывает опыт, переменное количество каменной крошки и пыли в щебне, различное содержание гравийных фракций в песке и, в целом, резкая неоднородность зернового состава заполнителей, поступающих в бетоносмеситель от замеса к замесу, исключает возможность управлять составом бетона, обеспечивать однородность свойств по всему объёму уложенного бетона, не позволяют гарантировать долговечность и эксплуатационную надёжность изготавливаемых конструкций возводимых сооружений. Изменяющийся от замеса к замесу зерновой состав заполнителей вынуждает обеспечивать заданную удобоукладываемость приготовленной бетонной смеси за счёт увеличения количества воды затворения, что требует большего расхода цемента (на 15 – 20%) по сравнению с расходом, соответствующим оптимальному соотношению фракций заполнителей. Наиболее надёжным, технически и экономически доступным способом, гарантирующим однородность и качество заполнителей, подаваемых в дозаторы, является стабилизация их зернового состава (дополнительное обогащение) непосредственно перед подачей в расходные бункера без промежуточных складских и транспортных операций. В результате комплексных исследований на БАМ были определены условия получения из местных песчано-гравийных смесей высококачественных морозостойких заполнителей, в том числе для искусственных сооружений
В 70-х годах, учитывая дефицитность металла и недостаток мощностей для изготовления металлических пролётных строений, перед транспортными строителями была поставлена задача изготовления пролётных строений длиной 34,2 метра под железнодорожную нагрузку из высокопрочных бетонов марок 550-700. По технологии ЦНИИСа Мостостроем №3 было изготовлено шесть опытных балок с полигональными пучками из бетона марки 550 и из бетона марки 700. Изготовленные балки были установлены на мосту через р. Полоту у г. Полоцка. При обследовании пролётного строения, проведённом через год эксплуатации, каких-либо дефектов обнаружено не было, что подтвердило возможность качественного изготовления из высокопрочных бетонов наиболее сложных в технологическом отношении сборных конструкций.
В работах учёных много внимания уделено энергоёмким процессам тепловой обработки строительных материалов. Одним из важнейших направлений в этой работе явилась разработка и внедрение энергосберегающих технологий. Например, прогрев бетонных конструкций можно избежать, если зимнее бетонирование осуществлять методом термоса или с применением противоморозных химических добавок, нейтральных к арматуре. Они широко используются в промышленном и гражданском строительстве и с успехом могут применяться в транспортном строительстве. А разработанный экзотермический способ выдерживания уложенного в тепловлагозащитную опалубку бетона даёт преимущества по сравнению с пропариванием и позволяет сэкономить не менее 70% тепловой энергии на ускорении твердения бетона. Во избежание образования трещин в мостовых железобетонных конструкциях при выдаче их зимой из цеха или из пропарочной камеры на открытый склад в последние годы на заводах сборного железобетона начали строить камеры температурного шлюзования (шлюзовые камеры), в которых теплые изделия выдерживают определённое время, пока температура не снизиться до величины допускаемого перепада температур между бетоном и наружным воздухом. Расчёты показали, что прогревать шлюзовые камеры перед загрузкой изделиями не всегда необходимо, а достаточно лишь перед загрузкой в камеру изделия выдержать в цехе термообработки.
К широкому применению на заводах ЖБК было рекомендовано разработанное ЦНИИСом частично термосное выдерживание изделий, под которым понимается разогрев до заданной температуры и последующее их выдерживание в камере без подачи пара. Такой метод базируется на использовании тепловой устойчивости массивных ограждений камер и тепла, выделяемого при твердении. Оказывается, достаточно разогреть изделие при коэффициенте загрузки их в камеру более 0,1 в течение 4 – 6 часов до температуры изотермического прогрева и в дальнейшем полностью прекратить подачу пара. Бетон в требуемые сроки наберёт необходимую прочность. Большую роль в экономии тепло-энергоресурсов должны сыграть средства автоматизации оборудования и технологических процессов. В первую очередь здесь необходимо отметить внедрение моделирующих устройств А-351-01 и более современные Бетон Т2 и СПК-430, разработанных ЦНИИС совместно с ЛНПО «Буревестник», на базе микропроцессорных наборов для управления тепловой обработкой бетона с информацией о его прочности. Разработанные программы для ЭВМ позволяли прогнозировать температурный режим твердения бетона в период тепловой обработки по различным температурным режимам выдерживания конструкций. На Днепропетровском заводе мостовых железобетонных конструкций была внедрена система автоматического управления тепловой обработкой бетона с использованием таких устройств. Система регулирует подачу теплоносителя по температуре бетона, обеспечивая заданный режим прогрева изделий, не допуская тепловых ударов на бетон при перебоях в подаче теплоносителя; осуществляет цифровую индикацию по вызову текущих значений температуры и прочности бетона; корректирует продолжительность прогрева изделий до получения заданной прочности, регистрирует фактическую температуру и прочность бетона.
Поиск альтернативных источников энергии для производства строительных материалов показал, что для тепловой обработки бетонных и железобетонных изделий транспортной номенклатуры возможно использование солнечной энергии с системой контактного маслообогрева. Она включает в себя термоактивную опалубку с греющими элементами – регистрами, по которым циркулирует горячее масло, электрический теплогенератор, циркуляционный насос, бак аккумулятор и разводящую систему маслопроводов. В качестве дополнительного источника тепла служит жидкостный гелиоприёмник, целесообразность использования которого определена на основе исследования его параметров и эффективности разогрева в нём теплоносителя. Предварительные расчёты показали, что использование одного м2 коллектора при обогреве одного м3 бетона в условиях средней полосы позволяют компенсировать от 2,5 до 3,3% нормируемого количества тепла, идущего на тепловую обработку. В условиях жаркого климата эффективность использования солнечной энергии возрастает. Проведённые исследования показали возможность использования солнечной энергии в качестве дополнительного источника тепла при тепловой обработке конструкций, как в южной, так и в средней полосе страны.
Важнейшими темами, постоянно находящимися в центре внимания журнала, стали эксплуатационные свойств бетонов и их модификация путём введение в состав добавок.
Освоение целинных земель в Казахстане в условиях ограниченных энергетических и материальных ресурсов потребовало принятия новых инженерно-технологических решений, не всегда основательно проверенных, но дающих ощутимый результат на начальной стадии их реализации. К этому времени транспортное строительство перестало носить сезонный характер и при производстве работ в зимних условиях начали применять бетон, твердеющий на морозе. Это достигалось за счёт введения в бетонную смесь хлористых солей кальция и натрия. Опыт показал, что применение бетонов на солевых растворах значительно сокращает затраты труда и материальных средств. Так на ж.д. линии Екиль-Тургай в Казахстане зимой 1955-1956 г требовалось построить на одном участке 11 малых мостов и труб, объём бетона более тысячи м3. Бетонирование фундаментов опор с добавками CaCl2+NaCl (дозировка до 10% от веса цемента) обеспечивал твердение при температурах ниже –20С°.
На основе обобщения производственного опыта и результатов научно-исследовательских работ Госстрой СССР выпустил «Инструкцию по применению бетона с добавками солей, твердеющего на морозе» СН 42-59, в которой даны рекомендации по материалам для «холодного» бетона, а именно: ограничению содержания трёхкальциевого алюмината в цементе; применению заполнителей с учётом возможного их смерзания.
Однако, как показала практика эксплуатации и дальнейшие исследования, бетон с большим содержанием хлоридов и особенно железобетон имеют низкую долговечность. В настоящее время из-за проблем с коррозионной стойкостью таких бетонов с упомянутыми добавками - электролитами для большинства транспортных конструкций введены ограничения по их применению.
В области строительства из сборного железобетона всё большее значение придавалось созданию конструкций из высокопрочного и долговечного бетона. Над этой проблемой в 60-е годы работали многие исследователи у нас и за рубежом. В результате исследований, проведённых ЦНИИСом в содружестве с НИИЦементом, получен бетон марки 1000, проведены работы по созданию бетона марки до 1500. Для получения сверхпрочного бетона стало необходимым: применение цементов марок 700-900; использование фракционированных мытых заполнителей и добавок – ускорителей твердения; приготовление бетонной смеси методом виброперемешивания; применение жестких бетонных смесей; формование изделий с сочетанием силовых и вибрационных методов уплотнения, оптимальных условий твердения бетона покрытием конструкций пароизоляционным слоем или перехода на твердение в водной среде. Разработана технология получения особо быстротвердеющего цемента (ОБТЦ), отвечающего поставленным требованиям. Такой цемент марки 700 в настоящее время производится в большом количестве Здолбуновским цементно-шиферным комбинатом. В опытном порядке получен цемент марки 800. Исследования показали, что применение особо быстротвердеющего цемента рационально и экономически выгодно при изготовлении сборных железобетонных конструкций из высокопрочного бетона. Использование ОБТЦ является главнейшим условием перехода на беспропарочное изготовление железобетонных изделий при их формование из жёстких и пластичных (с осадкой конуса d2 см.) бетонных смесей.
Проблема морозостойкости бетона, в том числе с комплексными добавками, постоянно была в центре внимания специалистов отделения СМ. Исследования бетона в возрасте более 28 суток нормально – влажностного твердения, проведённые на одном из объектов строительства, выявили дополнительный прирост прочности образцов после циклического замораживания и оттаивания, относительно эквивалентных образцов при испытании по методике ГОСТ 4800 – 59, а также относительно образцов - близнецов. Дополнительный прирост прочности после циклического замораживания и оттаивания гипотетически можно объяснить своеобразием структурообразующих процессов, связанных с использованием низкоалюминатных цементов и ПАВ. Известно, что ПАВ наиболее сильно влияют на силикатные продукты цемента и слабее всего на алюминаты. В свою очередь низкие температуры, близкие к точке замерзания свободной воды, оказываются термодинамически благоприятными для полного протекания гидратации силикатов, хотя скорость процессов естественно снижается.
С середины 80-х годов в мировой строительной практике появились конструкции и сооружения, возведённые из бетонов нового поколения с высокими эксплуатационными свойствами. Как правило, эти бетоны отличаются высокой (50 – 80 МПа) и сверхвысокой (выше 80 МПа) прочностью, низкой проницаемостью, повышенной коррозионной стойкостью и долговечностью. Такой эффект получен за счёт применения более эффективного, чем зарубежные аналоги, продукта – комплексного модификатора МБ – 01. Была поставлена задача, оценить перспективу и особенности применения таких бетонов в отечественном мостостроении. Первый опыт изготовления преднапряжённой балки пролётного строения длиной 21 м. показал, что промышленное производство мостовых конструкций из сверхвысокопрочных бетонов с модификатором МБ-01 может быть организовано с использованием имеющегося на предприятиях технологического оборудования.
Для объяснения реальной работы железобетонных конструкций в условиях эксплуатационных нагрузок учёными и инженерами велись теоретические и экспериментальные исследования. Речь идёт о значении фундаментальных вопросов развития теории железобетона, которые многие годы находились под пристальным вниманием журнала. Ключевой вопрос теории – анализ процесса деформаций и разрушения бетона, как многокомпонентного материала сложной структуры. Согласно положениям О.Я. Берга этот процесс подчиняется некоторым общим закономерностям, определяемым параметрическими уровнями микроразрушений в структуре бетона и . Определена и апробирована методика определения указанных параметрических уровней по скорости распространения ультразвуковых колебаний в нагруженном бетоне и соотношению его продольных и поперечных деформаций. Эти параметрические уровни решающим образом предопределяют поведение бетона под действием нагрузки и внешней среды и все его физико-механические характеристики, такие как ползучесть, морозостойкость, коррозионная стойкость материала в агрессивной среде и многие другие. Именно в ЦНИИСе, в отделении СМ были сформулированы принципы, связанные с расчётом конструкций из железобетона и других строительных материалов на совместное воздействие силовых факторов и неблагоприятное влияние внешней среды. Так в практике транспортного строительства встречаются железобетонные конструкции, элементы которых работают в условиях плоского напряжённого состояния – двухосного сжатия или сжатия – растяжения, например: балочные пролётные строения мостов, кольца тоннельной обделки, расположенные недалеко от щитовых домкратов, центрифугированные опоры контактной сети и др. При проектировании таких конструкций их элементы должны рассчитываться на указанные виды силового воздействия. Однако, в настоящее время это сделать практически невозможно. Неясности в вопросах расчёта плоско – напряжённых железобетонных конструкций или их элементов связаны с противоречиями, имеющими в оценке прочности бетона и других хрупких материалов при указанных видах силового воздействия. Проведённые в ЦНИИСе эксперименты подтвердили предложение о влиянии силы трения по торцам образцов на конечные результаты и позволили сделать вывод о том, что причины противоречивых данных, полученных разными исследователями, определяются условиями эксперимента.
Транспортные сооружения возводятся и эксплуатируются в условиях высокой агрессивности окружающей среды. Поэтому вопросам долговечности и защиты конструкций от коррозии постоянно уделялось много внимания.
Для защиты бетона от действия агрессивных вод согласно нормативным документам следует применять только сульфатостойкий портландцемент, позволяющий без дополнительной гидроизоляции возводить сооружения в воде, содержащей сульфаты в расчёте на SO3 до 3500 мг/л. Было установлено, что ограничения водоцементного отношения, совершенные способы уплотнения, применение высококачественных, сортированных и чистых заполнителей позволяет на обычных портландцементах получить бетон, стойкий в большинстве мягких вод. Разработка технологии получения водонепроницаемых и морозостойких конструкций искусственных сооружений остаётся и на сегодняшний день одной из основных задач, решение которой позволило упростить, гидроизоляцию, а возможно и отказаться от её устройство в ряде случаев.
На выбор конструкций гидроизоляции решающее влияние оказывают условия эксплуатации транспортных сооружений. Так специфика работы тоннельной обделки заключается в том, что она подвергается с одной стороны действию окружающих тоннель вод и грунта, а с другой стороны (внутри тоннеля), действию атмосферы. Вопрос долговечности обделки должен особо рассматриваться при сооружении тоннеля в агрессивных средах. Основные мероприятия, которые должны быть осуществлены при комплексном решении защиты обделки от коррозии следующие:
создание трещиностойких конструкций при конструировании;
выбор стойких в агрессивных условиях материалов, в первую очередь цемента;
применение плотного бетона и технологии, обеспечивающей его создание;
разработка режимов твердения для получения бетона наибольшей плотности;
качественное нагнетание раствора за обделку и надёжное уплотнение швов между блоками на всю их толщину, обеспечивающие надёжную герметичность и сцепление раствора с телом блоков;
специальные меры защиты (гидрофобизация, пропитка полимерными веществами).
Как показали исследования коррозии опор контактной сети при нанесении на железобетонные образцы соответствующих изолирующих покрытий величина тока, стекающего с арматуры, уменьшается более чем в 10 раз, вследствие чего сохранность конструкции значительно возрастает. В качестве одного из таких покрытий может быть рекомендована битумная мостика. Однако самым эффективным средством защиты является плотный бетон достаточной толщины, с защитным слоем не менее 20 мм.
Коррозия бетона в результате взаимодействия едких щелочей цемента с реакционноспособным кремнезёмом заполнителей – широко распространенное явление в практике строительства. Были разработаны теоретические основы коррозионных процессов в бетоне при взаимодействии едких щелочей цемента с заполнителями и определены способы их предотвращения. Химический метод испытания заполнителей является основным при ускоренном определении их. Особенно важное значение приобретает химический метод, как на стадии изыскания карьеров, так и одиночные испытания заполнителей по методу измерений линейных деформаций растворных балочек. Для получения исчерпывающих данных по оценке потенциальной реакционной способности заполнителей необходимо проведение петрографо – минералогических исследований, а для ускоренных испытаний в ЦНИИСе был разработан метод определения реакционной способности заполнителей бетона с использованием инфракрасной спектроскопии.
Для ряда конструкций, в которых может быть успешно применено армирование в виде металлических волокон, существенное значение приобретает их коррозионная стойкость. К таким сооружениям можно отнести: дорожные и аэродромные покрытия, берегоукрепительные сооружения, покрытия проезжей части автодорожных мостов и др. Агрессивное воздействие на бетон и металлические волокна могут оказать находящиеся в окружающей среде хлориды или морская вода. Коррозионную стойкость оценивают по изменению линейных деформаций образцов при циклическом воздействии на них коррозионной среды. В результате исследований оказалось, что при введении в бетон металлических волокон увеличивается рост деформаций бетона по сравнению с эталонными образцами, при этом деформации тем больше, чем выше процент армирования бетона. Таким образом, для обеспечения нормальной работы элементов конструкций из дисперсно-армированного металлическими волокнами бетона, работающих в условиях коррозионной среды, было рекомендовано покрытие их поверхности защитным слоем или анодирование волокон.
Наиболее часто встречающимся видом коррозии при эксплуатации транспортных сооружений является сульфатная коррозия бетона. В качестве одной из наиболее эффективных мер защиты рекомендуется применение бетона на сульфатостойком портландцементе. Однако он дефицитен, к тому же нормы запрещают применять его для мостовых конструкций. Защита нанесением полимерных покрытий непосредственно на строительных объектах чрезвычайно сложна технологически и требует определённых погодных условий, а при выполнении на заводе ЖБК необходимо соблюдать правила техники безопасности по нормам предприятий химической промышленности. Исследования, выполненные в ЦНИИСе, показали возможность замены защитных покрытий для агрессивных сред коррозионностойким бетоном, изготовленным из обычного портландцемента. Кроме того, для обеспечения стойкости бетона в сильноагрессивной сульфатной среде, в том числе в соровых болотах целесообразно применение барийсодержащего портландцемента. Агрессивная сульфатная среда с концентрацией сульфатных ионов до 2000 мг/л оказывает практически одинаковое действие на бетон нормальной плотности и бетон особо плотный на портландцементе с содержанием 8% трёхкальциевого алюмината с добавкой суперпластификатора С-3. Такой бетон без защитных покрытий по своей коррозионной стойкости может быть применён наряду с бетоном для конструкций, эксплуатируемых в грунтах или в воде – среде с концентрацией сульфатных ионов не более 2000 мг/л. Для повышения стойкости цементного бетона в кислых болотных средах, которые имели место при строительстве сооружений в районах Западной Сибири, следует применять портландцементы с ограниченным содержанием трёхкальциевого силиката C3S (не более 60%), повышенным содержанием четырёхкальциевого алюмоферита С4AF, а также портландцементы с добавкой нефелинового шлама.
Современное строительство металлических мостов и путепроводов характеризуется повышенными требованиями, как в отношении долговечности, так и эстетичного вида сооружения. Долговечность и вид конструкции в значительной степени зависят от коррозии. Металлические конструкции мостов и путепроводов эксплуатирующиеся во влажной среде, при значительном перепаде температур, испытывают знакопеременные напряжения и динамические воздействия, поэтому к материалам и способам защиты металлических конструкций от коррозии также должны быть предъявлены повышенные требования. Более чем 7-летний опыт проектирования, сооружения и эксплуатации уникальных мостов и путепроводов показал, что в наибольшей степени удовлетворяет этим требованиям защита от коррозии методом окрашивания однокомпонентными полиуретановыми лакокрасочными материалами (ЛМ). Особенно следует отметить высокую устойчивость к физико-механическим воздействиям цинконаполненной грунтовки, которая, несмотря на транспортировку металлоконструкций, длительное хранение и восприятие монтажных усилий, при всех испытаниях на разных объектах показывала 1 балл адгезии по методу решётчатого надреза. Покрытие железобетонных поверхностей полиуретановыми лакокрасочными материалами повышает долговечность защитного слоя арматуры, придаёт конструкциям приятный внешний вид, благодаря плотной фактуре и применению разнообразного колера. Можно с успехом прогнозировать безремонтную долговечность покрытий более 15 лет.
Арматура и технология армирования занимают особое место среди вопросов, относящихся к строительным материалам. Уникальность работы железобетонных транспортных конструкций под эксплуатационной нагрузкой проявляется в особенностях их армирования.
Опыты по нагружению бетона в раннем возрасте были впервые поставлены в механической лаборатории ЛИИЖТа ещё в 1932 г и показали, что применение раннего ступенчатого натяжения арматуры позволяет за двое-трое суток завершить первый этап изготовления балок. Остальные ступени натяжения арматуры осуществляются по мере приобретения бетоном надлежащей прочности. После этого производится инъектирование пучков и обетонирование анкерных колодок, и на 9-10 сутки балка может быть уложена в пролёт.
При переходе к массовому производству предварительно-напряжённых железобетонных конструкций с применением комплексной механизации и автоматизации арматурных работ одним из основных факторов, определяющих эффективность конструкций, является надёжность технологических процессов. На процесс армирования влияют многие случайные факторы: колебания свойств исходных материалов, неточности в осуществлении технологических режимов, нестабильность работы оборудования и т. д. Одним из таких нарушений является обрыв арматуры при её натяжении. Можно повысить однородность арматуры путём сортировки проволоки по пределу прочности и устранением причин неравномерности натяжения проволок, подвергаемых групповому натяжению. Другим мероприятием является контроль натяжения арматуры по величине её удлинения. Наиболее эффективным методом контроля является инструментальное измерение в частности приборами ДП – 6 и ДПС – 2, которые изготовляли на заводах Главстроймеханизации. В результате таких мероприятий число обрывов арматуры значительно снижается.
Применение строительных материалов отличается широким спектром проблем, среди которых важное место занимают местные материалы и нетрадиционные для транспортного строительства новые строительные материалы.
Так высокая стоимость тяжёлых заполнителей для бетонов побудила к применению в качестве заполнителей ракушечника, лёгкого известняка, туфа и туфолавы, опоки и трепела . В 1938 г. был построен пешеходный мост рамной конструкции из лёгкого железобетона на заполнителях из пемзы. В последствии было построено ещё 16 мостов, пролётами от 4 до 30 метров из лёгкого железобетона марок от 50 до 200. Рациональность сооружения арочных мостов из лёгкого железобетона была обусловлена значительным снижением влияния температуры и усадки, что подтверждено детальными исследованиями. С применением лёгких заполнителей – пемзы, трепела, туфа, опоки, ракушечника, известняка и спонголита, получены высопрочные лёгкие бетоны марок от 130 до 250, использование которых в сборных мостах позволит снизить вес конструкций до 25-30% и сэкономить 20-25% арматурной стали.
Способность керамзитобетона, благодаря его пористости, отсасывать лишнюю воду из цементного теста и из зон скапливания её под заполнителями улучшает структуру цементного камня и бетона, увеличивая при этом как прочность цементного камня, так и его сцепление с заполнителями. Кроме того, малопрочный керамзит в окружении цементного камня работает как в обойме. Это позволяет получить бетон требуемой марки на керамзите менее прочным, чем тяжёлые заполнители, расходуя при этом цемента лишь на 20 – 30 % больше, чем для получения тяжёлого бетона такой же марки. Таким образом, строительство мостовых сооружений из керамзитобетона должно вестись с учётом правильного подбора его состава.
Важную роль для транспортной инфраструктуры играет сырьевая база предприятий стройиндустрии. Применение ячеистых бетонов на основе зол и других отходов промышленности для производства ограждающих конструкций позволяет исключить применение традиционных вяжущих материалов. Кроме того, утилизация зол и шлаков сокращает площади отвалов. Ячеистые бетоны на основе бесклинкерного шлакощелочного вяжущего показали высокую прочность и морозостойкость при сравнительно низкой плотности. Для приготовления бетонов в качестве щёлочной активации применяли едкий натр, в качестве кремнезёмистого компонента молотый кварцевый песок.
Ознакомление с работами научно-исследовательских институтов и опытно – промышленным производством теплоизоляционных материалов позволило выделить ряд новых утеплителей и области применения их на бывших предприятиях Главстройпрома: заливочные пенопласты типа карбомидноформальдегидного КФП-3 и материалы на основе жидкого стекла – сыпучий неорганический материал силипор и плитный сотосилипор, стеклопор и плиты кремнепор. По своим качественным и технологическим показателям наиболее перспективным утеплителем явились теплоизоляционные плиты кремнепор. Эти плиты огнестойки, биостойки и нетоксичны.
Стремление к использованию современных материалов при создании технологической оснастки сборных и монолитных железобетонных конструкций, а затем при создании новых более эффективных конструкций транспортного строительства привело к разработке наиболее перспективных конструкций из полиэфирного стеклопластика, технологии их производства и технологической оснастки для изготовления экспериментальных опытных партий таких конструкций. Совместно с Ленгипротрансмостом ЦНИИСом разработана конструкция сборных гофрированных водопропускных труб, разработана конструкция сборных стеклопластиковых контейнеров, разработана встраиваемая битумно-стеклопластиковая гидроизоляция для монолитных и сборных железобетонных конструкций.
На страницах журнала много внимания уделено новым видам армирования. Так новый композитный материал сталефибробетон (бетон с хаотически расположенными в нём металлическими волокнами – фибрами) обладает улучшенными физико-механическими свойствами по сравнению с обычным бетоном. Так его прочность на осевое растяжение возрастает в 1,5 – 1,7 раза, прочность на растяжение при изгибе – в 2 –3 раза, ударная вязкость – в 8 – 10 раз. Возрастает прочность на сжатие, износостойкость, выносливость. Сталефибробетон обладает высокой коррозионной стойкостью. Одним из факторов, сдерживающих применение сталефибробетонных конструкций в России, долгое время являлось отсутствие промышленного производства фибры. В настоящее время работают две линии по производству фибры типа «Харекс» на Курганском заводе мостовых металлических конструкций. Сталефибробетон может быть эффективно использован в конструкциях транспортных сооружений. Наряду со сталефибробетоном за рубежом применяется также стеклофибробетон. В 1997 году Союздорпроект впервые разработал конструкцию экспериментальных стеклофибробетонных карнизных блоков, которую применили при реконструкции путепровода МКАД через Ярославское шоссе. Экспериментальные исследования и опытное применение стеклофибробетона показали, что материал обладает высокими прочностными свойствами, позволяющими достаточно эффективно использовать его в мостостроении для несъёмной опалубки, карнизных блоков и некоторых других конструкций.
Одной из важнейших основ технического прогресса в строительстве являются новые материалы, технология их создания и применения. В настоящей публикации не приведены имена авторов разработок, так как перечисление их имён займёт не одну страницу. Наивно также предполагать, что в одной публикации можно охватить весь круг вопросов, находившихся в поле зрения исследователей на протяжении более чем полувека. Но практически все выдающиеся учёные и практики, чья профессиональная деятельность связана с транспортным строительством в той или иной мере в своей работе касались вопросов, связанных с проблемами строительных материалов.
Период стабилизации экономики, наметившийся в последние годы в стране позволяет надеяться на интенсивное развитие отрасли строительных материалов. Прошедшие пять лет после воссоздания научно-исследовательского центра показали востребованность его разработок. Объёмы исследований постоянно растут, их тематика расширяется. Сегодня главными направлениями в материаловедении являются:
- создание новых и совершенствование существующих процессов;
- получение продукции с минимальными затратами энергетических, материальных и трудовых ресурсов;
- создание новых видов строительных материалов и изделий с заданными свойствами, отвечающими самым высоким требованиям строительства;
- широкое внедрение безотходной и малоотходной технологии, использование вторичных продуктов производств.
Задачи, в общем, не новые, однако их решение лежит в области самых современных достижений науки и техники. Применяя современные технологии в материаловедении, можно получить конструкции с невиданными ранее свойства. В связи с этим хочется надеяться, что в ближайшем будущем «строительные материалы», как профильное направление научно-исследовательской и практической деятельности института будет развиваться ускоренными темпами, продолжая тем самым традиции заложенные учёными предыдущих поколений.
Опубликовано в сб. Технология, прочность и долговечность строительных материалов для
транспортного строительства. Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 239. М., ОАО ЦНИИС, 2007.

Фотография №1