Современное мостостроение в России
Мостостроение является одним из важнейших направлений инфраструктурного развития нашей страны. России нужны как дороги, так и современные надежные мосты, способные обеспечить безопасное и комфортное движение транспорта.
Сегодня отечественные архитекторы при строительстве мостов применяют новейшие инженерные решения, технологии и материалы. Их проекты становятся не просто функциональными элементами инфраструктуры, но и выглядят как настоящие произведения архитектурного искусства, украшающие облики российских городов.
Современные технологии возведения мостов
В сравнении с другими строительными отраслями мостостроение и по сей день остается одним из самых консервативных направлений. Это вызвано не столько отсутствием новшеств (они, безусловно, есть), сколько долгим согласованием, внедрением и проверкой любых новых решений. Безопасность по-прежнему стоит в приоритете.
Материалы
И все же положительные изменения есть. И в первую очередь они заметны в области используемых материалов.
Бетон
Еще 20 лет назад базовым стройматериалом являлся бетон. Он имел два неоспоримых преимущества: прочность и долговечность. Дополнительным бонусом шли универсальность, относительная дешевизна и низкие затраты на техническое обслуживание
Бетон может принимать различные формы, что позволяет реализовать любые архитектурные решения. Он до сих пор является одним из наиболее доступных строительных материалов в плане цены, особенно при наличии близлежащих источников сырья. И наконец, бетонные мосты требуют меньших затрат на ремонт и содержание, в сравнении с конструкциями из других материалов.
Главным недостатком материала является его тяжеловесность. Массивные бетонные мосты оказывают значительную нагрузку на грунт, что при определенных условиях усложняет их возведение. Например, при строительстве бетонного моста через реку для повышения судоходности нередко требуется увеличить длину пролетов между опорами. Именно вес конструкции становится основным препятствием для реализации этой идеи.
Сверхлегкий бетон
Сверхлегкий бетон — это специальный вид бетона, который обладает более низкой плотностью по сравнению с обычным бетоном. Благодаря этому существенно снижается нагрузка на фундаменты и опоры мостов.
Несмотря на низкую плотность, за счет применения специальных добавок и армирования сверхлегкий бетон обладает достаточно высокой прочностью на сжатие (до 60 МПа). То есть снижение общего веса конструкции происходит не за счет ущерба ее прочности.
Также стоит отметить устойчивость к воздействию агрессивных факторов окружающей среды. Легкий бетон коррозиестоек. К тому же малый вес материала значительно облегчает транспортировку и монтаж.
Нанокомпозиты
Нанокомпозитные материалы привлекают своими отличными эксплуатационными характеристиками. В чистом виде это добавки вроде молибдена и ванадия. При введении их в состав стальной арматуры они усиливают ее прочность, повышают стойкость к воздействию внешних температур.
Как известно, низкие температуры воздействуют на микроструктуру этого материала, делая его более хрупким. Добавление в состав нанокомпозитов решает эту проблему. Из такой стали изготавливается арматура, отдельные элементы моста, сварные конструкции.
Нанокомпозиты могут вводиться в состав бетона или использоваться в процессе сварки. Например, присадки, содержащие кальций и магний, уменьшают размер ферритных и цементитных фаз стали, делая соединение более прочным и долговечным
Стеклопластик
Стеклопластиковые конструкции значительно легче традиционных железобетонных или металлических аналогов. Это позволяет снижать нагрузки на мостовые опоры и фундаменты. К тому же стеклопластик устойчив к коррозии, старению, истиранию и внешним воздействиям.
Благодаря малому весу (менее 20% от веса железобетона) и модульной конструкции, стеклопластиковые элементы мостов легче транспортировать и собирать на объекте. Первый автомобильный мост из стеклопластика был возведен в России еще в 2014 году. С тех пор материал все чаще применяют в российском мостостроении в качестве альтернативы ряда железобетонных элементов.
Однако инновационными решениями изобилует не только материалы.
Префабрикация
Современные мостостроение все чаще использует метод префабрикации. Его суть заключается в переносе части строительных процессов на завод, где заранее изготавливаются конструкции или их отдельные части, которые затем доставляются на строительный объект.
Такой подход позволяет:
- сократить сроки строительства;
- повысить качество изготовления за счет использования сверхлегких материалов;
- снизить затраты;
- уменьшить зависимость от погодных условий (на сборку в заводских условиях не влияет погодный фактор);
- повысить безопасность (снижаются риски, связанные с работой строителей на высоте).
Именно использование новых композитных материалов предоставило возможность чаще использовать метод префабрикации. Уменьшение веса конструкций, узлов и отдельных мостовых элементов позволило обеспечить их последующую транспортировку к объекту, что в случае с железобетоном не представлялось возможным.
Чаще всего на заводах, собирают следующие виды префабрикатов:
- пролетные строения мостов;
- опоры и фундаменты;
- подпорные стены;
- парапеты и ограждения;
- дорожные плиты.
Использование метода префабрикации позволяет значительно повысить эффективность строительства мостовых сооружений.
Новейшая техника
Инновационные технологии мостостроения сложно представить без использования новейшей прогрессивной техники. Одним из таких примеров является гигантский мостоукладчик SLJ900/32.
Это уникальная китайская разработка, предназначенная для быстрого возведения больших мостовых пролетов. Мостоукладчик был создан компанией Wowjoint Machinery специально для проекта возведения группы мостов при строительстве дороге из Пекина в Монголию.
Вес машины — 580 тонн. Длина — 90 метров, высота — 9, а ширина — более 7. Мостоукладчик может осуществлять работу с бетонными блоками массой до 9 тысяч тонн. Его конструкция состоит из огромной самоходной стрелы, установленной на специальном шасси с 48 колесами. Стрела способна поворачиваться на 360 градусов.
Интересен и принцип работы мостоукладчика SLJ900/32:
- Предварительно на разных концах будущего моста устанавливаются опоры.
- Мостоукладчик подъезжает к началу пролета и поднимает с помощью стрелы огромные сборные секции моста весом до 1800 тонн.
- Аккуратно перемещая стрелу, мостоукладчик устанавливает эти секции на опоры, формируя пролет.
Таким образом, SLJ900/32 может сооружать мостовые пролеты длиной до 300 м.
Использование мостоукладчиков значительно сокращает время строительства моста, позволяет сэкономить на трудоресурсах, дает возможность возводить мостовые сооружения в труднодоступных районах. В России только присматриваются к использованию мостоукладчиков, производя все работы, связанные с возведением мостов традиционным методом с помощью кранов.
Новые методы мониторинга
Ключевым фактором, обеспечивающими безопасность и надежность мостов, является мониторинг процесса их возведения.
Для этого устанавливаются датчики для отслеживания деформаций, напряжений, нагрузок и вибрации, проводятся регулярные инспекции по оценке состояния ключевых элементов, контролируется воздействие внешних факторов.
В последние годы все чаще применяются БПЛА, которые позволяют получать визуальную информацию с труднодоступных или опасных для человека участков конструкции. Аппараты также используются для регулярной высокочастотной съемки, позволяющей отслеживать ход строительных работ и изменения в состоянии конструкций. На основе материала создаются 3D-модели и ортофотопланы, которые помогают строителям точно оценить геометрические параметры моста.
Применение БПЛА существенно повышает эффективность контроля за ходом строительства, обеспечивая высокую точность, безопасность и оперативность обследований.
Инновационные конструктивные решения
Если говорить о конструктивных решениях, то первое, что приходит на ум – это участившееся строительство висячих и вантовых мостов для больших пролетов.
Первые представляют собой конструкцию с основным несущим элементом в виде гибких железобетонных кабелей, подвешенных между опорами. Они образуют параболическую или каскадную форму, поддерживая проезжую часть моста. Главными преимуществами таких сооружений является минимальный расход материалов, эстетичность и возможность преодоления очень больших пролетов (до 2000 м).
Вантовый мост состоит из высоких пилонов, от которых к проезжей части отходят наклонные стальные тросы-ванты. Они воспринимают нагрузку и передают ее на пилоны, обеспечивая жесткость конструкции. Русский мост во Владивостоке является примером удачного возведения подобной инженерной конструкции.
Инновации заметны и в сфере традиционного мостостроения. Здесь инженеры активно работают над эффективными конструкциями опор, способными противостоять сейсмическим нагрузкам и экстремальным воздействиям.
Отдельно стоит упомянуть применение шок-трансмиттеров. После решения строить Крымский мост, возник резонный вопрос о возможной сейсмической и динамической нагрузке на конструкции сооружения. Трансмиттеры, установленные между опорами и пролетами моста, обеспечивают небольшое смещение последних при воздействии высоких температур и равномерно распределяют нагрузку между опорами при землетрясении.
Основные этапы строительства
Процесс возведения моста требует тщательного планирования. Поэтому любая стройка начинается с предпроектных исследований. Как правило, они включают инженерно-геологические изыскания, оценку гидрологических условий и предварительные расчеты нагрузок и прочности.
Специалисты изучают топографические карты района, геологические отчеты, оценивают рельеф, гидрогеологические условия, строение грунтов. Также возможно проведение геофизических исследований и испытание грунтов (статическое и динамическое зондирование, пробные нагрузки).
Проектирование
При создании проекта сначала разрабатывается конструктивная схема моста. Определяется тип мостового сооружения (балочный, арочный, висячий, вантовый), его высота, длина моста и пролетов, тип и конструкции опор.
На этапе проектирования подбираются материалы, производится расчет и проектирование фундаментов и опор. Обязательно разрабатывается проектная и рабочая документация.
Начало работ
Подготовительный этап начинается с расчистки и планировки строительной площадки, устройства подъездных путей и временных сооружений. Дополнительно организуются складские и бытовые помещения.
Тип фундамента определяется еще на этапе проекта. В зависимости от условий грунта это может быть ленточный, свайный, плитный или буронабивной фундамент. Далее следуют работы по возведению опор (бетонных, металлических или комбинированных) или установка анкерных систем для висячих и вантовых мостов. Все зависит от того какая конструкция возводится.
Монтаж пролетных строений или установка вант
Сборка металлических или железобетонных ферм может осуществляться как на месте стройки объекта, так и непосредственно на заводе-изготовителе. После их закрепления начинается этап монтажа пролетов (чаще всего методом надвижки). По окончании настилается дорожное полотно, устанавливаются перила и ограждения.
При возведении вантовых конструкций монтируются высокопрочные тросы, натягиваются и закрепляются на опорах кабели, а вантовые элементы присоединяются к пролетным строениям.
Завершающие работы
На заключительном этапе строятся подходы к мосту, организуется освещение, наносится дорожная разметка, устанавливаются знаки.
Обязательно проводятся пусконаладочные работы, статические и динамические нагрузочные испытания.
Проблемы современного мостостроения
Одной из базовых проблем мостостроения в России всегда были сложные геологические и климатические условия. На внушительной части нашей страны присутствуют вечномерзлые, заболоченные, заторфованные и другие виды неустойчивых грунтов.
Ряд регионов характеризуется сейсмической активностью. Погоду определяет континентальный климат с перепадами температур, заморозками и оттепелями. Кроме того, большинство рек зимой замерзает, а, как известно, ледообразование требует дополнительной защиты мостовых конструкций. Возведение мостов в таких условиях существенно усложняет работу инженеров и увеличивает стоимость строительства.
Вторая проблема, связана с возведением вантовых мостов. В России отсутствует национальный стандарт по их проектированию. В связи с этим возникают вопросы, связанные с безопасностью эксплуатации самих мостов, долговечности используемых материалов. Отсутствие единых принципов и методов проектирования вантовых мостов усложняет их строительство и эксплуатацию и мешает оптимизировать затраты, связанные с организацией строительства.
Также в России нет стандарта по использованию несъемной сталефибробетонной опалубки при возведении пролетов монолитного типа. Сталефибробетон известен своей повышенной трещиностойкостью. К тому жен он позволяет сократить сроки работ и трудозатраты на проект. Бетон этого вида применяется в мостостроении для увеличения несущей способности и повышения устойчивости к деформациям.
Недостаток производства полимерных композиционных материалов – тоже является одной из проблем современного мостостроения. Их дефицит ограничивает возможность использования новейших конструкций и форм мостовых сооружений, увеличивает сроки строительных работ в сравнении с другими странами.
Импортозамещение в строительстве мостов
Международные санкции достаточно сильно повлияли на сферу российского мостостроения. Рынок покинула американская компания «Maurer», производившая деформационные швы, норвежские и немецкие производители антикоррозийных системы защиты. Однако им на место пришли российские компании с менее известными именами, но качественной продукцией, которая почти не уступает импортным аналогам.
У ряда строительных организаций возникли проблемы с обслуживанием уже имеющейся спецтехники «New Holland», «JCB», «Liebherr», «Bauer». Решением стали поставки деталей и техники через ОАЭ, Казахстан и Армению. Конечно, цена закупок и сроки поставок увеличились, но не то, чтобы очень критично.
Большой выбор мостостроительной техники предлагает Китай. При этом в плане качества и надежности спецтехника из Поднебесной мало в чем уступает европейцам и американцам. Российские производители также увеличили выпуск буровых установок, гидроподъемников и автовышек.
Оснащение для вантовых мостов долгие годы закупалось в Швейцарии и Франции. Например, ванты для знаменитого Русского моста во Владивостоке поставляла французская компания Freyssinet. В настоящее время мостовые канаты закрытого типа производятся на российском предприятии «Северсталь», а системы преднапряжения выпускаются компанией «СТС» (Современные Технологии Строительства).
Выпуск шпунтовых свай налажен на предприятиях концерна «Северсталь». Холодногнутые шпунты позволяют снизить стоимость строительства почти на 30%, а многогранные можно использовать даже в Арктической зоне.
Инновационные проекты
Одним из самых амбициозных и обсуждаемых проектов является массовое возведение алюминиевых мостов. В Европе подобные искусственные сооружения возводятся с 1990 года, в России первый алюминиевый мост был построен еще в 1969 году в Ленинграде. При этом последние его исследования показали, что даже спустя более чем полвека, ни его несущая способность, ни отдельные элементы не пострадали.
С 2017 года в России было возведено несколько пешеходных мостов, однако к строительству автодорожных видов еще не приступили. Их возведение требует модернизации нормативной базы. Так, в 2019 году Минстрой РФ принял по алюминиевым мостам свод правил СП 443.1325800.2019, теперь же изменений ждут своды и нормативы, регулирующие процессы монтажа и обследования.
Строительство алюминиевых мостов в России активно поддерживается на государственном уровне как эффективный способ развития инфраструктуры в труднодоступных районах и на территориях Арктической зоны.
Неровностей больше нет
В массовом и индивидуальном строительстве и при ремонте помещений все активнее становятся востребованными быстротвердеющие наливные полы.
Для укладки напольного покрытия почти всегда требуется наличие ровного основания. Однако в силу различных причин таким оно может быть не всегда. До недавнего времени избавляли от неровностей оснований только стяжки. Но сейчас все более активно используются быстротвердеющие наливные полы.
В отличие от классических ровнителей (бетонных и цементных стяжек), наливные полы – самовыравнивающиеся. То есть нет необходимости вручную тщательно выравнивать их по поверхности. Наливные полы служат базовым основанием для линолеума, ламината, паркета и т. д. Применяются как в массовом, так и индивидуальном жилищном строительстве.
Наливные полы, как отмечают в компании Kiilto, различаются в зависимости от напольного покрытия, которое планируется укладывать в дальнейшем. Соответственно, они имеют и разный состав. Есть чисто гипсовые – мягкие, предназначенные для укладки листовых материалов сверху, есть цементные – более прочные, подходящие для укладки паркета, паркетной доски и др. Есть комплексные ровнители – более универсальные, пригодные практически под любые напольные покрытия. Чаще всего они используются для укладки гибких материалов или ламината.
По словам руководителя направления «Стройматериалы» компании «Леруа Мерлен» Алексея Шамова, наливной пол чаще применяют для создания выравнивающего слоя толщиной до 5 см. При этом в инструкции к данному материалу может быть указана допустимая толщина слоя от 0,3–2 мм до 100 мм. Однако это не означает, что он подходит для укладки толстым слоем в 10 см. Это значит, что при заделывании трещины в поверхности наливной пол может проникать на большую глубину. Кроме того, создание толстого слоя наливного пола экономически невыгодно и технологически очень сложно.
Как сообщили в Kiilto, чтобы добиться идеального покрытия, необходимо знать прочность и влажность основания. По прочности оно не должно быть слабее ровнителя, который планируется использовать.
По мнению экспертов, чаще всего к неудовлетворительному результату использования наливных полов приводит не их качество, а распространенные ошибки при укладке. Так, эти материалы очень требовательны к точности пропорций при смешивании с водой. При переливе воды весь наполнитель опускается вниз, а наверху остается одна вода. В этом случае пол будет сохнуть очень долго и потрескается. Также необходимо тщательно грунтовать основание в тех местах, где будет задействован материал.
«При большой площади заливки необходимо разделять участки на секции и устанавливать мини-опалубку, которая зонирует поверхность. Если этого не сделать, то при большом объеме площадей можно не успеть залить весь пол целиком. Может сложиться ситуация, при которой часть пола высохла, а другая только начала сохнуть. Однако в Интернете можно найти все необходимые инструкции, и создание качественного выравнивающего слоя вполне доступно даже людям без опыта», – резюмирует Алексей Шамов.
Бетонные предпочтения
По оценке экспертов, в СЗФО в строительной отрасли наиболее востребованы добавки в бетон на основе поликарбоксилатов.
Они эффективно повышают качество бетонной смеси и снижают объемы задействованного
цемента.
В настоящее время добавки в бетон имеют сотни разновидностей. При необходимости они улучшают характеристики бетонной смеси. В СЗФО производители бетона чаще всего задействуют в продукции добавки на основе поликарбоксилатов. Именно они, взаимодействуя с другими компонентами бетонной смеси, обеспечивают наиболее высокие качественные характеристики итогового продукта.
Ориентация под спрос
По словам руководителя направления «Добавки в бетон» Корпорации ТехноНИКОЛЬ Василия Шрамко, для ответа на вопрос о предпочтениях потребителей добавок в бетон необходимо рассматривать каждый сегмент рынка отдельно. «Остановимся, пожалуй, на самом массовом – это пластификаторы. Так, например, в СЗФО и ЦФО порядка 65% всего объема добавок приходится на товарный бетон с повышенными требованиями к сохраняемости подвижности. С этой задачей наилучшим образом справляются добавки на основе смеси поликарбоксилатов и технических лигносульфонатов (ЛСТ), находящиеся в среднем ценовом диапазоне», – отмечает он.
При этом, добавляет эксперт, эффективность поликарбоксилатных основ прямо пропорциональна качеству заполнителей, применяемых для производства бетона. При этом в ЦФО и СЗФО достаточно широко представлены именно качественные материалы. Исходя из этого, использование достаточно дорогих поликарбоксилатов здесь не только эффективно, но и экономически целесообразно.
Схожие выводы делает и руководитель научно-технического центра компании «Полипласт Северо-Запад» Игорь Коваль. Он отмечает, что для наиболее используемых товарных бетонов классов В25-В30 востребованы добавки-пластификаторы различных типов, обеспечивающие базовые с точки зрения строителей показатели в смеси, а затем в бетоне конструкций. По словам эксперта, в нашем регионе строители чаще всего используют поликарбоксилаты без ЛСТ или с ограниченным использованием ЛСТ. Такие добавки обладают отличными показателями по сохраняемости смеси не менее 120–180 минут в пределах ОК (осадка конусов) на уровне 16–20см.
«Среди востребованных добавок "Полипласт Северо-Запад" можно отметить "Линамикс ПК тип 2" (№ 800), "Линамикс ПК тип 1" (№ 814), изготовленные на поликарбоксилатах собственного синтеза. Следует отметить, что наш холдинг не стремится в угоду конъюнктуре рынка часто изменять названия собственных продуктов. Под традиционными торговыми наименованиями, например, "Линамикс ПК тип 2" или "Линамикс ПК тип 1", в настоящее время представлены абсолютно новые продукты на новейшем поколении поликарбоксилатов со структурообразующими присадками, решающие все перечисленные технические задачи», – добавил Игорь Коваль.
И все же экономия
Руководитель направления «Добавки в бетон» по СЗФО строительного подразделения Master Builders Solutions концерна BASF Дмитрий Рыжов считает: говорить о том, что строители выбирают добавки, не совсем корректно. Обычно речь идет о выборе завода поставщика бетона, который уже сам определяет поставщика добавок. Зачастую рядовые строители даже не знают всех возможностей современной строительной химии и не вдаются в подробности состава бетона. Основной фактор – цена «куба» бетонной смеси.
По его мнению, если говорить про российские заводы товарного бетона в целом, то там по-прежнему преобладают дешевые продукты на основе лигносульфонатов и «нафталинов». «Эффективность их работы зачастую вызывает нарекания у строителей, но низкая цена не позволяет отказаться от их применения. Тем не менее все больше и больше предприятий начинают применять добавки на поликарбоксилатах и полиарилатах. Применение современной химии на предприятиях железобетонных изделий позволяет не только снизить расход цемента при сохранении темпа набора прочности, но и добиться хорошей поверхности получаемых изделий», – говорит Дмитрий Рыжов.
В перспективе, считает Игорь Коваль, спрос на те или иные добавки во многом будет зависеть от общего состояния экономики. В частности, от того, смогут ли застройщики позволить себе вместо массовых В25-В30 использовать высококачественные бетоны повышенных классов В40-В50. При этом, по его мнению, с учетом современных требований по долговечности конструкций переход на эти виды бетонов в перспективе в любом случае неизбежен.
«Добавки для ответственных железобетонных конструкций будут выпускаться, безусловно, на основе поликарбоксилатов без лигносульфонатов, для сектора с меньшей ответственностью, возможно, останутся добавки, содержащие ЛСТ. К тому же продукты на новых пластификаторах уже обеспечивают существенно лучшую категорию поверхности до А1/А2, что немаловажно с потребительской и эстетической точек зрения. Я также надеюсь на повышение стабильности и качества поставляемого на рынок цемента, потому что скачки его минералогического состава и технологических свойств вызывают серьезные проблемы с сохраняемостью смесей, появлением трещин, неполучением параметров морозостойкости дорожных и аэродромных бетонов. В целом это основная проблема современных потребителей цемента – и нас в том числе», – сообщил Игорь Коваль.
Мнение
Василий Шрамко, руководитель направления «Добавки в бетон» Корпорации ТехноНИКОЛЬ:
– В ряде российских регионов ситуация с заполнителями бетонной смеси сильно отличается от сложившейся в СЗФО и ЦФО. Зачастую в виде крупного заполнителя у них используется щебень известковых пород и песок с модулем крупности 1,5 и ниже. Для сравнения: средний показатель модуля крупности песков по ЦФО и СЗФО составляет 2,2–2,3. Кроме того, стоимость «куба» бетона в других регионах заметно ниже. В таких условиях производители бетона отдают предпочтение дешевому классу добавок на основе ЛСТ и полинафталинметиленсульфоната натрия, поскольку эта группа пластификаторов гораздо менее прихотлива к качеству заполнителей.