Стоманобетонни конструкции и изделия в пътната инфраструктура

През последните десетилетия са разработени и внедрени в масово производство много нови материали, но има един, който все още не може да бъде изместен - стоманобетонът. Какви ползи ни носи този материал в пътната инфраструктура, където използването на бетонни и стоманобетонни конструкции и изделия е широко застъпено? Ако си представим един пътен участък, пред въображението ни се появяват десетки елементи, които са свързани с него. Всички ние сме ги виждали неведнъж - подпорни стени, подлези, водостоци, различни предпазни и отводнителни съоръжения и много други. Знаем, че те се използват от години, но какви са причините за това и има ли някакво развитие, подобрения, нововъведения?

Текст: списание Инфрабилд

Нека да уточним, че пътната инфраструктура е понятие, което обхваща основните съоръжения и системи, използвани за движение на превозни средства. Тя непрестанно се доизгражда и модернизира. Специално внимание се обръща на нейната устойчивост и безопасност. Елементите, които я съставят, трябва да притежават необходимата якост и устойчивост, да подлежат на сравнително опростен монтаж или изграждане, да са дълготрайни, с ясно изразена способност за противодействие на атмосферни и природни въздействия. Именно бетонът най-пълно може да покрие тези изисквания. Допълнително условие е да се отчете зависимостта между предназначението на даден конструктивен елемент, условията, при които той ще бъде експлоатиран, необходимата дълговечност и стойността му. Тук ще разгледаме някои основни пътни съоръжения от бетон или стоманобетон, за да покажем дали и как те се вписват в споменатите изисквания.

Няколко думи за бетона

Това е мaтериал, получен при свързването на цимент, вода, пясък и едър добавъчен материал (трошен камък или речен чакъл). При производството на изделия с тънки стени, например при бетонни и стоманобетонни тръби, едрият добавъчен материал се заменя с филц, който всъщност е речен чакъл, фракция примерно 4/16mm. Знаем, че изборът на бетон се прави не само според неговия клас по якост на натиск, но и съобразно устойчивостта му на въздействие от околната среда. Още при проектиране на дадено съоръжение трябва да се отчетат въздействието на агресивни вещества и разширяването при топлинно въздействие. Бетонът обира до голяма степен такива въздействия, но при проектирането трябва да се предвидят фуги, места за оттичане на води, увеличено бетонно покритие на армировъчните пръти и дори специални покрития, ако това се налага от спецификата на пътния участък, където ще се изпълнява определено съоръжение.

Ако е предвидено изпълнение от монолитен стоманобетон на подлез, подпорна стена или друго пътно съоръжение, бетонната смес се поръчва в бетонов център, където технологията и материалите са с гарантирано качество. Полагането на бетонната смес и грижата за бетона след това също са предпоставки за добър краен резултат. Готовите изделия обикновено са произведени в заводски условия и качеството на бетона е много добро. За някои неотговорни елементи, като пръстени за шахти например, неармираният бетон е напълно достатъчен, особено ако е спазена рецептата за точния клас, елементите са конструирани с достатъчна дебелина на стените, уплътняването на бетонната смес е извършено правилно и са осигурени технологични условия за свързване на цимента (температура, време, допълнителни грижи или др.).

Ако изделията са изпълнени от вибропресован бетон, те не само са с много добър външен вид, но са и с точни геометрични размери, добри якостни характеристики, добра мразоустойчивост и дълготрайност. При повечето елементи обаче се използва армировка. Поставянето ѝ оскъпява готовия продукт, но това се компенсира от повишена годност и дълготрайност - говорим за неносещи елементи, където може да се използва и само бетон, но ръбовете ще се обрушат по-лесно. При отговорни носещи конструкции армирането е задължително, а в проекта се залагат изискванията за вида на бетона, класа, диаметрите и начините на полагане на армировката, дебелината на бетонното покритие и всички допълнителни изисквания, ако има нужда от такива.

Елементи за отводняване

Казахме, че при неотговорни елементи може да се използва неармиран бетон. По този начин цената е по-ниска, и именно затова голяма част от изделията, използвани при отводняване, са изцяло бетонни. Понеже армировката осигурява по-добри якостни и механични характеристики, често геометричните разновидности за отводнителни съоръжения от бетон се дублират в номенклатури и от стоманобетон. Общото при всички отводнителни елементи е това, че те се произвеждат с определена дължина.

Корита, канавки и улеи - използват се да събират оттичащите се води и да ги отвеждат към подходящ водосборен участък. Бетонните корита и канавки са предназначени да поемат големи количества вода. Напречното им сечение може да е полукръг, коритообразно, т.н."пътен окоп" или V-образно. Когато са стоманобетонни, канавките могат да бъдат разделени на два вида - стар тип ЕКТ и EU ЕО, V-образни. Примерни изисквания към материалите за отводнителни корита и канавки от стоманобетон: бетон с клас по якост на натиск С30/37 и клас по въздействие на околната среда XF3 съгласно БДС EN1995-1-1:2005 в съответствия с БДС EN206-1:2013+А1:2016; армировка (заварени мрежи) от пръти N6, стомана В420 В. Уплътняването става с иглени вибратори.

Ако канавките са покрити, капаците или решетките задължително са от стоманобетон, като класът по якост на натиск на бетона и класът и видът на армировката задължително трябва да са съобразени с натоварването. Обособени са три зони по натоварване - зони без движение на автомобили, зони без движение на тежкотоварни автомобили, зони за тежкотоварни автомобили. Бетонните улеи са с по-малка площ на напречното сечение, което обикновено е правоъгълно или квадратно. Срещат се "бетонни италиански улеи" и бетонни ЕКТ нов тип, като и двата вида служат за отвеждане на повърхностни води от пътните настилки и банкета в зоните на пътни насипи. Произвеждат се от вибробетон и се покриват с решетки от стоманобетон или метал.

Тръби - полагат се подземно и са предназначени за отвеждане на водите така, че да не се залива пътното платно. Отводнителните тръби трябва да поемат водата от водосборните съоръжения, и нещо повече - да са така оразмерени, че да поемат дори възможни пикови притоци от водосборните площи. При тръбите се лимитира водопоглъщането на бетона, от който са направени. То има пряка връзка с мразоустойчивостта и трябва да е < 8%. Бетонните и стоманобетонните тръби са здрави, недеформируеми и с много добра носимоспособност. Те могат да бъдат проектирани, изпълнени и тествани за точно определено натоварване. Бетонните тръби са с по-малък диаметър, обикновено до 800mm вътрешен диаметър. Бетонът и дебелината на стената се подбират така, че тръбата да поеме натоварването от насипа над нея, както и допълнителен товар от автомобилен и ЖП транспорт.

Стоманобетонните тръби са с вътрешни диаметри, започващи от 800mm, и достигат до 1500mm. Те съчетават най-доброто от двата материaла - бетон и стомана. Бетонът поема натисковите, а армировката - опънните напрежения. Допускат се пукнатини с лимитирани размери. Тръбите обикновено са засипани, затова са изложени на постоянна влага, а това допринася за вторична хидратация на горния напукан слой. Микропукнатините се запълват, не се реализира последващо компрометиране. При данни за наличие на агресивни вещества във водата е необходимо да се вземат мерки още при изготвяне на рецептата на бетона.

Дълготрайността също е от значение. За подземна инфраструктура това е период от поне 50 години. Едно опростено правило гласи, че колкото по-плътен е бетонът, толкова по-дълготрайно е изделието. Е, и доста други фактори са от значение - рецептата на бетонната смес, технологията на производство, осигуреното време за набиране на якост, обработката на изкопа, правилният монтаж, и още, и още... Още един плюс - бетонните и стоманобетонните тръби са негорими, а това е от изключително значение при водостоци под магистрали и пътища, особено в гористи и трудно достъпни райони.

Водостоци - пропускат водите от естествено образувани улеи, в които се оттичат прилежащите скатове. Когато такъв поток срещне изкуствено пътно съоръжение - насип за път, той трябва да изтече под пътя, или през големи тръби, или през водосток. Често тръбите просто преминават под насипа, но добрата практика изисква в края на тръбата да се прави връзка със специално крило за водосток, което дооформя естествения улей, укрепва насипа от двете страни и над тръбата и насочва водния поток. За тръбите вече говорихме, сега ще разгледаме "водостоците". Обикновено това са тристранни сглобяеми стоманобетонни елементи или затворени четиристранни правоъгълни стоманобетонни "кахони", също предназначени за сглобяемо изпълнение. Принципно при кахоните няма изключителни нововъведения - и бетонът, и армировката, и заводското изпълнение са в зависимост от нормативните изисквания, но статическата схема е много интересна. Всеки отделен елемент е със затворен контур. Армировката е конструирана така, че възлите да са корави. При малка дебелина на стените, на дъното и на горната плоча елементите са изключително устойчиви на деформации, и могат да осигурят преминаването на воден поток под значителен насип. Един пример - с кахони с напречно сечение 4,80х3,50m може да се изгради водосток под насип от 15m, при тежък режим на пътния трафик, като дебелината на стените е едва 40cm. При напречни сечения с малки размери, порядък 2,00х2,00m, стените са с дебелина 20cm.

При нестандартни ситуации се използват и монолитни стоманобетонни кахони, за които има разработени различни системи за кофриране. Най-съвременните кофражи са универсални, леки, рамкови и опростени - с един елемент за връзка. Това е направляваща скоба, която осигурява свързване, подравняване и уплътняване на кофража само с една работна операция. Както всеки носещ конструктивен елемент, и кахоните се изчисляват за конкретните натоварвания. Геометричните размери, клас бетон, клас армировка, конструиране на армировката, начин на вибриране и време за набиране на якост с последващ декофраж се отразяват в проектната документация.

Други елементи

Бетонни предпазни елементи - слагат се, за да не може автомобилът да се преобърне в насрещното платно. За надеждна съвместна работа отделните елементи се свързват помежду си със специален захват. Те се монтират без допълнително закрепване към основата, за да се изместват странично при по-силен сблъсък, и това да намалява силата на удара на превозното средство.

Шумозащитни огради - пазят прилежащите зони от шума на автомобилния поток. Ако са стоманобетонни, те се изграждат на място. Сглобяемите защитни прегради са за предпочитане. При тях фундаментите се изливат на място, а всичко останало е заводски произведено, от най-различни материали, и се монтира лесно.

Подпорни стени

Използват се за защита на пътните съоръжения. Както стана ясно, стоманобетонът е един универсален материал. Подпорните стени са поредното потвърждение. Те могат да се изпълнят или сглобяеми, или монолитни. Естествено, че има и други - зидани тухлени, каменни, тежки масивни бетонни, вече и габиони, но при нарастване на височината те стават неикономични, и на преден план излизат стоманобетонните. Не е нужно да обясняваме, че внимателното проучване и последващото проектиране са абсолютно задължителни. Стоманобетонните подпорни стени се класифицират като "леки" заради сравнително по-малките дебелини на стената, а и на отстъпа зад нея, защото се отчита теглото на насипа зад стената, който противодейства на земния натиск, стремящ се да преобърне съоръжението.

Тънките бетонни сечения налагат прецизно изчисление, конструиране и изпълнение на армировката. Друга особеност при подпорните стени е нуждата от обратен насип от несвързан материал, чакъл или трошен камък, с голям ъгъл на вътрешно триене. Ако има подпочвени води, или повърхностни, които се стичат и попиват зад стената, трябва да се изпълняват отвори в стената, наречени "барбакани", както и специални дрениращи пластове, достигащи до изкуствено създаден водоупорен пласт от глина, над който се залагат дренажни тръби. Те събират и отвеждат водите, за да се елиминира възможността за хидростатичен натиск върху стената. Самото изпълнение на монолитните подпорни стени е класическо - следват се установените стъпки за изграждане на монолитни конструкции.

За да приключим с описанието на монолитните стоманобетонни подпорни стени, ще споменем и за подпорните стени върху пилоти (пилотите са спасението при проверката на хлъзгане). Те са изключителни инженерни разработки и могат да обезопасяват скатове с височина до 50 метра.Казаното за монолитните стоманобетонни подпорни стени е в сила и за сглобяемите. В най-използвания вариант те са съставени от стъпка-фундамент и вертикална част-стена. Разработени са номенклатури за облекчаване на избора. В тези каталози всеки един от двата елемента е описан с геометрични размери и възможност за комплектоване с другия, според височината на насипа зад стената и дълбочината на вкопаване на стъпката. Хлъзгането се поема от наклона на стъпката.

Стената, т.е.вертикалната част, може да достигне до 8,0m височина над горния ръб на фундамента, като дълбочината на замонолитване в този случай е поне 90cm. Ширината на стъпката/фундамента може да достигне 4,8m. Останалите геометрични характеристики на стъпката са обусловени от данните за земната основа. Инженерните изчисления са задължителни, за да бъде изпълнено съоръжение с необходимата якост и устойчивост. Армировката за различните типове сглобяеми подпорни стени зависи от височината на стената, и е изчислена и конструирана при предпоставката, че хидростатичният натиск е елиминиран. Дължината на отделните ламели е ограничена, за да бъде по-лесен монтажът. Има разработени и варианти, при които вертикалната част и стъпката са едно цяло, а самата стъпка е оформена в предния си горен край като заоблена канавка. Това най-често са ниски стени, чиято височина не надвишава 2,0m.

Тъй като всеки елемент е произведен в заводски условия, не само външният вид, но и качествата на бетона са възможно най-добрите. Използваният бетон е с клас по якост на натиск не по-нисък от С30/37 и с клас по въздействие на околната среда XF3. За производството на елементите се използват стоманени кофражни форми, вибрирането е с иглени вибратори, а преди транспортиране и влагане в съоръжение се доказва набраната якост. Монтажът може да стане върху пясъчна възглавница или подложен бетон, изпълнени по съответните изисквания. Между отделните ламели се осигурява фуга 10÷20mm. Фугата може да се обработи с цименто-пясъчен разтвор с подходящи добавки за повишаване адхезионните му свойства и осигуряване на добро сцепление с бетона на елементите от подпорната стена. При сглобяемите подпорни стени проектирането и свързването на двата елемента (стена-стъпка) трябва да гарантират надеждно предаване на усилията в зоната на контакт, както и връзката на допълнително положения бетон в тази зона с бетона на предварително заготвените елементи.

Подлези

Преди години някои подлези бяха изпълнявани от сглобяеми стоманобетонни коритообразни елементи. Един такъв елемент се произвежда с дължина 2,0÷2,5m и дебелина на стените примерно 30cm. Плочата е по-дебела, примерно 40cm. Броят на елементите определя дължината на подлеза. Бордовете в краищата, които ограничават изолациите и баластровите призми, са от монолитен стоманобетон. Ето че стана дума за изолации - при подлезите това е задължителна част от съоръжението. Ако подлезът е изпълнен от отделни елементи, не само уплътнението на фугите изисква особено внимание, но и листовата хидроизолация се конструира с възможност за деформации в местата на фугите, в противен случай ще се скъса и компрометира. Заготовката на краищата на отделните секции може да е с различна конфигурация, за осигуряване на по-ефективна хидроизолация. При всички случаи сглобяемите елементи се проектират с приспособления за водоуплътняване на монтажните им фуги и с отвори за инжектиране на пространството зад тях.

При монолитно изпълнение броят на фугите е сведен до минимум, само в местата, където са необходими от конструктивни съображения. Фугите в строителните конструкции се делят най-общо на фуги, поемащи движения, и свързващи фуги. Конструкцията на фугите, поемащи движения, без значение дали са предназначени за сеизмични, температурни или други деформации, се проектира така, че да осигурява изискващата се степен на водоплътност на съоръжението. На колкото повече движения е подложена една фуга, толкова по-високо трябва да е качеството на хидроизолационния материал. За изолиране на фугите срещу проникването на вода се прилагат уплътнителни ленти или еластични състави, които отговарят на изискванията за дълготрайност и експлоатационна годност, и които са способни да поемат въздействията под формата на деформации и налягане, на които ще бъдат подложени. Използват се и набъбващи уплътнители, инжектиране, комбинация на изброените начини, но винаги се търси съвместимост с хидроизолацията на подлеза. Материалите, които се използват за обработката на фугите, могат да бъдат на полиуретанова основа под формата на пастообразен пълнител, хайпалонови ленти и др. Много важно е уплътнението на фугата да съответства на типа фуга. Съществува и вариант за уплътнение на фуги с предварително изготвени и заложени фугоуплътняващи ленти. За площна хидроизолация се прилагат листови и пръскани хидроизолационни мембрани. Има и други варианти, но тук няма да навлизаме в подробности.

Предимства, без недостатъци

Тъй като бетонните и стоманобетонните елементи, които са се наложили в пътната инфраструктура, са изключително многообразни, няма как да опишем всички. От бордюрите, предпазните елементи, през водоотвеждащите елементи, водосборните шахти, решетки, капаци, до големите съоръжения като кахони, подпорни стени, подлези - всички те са предназначени за дългогодишна експлоатация в тежки условия. Стоманобетонът в пътната инфраструктура няма конкуренция, поне засега.