Данная работа посвящена анализу факторов, определяющих износостойкость бетона, применяемого в отраслях, где он подвергается воздействию механических нагрузок, в частности в дорожном строительстве. Исследование включает анализ того, как состав бетонной смеси, методы ее укладки и эксплуатационные факторы (климатические условия и механические нагрузки) влияют на износостойкость дорожных покрытий. Особое внимание уделяется методам повышения износостойкости через добавление специальных добавок, армирование и оптимизацию технологических процессов укладки.

Ключевые слова: износостойкость бетона, механическое истирание, бетонные покрытия, добавки для повышения износостойкости, технология укладки бетона, долговечность конструкций, бетонные сооружения, материалы для дорожного строительства.

This work is devoted to the analysis of factors affecting the wear resistance of concrete used in road construction and other areas subject to mechanical abrasion. The study includes consideration of the influence of the composition of the concrete mix, the technology of laying, as well as external operating conditions such as climatic influences and mechanical stress. Special attention is paid to methods of increasing wear resistance through the addition of special additives, reinforcement and optimization of technological processes of laying. The results of the work allow us to identify the main directions for improving the durability of concrete coatings and developing more wear-resistant materials that meet the requirements of modern road and construction industries.

Keywords: wear resistance of concrete, mechanical abrasion, concrete coatings, additives to increase wear resistance, concrete laying technology, durability of structures, concrete structures, materials for road construction

Введение

В последние время всё больше проектов дорожного строительства возвращаются к монолитному цементобетону: специалисты считают, что он позволяет снизить суммарные расходы на содержание покрытия (строительство, ямочный ремонт, фрезерование) и существенно замедляет рост колеи под тяжелыми грузовиками. Однако уже в первый зимний сезон после завершения укладки цементобетонного покрытия на многих участках наблюдается интенсивное шлифование поверхности, что сопровождается увеличением пылевых выбросов и локальным снижением сцепных свойств.

Становится очевидным что одной только высокой прочности цементного камня недостаточно. Необходимо всесторонне рассмотреть совокупность эксплуатационных, климатических и технологических факторов, влияющих на истираемость дорожного покрытия, чтобы выработать комплекс мер повышения его долговечности.

1. Факторы, влияющие на истираемость

Абразивный износ цементобетонного покрытия формируется под действием контактных напряжений колеса, микрорельефа заполнителя и переносимых твердых частиц. В странах Евросоюза и США удельное динамическое давление давно стабилизировано за счет строгих норм осевых нагрузок и широкого применения регулируемых шинных давлений. На российской дорожной сети наблюдается значительный разброс фактической нагрузки, что подтверждается результатами нивелирования деформаций плит, приведенными в отчете ООО «Автодор‑Инжиниринг», где зафиксирован рост суммарной колеи на скоростной трассе М‑4 до 4 мм за четыре года эксплуатации даже при щебеночном заполнителе марки 1200 [2].

Ключевое отличие российского трафика — массовое использование шипованной резины. В северных штатах США шипы разрешены лишь эпизодически, во Франции и Германии введены почти повсеместные запреты, тогда как в Российской Федерации, по данным Росавтодора, доля легковых автомобилей со шипами в зимний период достигает 70 %. Исследования Шведского национального института автодорожных и транспортных исследований фиксируют среднесезонное снятие материала с поверхности цементобетона 0,25 кг·м ^–2 при интенсивности потока 8000 автомобилей в сутки, что эквивалентно углублению рельефа на 0,15 мм.

Хотя сама Швеция имеет строгий лимит объема материала, снимаемого шипованными шинами и абразивным действием за один зимний сезон, приведенные значения сопоставимы с измерениями на участке КАД Санкт‑Петербурга, где за одну зиму 2022–2023 гг. прибором RST зафиксировано уширение микротекстуры на 0,18 мм.

В США в опытном дорожном коридоре в штате Миннесота бетонная плита, уложенная по рецептуре с воздухововлечением 6 % и щебнем из диабаза, показала потерю высоты всего 5 мм после двадцати лет работы под выборочной шипованной нагрузкой. Российские плиты с аналогичной минеральной композицией демонстрируют тот же результат через семь‑восемь лет, что косвенно указывает на более агрессивную среду.

Существенное влияние оказывает минеральный состав крупного заполнителя. В. А. Максимов и В. В. Ушаков подчеркивают, что для гранитов марки 1200 и выше рост коэффициента истираемости замедляется почти вдвое по сравнению с известняками марки 800 [1].

Условия шлифования усиливаются тонкими твердыми частицами смеси кварцевого песка и металлического абразива, выделяемыми непосредственно из шипов. Американское исследование Transportation Research Board показало, что при содержании частиц крупностью более 150 мкм потери массы бетона растут нелинейно и уже при концентрации 1 г·м ^–2 ·км достигают 5 % от сезонного объема износа [3].

Наконец, важную роль играет начальная текстура. Методические рекомендации Росавтодора фиксируют увеличение стойкости на 30 % при наличии рифления глубиной не менее 1 мм благодаря лучшему отводу частиц из зоны контакта. Однако при крупном отрицательном рельефе следует учитывать вероятность преждевременного скола вершинок.

2. Совместное воздействие климата и шипов в России

Российская дорожно‑климатическая зона характеризуется частыми переходами температуры через ноль, сочетанием внезапных обледенений и использованием твердых химических реагентов. М. М. Косухин и соавторы указывают что в центральных регионах России цементобетон испытывает от 100 до 150 циклов замораживания — оттаивания ежегодно, тогда как в Швеции аналогичная величина не превышает 80 [5]. Повторное насыщение пор влагой приводит к усталостному разрушению поверхности, а последующее движение шипованной шины действует как ручная шлифовальная машина.

Одновременно на сцепную плоскость попадает пескосоляная смесь. Лаборатория МАДИ установила, что смесь NaCl : CaCl ₂ = 3 : 1 снижает микротвердость цементного камня на 10 % после 24 циклов, в результате чего толщина выкрашивания у кромки шва возрастает с 0,3 до 0,6 мм.

Морозное пучение основания дополнительно усиливает абразивное действие. При подъеме плиты на 0,1 мм образуется мостик, шина наносит концентрированный удар по краевой зоне и откалывает частицу заполнителя. ODM 218.3.028 фиксирует, что скорость развития шелушения при комбинации отрицательных температур и интенсивного шипованного трафика в первый год эксплуатации дорожного покрытия вдвое выше, чем при голом отрицательном температурном воздействии.

Климатическая неоднородность Российской Федерации порождает и разнообразие реагентов. В северо‑западных областях преобладает фрикционный песок, в Сибири — мелкий гранит, на Урале — шлаковый абразив. Размеры зерна варьируются от 0,5 до 2 мм, что согласуется с данными шведского эксперимента VTI о максимальной агрессивности частиц крупностью именно 1 мм.

Совместное проявление температурных градиентов и абразивной среды приводит к ускоренному формированию колеи даже на бетоне. Мониторинг участка Р‑254 «Иртыш» показал, что глубина продольного углубления достигла 6 мм к концу пятого года эксплуатации при средней интенсивности тяжелых осевых нагрузок 1400 автомобилей в сутки. Для сравнения, опытный участок Falkenberg с аналогичной рецептурой бетона, но без постоянных температурных переходов и без шипов сохранил ровность с суммарным износом 5 мм за 20 лет.

Таким образом, российский климат в комбинации с шипованной резиной увеличивает темп истирания в четыре‑пять раз по сравнению с умеренными неагрессивными условиями. Проблема усугубляется тем, что текущие нормативы по шероховатости заставляют эксплуатантов применять грубую текстурную обработку, а это увеличивает площадь контакта зерен и ускоряет шлифование.

3. Необходимость повышения истираемости и пути ее обеспечения

Совокупный анализ показывает, что традиционные подходы к формированию композиции цементобетона не удовлетворяют российской эксплуатации.

М. М. Косухин демонстрирует, что использование модифицированного вяжущего с удельной поверхностью 500 м²·кг ^–1 и полифункциональной добавкой позволяет достичь морозостойкости до 1000 циклов и тем самым уменьшить скорость абразивного износа на 25 % [5]. Одновременно необходимо перераспределить зерновой состав крупного заполнителя. Лабораторные пробы МАДИ показывают, что переход от щебня фракции 20 мм на смесь 12 + 16 мм повышает равномерность распределения напряжений и снижает интенсивность выкрашивания. Подтверждение на сети «Автодора»: секция с комбинированной фракцией после трех зим продемонстрировала колею на 3 мм меньше.

Следующей линией защиты становится применение тонкослойных шероховатых покрытий. Методика, описанная в пособии по ремонту, предусматривает устройство полиминерального слоя толщиной 20 мм с расходом смеси 50 кг/кв. м. Такой слой принимает начальное абразивное воздействие шипов и легко обновляется, сохраняя тело плиты.

Нельзя игнорировать и системные меры. Комплексное исследование Чалмерского университета [8] показало, что общий баланс вреда и пользы от шипов в городах отрицателен; при переходе на фрикционные нешипованные зимние шины совокупная потеря жизни, выраженная в человеко‑годах, сокращается более чем вдвое. Для России это означает, что стимулирование отказа от шипов способно уменьшить дорожную пыль и снизить износ бетонных плит без капитальных затрат.

Кроме того, актуален контроль за реальным осевым давлением. По статистике Федерального дорожного агентства, каждый четвертый грузовик в зимний период выходит за пределы разрешенных нагрузок, что многократно увеличивает локальное давление шипов. Введение весогабаритных пунктов контроля с автоматическим штрафом уже в первый год работы на обходе Вологды позволило сократить среднюю глубину шлифования почти на 20 %.

Совокупность названных мер следует закрепить на уровне ведомственных норм. Уровень пористости цементного камня должен лимитироваться показателем водопоглощения не выше 4 %, морозостойкость — не ниже F800, а структура текстуры — комбинированной. Только при одновременной реализации описанных направлений возможно достичь плановых тридцатилетних сроков без капитального ремонта.

Заключение

Износ цементобетонных покрытий в России определяется прежде всего тремя взаимозависимыми факторами: шипованной нагрузкой, климатическим цикличным замораживанием и недостаточной адаптацией материала к абразивной среде. Международная практика подтверждает, что при оптимальной рецептуре и умеренных условиях бетон способен сохранять ровность свыше двух десятилетий, однако российские дороги сталкиваются с многократным ускорением процессов.

Повышение истираемости возможно лишь при комплексном подходе, сочетающем использование высокопрочного заполнителя, модифицированных вяжущих, защитных тонкослойных слоев и административные меры по ограничению перегруза и частичному отказу от шипов. Реализация этих шагов позволит выйти на расчетные интервалы службы, снизить затраты на содержание и уменьшить экологические риски, связанные с пылевыделением.

Литература:

1. Максимов В. А., Ушаков В. В. Обоснование технологии содержания цементобетонных покрытий автомобильных дорог // Автомобиль. Дорога. Инфраструктура. — 2022 — № 2 (32). — С. 64-70.
2. Отчет ООО «Автодор‑Инжиниринг». Опыт применения цементобетонных покрытий при строительстве автомобильных дорог. Москва. 2021.
3. Frith, D. J., Morian, D. A., Stoffels, S. M. & Saboundjian, S. (2004). Hard Aggregate Resistance to Studded Tires. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 1874, 19–28. PDF: https://onlinepubs.trb.org/onlinepubs/trr/2004/1874/1874.pdf
4. Методические рекомендации по ремонту и содержанию цементобетонных покрытий автомобильных дорог. ODM 218.3.028‑2013. — М., 2015.
5. Обеспечение долговечности, эксплуатационной надежности, комфортности и экологической безопасности улично-дорожной сети путем использования цементобетонных дорожных покрытий на модифицированном вяжущем / М. М. Косухин, А. М. Косухин, Ю. А. Шарапова, О. Н. Шарапов // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. — 2016. — Т. 1. № 3.
6. Concrete pavement Falkenberg Sweden — a 20 year review. Swedish Concrete Roads Association. 2016.
7. Studded tire wear on concrete pavements. Highway Research Record 331. Transportation Research Board. 1970.
8. Furberg A., Molander S., Arvisson R. Public health impact of studded winter tires. Chalmers University of Technology. 2018.