Виды и причины деформаций и разрушений жестких покрытий

Жесткие аэродромные покрытия (бетонные, армобетонные, обычные и предварительно напряженные железобетонные) обладают наиболее высокими эксплуатационными качествами. Однако и они в процессе эксплуатации под воздействием нагрузок от воздушных судов и природно-климатических факторов постепенно изнашиваются, а когда напряжения и деформации, возникающие в плитах, превышают допусти­мые значения, — разрушаются.

Преждевременные разрушения покрытий могут происходить по следующим причинам:

- некачественное проектирование (неоптимальное конструирование и ошибки в расчетах покрытий, неполный учет условий местности, не­доучет роста интенсивности движения воздушных судов в перспективе);

- некачественное строительство (недостаточное уплотнение основа­ний, низкое качество материалов, нарушения требований к производст­ву бетонных работ, некачественное выполнение швов);

- неправильная эксплуатация покрытий (превышение расчетных нагрузок по их величине и повторяемости, нарушения требований к при­менению теплового и химического способов борьбы с гололедом, от­сутствие своевременного ремонта и надлежащего содержания покрытий, неудовлетворительный водоотвод).

Чаще всего разрушения и деформации покрытий являются следст­вием не одной, а целого ряда причин. В таких случаях важно выявить основную причину, что позволит принять наиболее эффективные меры по устранению повреждений и предотвращению их дальнейшего появ­ления. Особенно велико влияние температуры воздуха; воздействие сезонных, суточных перепадов температуры воздуха; количество и распределения по сезонам года осадков, промерзания грунтов, режима снегового покрова, силы, направления и продолжительности преобладающих ветров. Наибольшее влияние на сроки службы аэродромных покрытий оказывают температура и влажность окружающего воздуха, поскольку от их хода и периодичности зависят водно-тепловой режим искусственных оснований и подстилающих грунтов, температурные напряжения и деформации искусственных покрытий. К характерным деформациям и разрушениям жестких покрытий относятся: шелушение и выкрашивание поверхностного слоя бетона, образование выбоин, раковин и трещин, отколы углов и краев плит, сколы кромок, вертикальные смещения плит, разрушение стыковых соединений и заполнителей швов.

Шелушение и выкрашивание покрытия представляют собой отслаивание от поверхности плит тонких слоев бетона в виде чешуек толщиной 2—5 мм или более тонких лещадок (иногда до 30- 40 мм) и отделение (выкрашивание) мелких частиц составляющих бетона — песка,/щебня, цементного камня. Такого рода разрушения пок­рытий происходят в результате нарушения связности цементного камня и заполнителей (песка, щебня), что характерно для бетонов низкого качества, имеющих невысокие показатели адгезии цементного камня к заполнителям (прочность сцепления) . Шелушению и выкрашиванию покрытий способствует также повышенная пористость бетона, при которой поверхностный слой плит в переувлажненном состоянии не может выдержать большое число циклов замороживания и оттаивания — бетон вначале растрескивается, а затем отслаивается и выкрашивается. Невысокие прочностные свойства бетона и повышенная его пористость являются обычно следствием применения некачественных материалов и нарушения технологии бетонных работ (например, недостаточная чистота заполнителей, завышенное водоцементное отношение бетонной смеси, излишнее вибрирование смеси, неправильный уход за свежеуложенным бетоном, укладка и твердение бетона при температуре ниже 5 °С и др.).

На процесс шелушения и выкрашивания покрытий значительно влияют эсплуатационные факторы:

- многократно повторное прило­жение нагрузок от тяжелых воздушных судов (приводит к механи­ческому отделению от поверхности плит и разрушению колесами час­тиц бетона);

- действие высоких температур и напора газовых струй реак­тивных двигателей, установленных на воздушных судах и тепловых машинах (производит циклический нагрев и охлаждение поверхности бетона, а также механическое отделение от поверхности плит ослаб­ленных частиц бетона с последующим их сдуванием с участка разру­шения);

- применение противогололедных химических реагентов (ин­тенсифицируют процесс разрушения бетона при циклическом замора­живании и оттаивании).

Шелушение и выкрашивание покрытий приводят к образованию на их поверхности мелких и неравномерных неровностей, скоплению частиц песка, щебня, а также каменной и цементной пыли. На такой поверхности увеличивается влагозадержание, способствующее даль­нейшему разрушению бетона в период заморозков и оттепелей, учащают­ся случаи обледенения покрытия. Опасным является и то, что покрытия с шелушением поверхности не обладают равномерными сцепными свойствами. Процесс разрушения бетонной поверхности приводит к пос­тепенному уменьшению толщины покрытия и, следовательно, к сниже­нию его несущей способности. Постепенно развиваясь, шелушение и вык­рашивание распространяются на значительные площади покрытия, и в конечном итоге приводят к образованию раковин и выбоин, оголению арматуры (в армированных покрытиях). Продукты разрушения бетона, образующиеся в результате шелушения и выкрашивания покрытий, представляют большую опасность для работы воздушных судов, пос­кольку могут попадать в воздухозаборники реактивных двигателей.

Выбоины образуются как результат интенсификации выкра­шивания бетона с недостаточной прочностью под воздействием часто повторяющихся динамических (ударных) нагрузок от воздушных судов. Обычно они имеют вид воронкообразных круглых или оваль­ных углублений размером 5—10 см в плане и глубиной до 8—10 см. Раковины чаще всего результат применения неморозостой­ких крупных заполнителей или попадания в бетон кусков древесины, глины, кирпича, которые, быстро разрушаясь, выпадают (отделяются) из покрытия. По внешнему виду раковины схожи с выбоинами, но имеют меньшие размеры. Трещины в плитах образуются при возникновении в бетоне растягивающих напряжений, превышающих предел его прочности. По глубине проникновения в бетон они делятся на поверхностные (не распространяющиеся на всю толщину плиты) и сквозные. Ширина раск­рытия трещин может изменяться от долей миллиметра до 2—3 мм и более. Трещины с раскрытием меньше 0,1 мм называются волосны­ми. Поверхностные трещины появляются в плитах главным образом из-за усадочных и температурных напряжений. Они бывают, как прави­ло, волосными в виде паутинообразной сетки и хорошо заметны на влажном бетоне. Образованию поверхностных трещин способствуют такие факторы, как несоблюдение требований к подбору состава смеси, неправильный уход за свежеуложенным бетоном, скопление и замер­зание влаги в порах верхнего слоя покрытия и др. Поверхностные во­лосные трещины появляются также над стержнями арматуры при недос­таточном защитном слое бетона. Сквозные трещины возникают обычно от совместного действия эксплуатационной нагрузки и температурно-усадочных факторов при недостаточной несущей способности покрытия. Причины снижения несущей способности покрытия могут быть разные: недоуплотнение и переуплотнение грунтового основания, вымывание искусственного основания, уменьшение толщины плит из-за глубокого шелушения и выкрашивания поверхности и др. Сквозные трещины могут развивать­ся из поверхностных при нарастании усталостных явлений в бетоне под воздействием многократного нагружения. Сквозные трещины наиболее интенсивно развиваются в тех местах покрытия, где прилагает­ся многократно повторная колесная нагрузка — на концевых участках ИВПП, МРД. Зачастую сквозные трещины образуются также в плитах верхнего слоя двухслойных покрытий там, где проходят швы нижнего слоя (в случае несовмещения швов в верхнем и нижнем слоях). Причиной их появления является концентрация растягивающих напряжений в бе­тоне верхнего слоя над швами вследствие проявления горизонтальных и вертикальных смещений плит нижнего слоя в зоне швов. Основная опасность сквозных трещин состоит в том, что они сни­жают несущую способность бетонных и армобетонных плит и создают условия для проникновения воды через покрытие в грунтовое основа­ние. В большинстве случаев покрытия из плит с одиночными трещина­ми пригодны для эксплуатации на длительный период, если произво­дится своевременная заделка и герметизация трещин. Отколы углов и краев плит являются дальнейшим развитием трещин на этих участках под действием колесной нагруз­ки. Таким разрушениям способствует недостаточная прочность бето­на из-за плохого уплотнения, неправильная установка штыревых сое­динений в швах (с перекосом или в разных плоскостях), а также нали­чие зазоров между плитой и искусственным основанием, в результате чего углы плит работают на изгиб как консоли. Под действием нагрузки ослабленные углы и края плит, особенно если они не армированы, отка­лываются и обычно проседают или раскалываются на более мелкие части. Сколы кромок плит чаще всего происходят тогда, когда прочность бетона в поверхностном слое плит недостаточна и когда по граням плиты не снята фаска (швы не разделаны). В этом случае колеса воздушных судов легко разрушают кромки плит. Сколы кромок наблюдаются также у не полностью заполненных мастикой швов и при наличии уступов между соседними плитами. Скалываются кромки и при температурном расширении бетона, когда соседние плиты в швах сжатия с большой силой упираются друг в друга. Разрушения кромок плит приводят к нарушению ровности покры­тий и, следовательно, увеличению динамических нагрузок. Особенно опасны сколы кромок на армированных покрытиях,.так как при этом обнажаются концы верхней арматуры и она может повредить шины авиационных колес. Вертикальные смещения плит, образующие на пок­рытии неровности в виде уступов, просадок и перекосов плит, — в основ­ном результат деформационных процессов, происходящих в грунтовом и искусственном основаниях. Причинами чрезмерных деформаций осно­ваний покрытий могут быть: потеря несущей способности грунтов, не­равномерная их осадка, морозное пучение, некачественное уплотнение оснований в процессе строительства и последующее вымывание мелко­зернистых материалов из-под покрытия, неправильная установка рельсформ, некачественный монтаж сборных плит и др. Нередко также про­садка плит происходит в результате воздействия многократно повтор­ных подвижных нагрузок по одному и тому же следу, что приводит к образованию сплошного ряда просевших плит. Бывают случаи, когда просадки плит сопровождаются их проломом. Вертикальные смещения и перекосы плит создают опасные условия для эксплуатации воздушных судов. Разрушение стыковых соединений плит вызы­вается в основном действием внешних нагрузок на краевые участки, вертикальными смещениями плит и горизонтальными температурными деформациями. В шпунтовых соединениях сначала скалывается верхняя полка, а затем откалывается зуб шпунта. Штыревые соединения обычно раз­рушаются из-за установки штырей изогнутых, с перекосами и не имеющих достаточной смазки битумом. В этом случае при температурных воздействиях плиты не имеют возможности свободно перемещаться в горизонтальном направлении относительно друг друга (штыри наг­лухо соединяют соседние плиты), в результате чего при возникновении растягивающих напряжений в бетоне по границам зон установки шты­рей образуются поперечные сквозные трещины. Нередко перекосы штырей возникают вследствие их смещения при бетонировании плит. Разрушение заполнителей швов проявляется в виде выкрашивания, выплавления и выдувания заполняющего швы гермети­зирующего материала. Выкрашивание происходит под воздействием отрицательных температур воздуха, когда заполнитель теряет эластич­ность и становится хрупким. Выкрошенные частицы заполнителя легко удаляются из швов при очистке покрытий щеточными машинами, а также вымываются водой. Выплавление и выдувание заполнителя — это результат действия газовых струй реактивных авиадвигателей и тепло­вых машин. В жарких районах при высокой температуре воздуха запол­нитель может расплавляться самопроизвольно, иногда вытекая из швов в направлении уклонов покрытия. В общем случае выплавление запол­нителей происходит из-за недостаточной их температуроустойчивости.