Анализ конструктивных решений в зависимости от типа изоляционных материалов в дорожных покрытиях в многолетнемерзлых грунтах

БЕССОНОВ И.В., канд. техн. наук, гл. научн. сотр. НИИ строительной физики РААСН, Москва; ЖУКОВ А.Д., вед. научн. сотр. НИИ строительной физики РААСН, доц., канд. техн. наук НИУ МГСУ, НИУ ВШЭ, Москва; БОБРОВА Е.Ю., канд. экон. наук НИУ ВШЭ, Москва; ГОВРЯКОВ И.С.

и ГОРБУНОВА Э.А., магистранты НИУ МГСУ, инженеры НИИ строительной физики РААСН, Москва

Современное строительство, в том числе дорожное, характеризуется стремлением к реализации четырех групп задач:

1)достижение установленных нормативных требований по энергосбережению;

2)осуществление конструкций, обладающих либо нормативной, либо максимальной долговечностью;

3)внедрение методов строительства с минимальной нагрузкой на окружающую среду [1–3];

4)реализация специальных технологий в условиях нестабильных грунтов и многолетней мерзлоты с учетом существующей опасности ее деградации. Четверть суши Северного полушария покрыта такой мерзлотой. Большая её часть находится за Полярным кругом (рис.1). Существуют также локальные участки в Тибетском нагорье и других горных системах.

Считается, что арктическая многолетняя мерзлота содержит около 1,7 трлн т углерода, преимущественно в замороженном органическом веществе. Это вдвое превышает количество вещества, которое в настоящее время находится в атмосфере. Повышение температуры означает, что бóльшая часть этого материала может превратиться в углекислый газ и метан.

Если в строительстве зданий всегда имеет место поиск компромиссов между долговечностью, теплозащитой и экологичностью, то при реализации дорожных покрытий все эти факторы должны быть учтены в максимальной степени [4, 5].

Власти Северо-Западных территорий, одного из крупнейших и самых северных регионов Канады, подсчитали, что ущерб от многолетней мерзлоты даже сегодня оценивается в 41 млн долл. США в год, что составляет около 900 долл. США на одного жителя.

По мнению специалистов, повышение устойчивости мерзлых грунтов может быть достигнуто реализацией следующих мер.

Во-первых, усилением отвода тепла от грунта вблизи сооружений, нуждающихся в защите. Этого можно добиться, добавив в дорожное полотно слои пористого камня, чтобы создать конвекцию, помогающую выходу горячего воздуха. Уменьшение угла наклона насыпи также помогает, увеличивая поток ветра и уменьшая скопление снега, удерживающего тепло.

Во-вторых, это обеспечивается ограничением потребление тепла землей, т. е. изоляцией дорожных насыпей посредством их повышения, а также увеличения отражательной способности поверхностей с твердым покрытием для минимизации количества поглощаемой солнечной радиации.

В-третьих, земля может быть укреплена для создания лучшего опирания. Один из способов достижения этого – замена слоя многолетней мерзлоты более устойчивыми материалами, другой способ – оттаивать мерзлоту контролируемым способом, а затем строить на этом консолидированном слое.

В суровых условиях многолетней мерзлоты создание теплоизоляции позволяет сохранять многолетнемерзлые грунты в естественном со- стоянии, что предотвращает оттаивания и исключает просадки земляного полотна, т.е. обеспечивает стабильную и надежную работу основания земляного полотна, сооружаемого в условиях распространения многолетней мерзлоты.

Условия работы теплоизоляции в конструкциях, контактирующих с грунтом, предъявляют к ней определенные требования [6, 7].

 Тепло- изоляция должна:

• •сохранять функциональную эффективность под воздействием влаги, знакопеременной температуры и агрессивных вод в течение всего периода эксплуатации дороги;
• •быть морозостойкой, биостойкой и нетоксичной, иметь высокую эксплуатационную стойкость и обладать технологичностью в работе;
• •выдерживать нагрузки, возникающие при укладке и уплотнении вышележащих слоев дорожного покрова, вышележащих слоев насыпи и от движения транспорта.

Применение теплоизоляции на основе экструдированного пенополистирола (рис. 2) позволяет формировать соответствующее этим требованиям изоляционное основание. В этом случае при использовании плит неизбежно наличие стыков между ними. 

Во-первых, это соз- дает «мостики теплопередачи», через которые атмосферное тепло может воздействовать на мерзлый грунт, или атмосферный холод может воздействовать на грунт, подверженный пучению. 

Во-вторых, песок основания и материал верхней отсыпки, попадая в стыковочные швы, раздвигают плиты и усугубляют процессы теп- ло- и массопереноса на стыках плит. Решением этой проблемы может быть использование бесшовных изоляционных оболочек на основе пенополиэтилена, что в настоящее время является предметом научного анализа.

Срок службы дорожного покрытия определяется совокупностью нескольких факторов.

Во-первых, это тип дорожной конструкции, в том числе конструкция основания и тип дорожной одежды (покрытия), и устройство внутренних слоев, воспринимающих нагрузки и передающих эти нагрузки на грунт основания.

Во-вторых, это тип грунта основания, его состояние и устойчивость, в том числе – наличие многолетней мерзлоты, заболоченных участков, верховодки и пр. В-третьих, это качество дорожных работ, т. е. исполнение всех нормативных требований к этим работам.

В наибольшей степени требованиям к изоляции дорожных оснований соответствует пеностекольный щебень. Щебень из пеностекла – это засыпной утеплитель (рис. 3). Он используется как засыпка для утепления фундаментов мало- этажных зданий, кирпичных стен колодцевой кладки или кладки Герарда, а также укрепления слабых грунтов и подбалластного слоя дорожного покрытия. Щебень из пеностекла, произведенный на специализированных линиях, имеет насыпную плотность от 120 до 200 кг/м3 и зерна – крупностью 40…60 мм.

В качестве сырья для производства пеностекла используют переработанное стекло, полученное из бутылочного боя, бракованных автомобильных стекол и боя стеклопакетов. Наибольшее применение в производстве пеностекла нашли стекла, синтезируемые в системах SiO2 – Al2O3 – MgO – CaO – R2O и SiO2 – В2O3 – MgO – CaO –R2O. 

Можно заключить, что алюмосиликатные и алюмоборосиликатные стекла наиболее полно удовлетворяют требованиям к качеству пеностекла. В России для получения теплоизоляционного пеностекла чаще всего используется стекломассы, по химическому составу близкие к алюмомагнезиальному стеклу [8–10].

Анализ применения пеностекольного щебня показывает, что около 30 % приходится на кровли и порядка 40 % – на стилобаты. Остальной объем используется в ландшафтном дизайне, дорожном строительстве, в капитальном ремонте много- квартирных домов и в фундаментах. 

Прогноз показывает, что благодаря своим свойствам, при благоприятных обстоятельствах пеностекольный щебень за период 2020–2022 гг. займет более 2 % общего рынка теплоизоляционных материалов и составит не менее 1 млн м3. За рубежом пеностекольный щебень применяется в дорожных системах с середины 1980-х годов. Эти технологии наиболее распространены в скандинавских странах: Финляндии, Швеции, Норвегии.

В результате проведенного анализа установлено, что материалы, используемые в системах дорожной изоляции, должны соответствовать определенным требованиям, таким как низкая теплопроводность и водопоглощение, высокая стойкость к воздействию агрессивных сред и биологической коррозии, высокая морозостойкость и прочностные показатели. Пред- полагается возможным применение щебня из вспененного стекла в качестве изоляции для дорожного полотна.

1.Жук П.М., Жуков А.Н. Нормативно-правовая база экологической экспертизы строительных материалов: перспективы совершенствования // Экология и про- мышленность России. – 2018. – №4. – С. 52-57.

2.  Zhukov A., Medvedev A., Poserenin A., Efimov B. Ecological and energy efficiency of insulating systems 03070 // E3S Web of Conferences. – 2019. – Vol. 135 (ITESE-2019). Published online: 04 December 2019. URL: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202125809088. – Режим доступа:https://www.researchgate.net / publication/337734229_Ecological_and_energy_ efficiency_of_insulating_systems (дата обращения 01.03.2022).

3.Zhukov A., Bessonov I., Medvedev A., Zinovieva E., Mednikova E. Insulation systems for structures on pile supports / E3S Web of Conferences 258(361):09088. January 2021URL: https://doi.org/10.1051/ e3sconf/202125809088. – Режим доступа: https://www.e3s-conferences.org/articles/e3sconf/ pdf/2021/34/e3sconf_uesf2021_09088.pdf (дата обращения 01.03.2022).

4.  Шубин И.Л., Умнякова Н.П., Бессонов И.В., Спи- ридонов А.В. Перспективы применения материалов и изделий из пеностекла в системах тепловой изоляции // Бюллетень строительной техники (БСТ). – 2017. – №6. – С. 12-14.

5.  Rumiantcev B.M., Zhukov A.D., Zelenshikov D.B., Chkunin A.S., Ivanov K.K., Sazonova Yu.V. Insulation systems of the building constructions / MATEC Web of Conferences. – 2016. – Vol. 86. – URL: DOI: http:// dx.doi.org/10.1051/matecconf / 20168604027. – Режим доступа:https://www.matec-conferences. org/articles/matecconf/pdf/2016/49/matecconf_ ipicse2016_04027.pdf (дата обращения 01.03.2022).

6.  Семенов В.С., ТерЗакарян К.А., Бессонов И.В., Жуков А.Д., Зиновьева Е.А. Опыт применения вспененного полиэтилена в системах изоляции конструкций, работающих под нагрузкой// Изв. вузов. Строительство. – Новосибирск. – 2021.– №2 (746). – С. 120-129.

7.  Ter-Zakaryan K.A., Zhukov A.D., Bobrova E.Yu., Bessonov I.V., Mednikova E.A. Foam Polymersin Multifunctional Insulating Coatings// Polymers. – 2021. – No13(21), P. 3698. – URL: https://doi.

org/10.3390/polym13213698. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34771255/ (дата обращения 01.03.2022).

8.  Zhukov A.D., Bobrova E.Yu., Popov I.I., Demissie Bekele Ⱥrega. System analysis of technological processes

//International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. – 2021. – No 17(4)/ – Pp. 73–82. – URL: DOI:10.22337/2587-9618-2021-17-

4-73-82.Режим доступа: https://www.researchgate. net/publication/357428106_SYSTEM ANALYSIS OF_TECHNOLOGICAL_PROCESSES (дата обращения 01.03.2022).

9.Бессонов И.В., Лесовик В.С., Алексеев С.В., Вай- сера С.С. Управление структурой и свойствами акустических материалов на основе пеностекло- композитов // Строительные материалы. – 2018. –

№6. – С. 41-45.

10.  Шутов А.И., Мосыпанов В.И., Воля П.А. Пено- стекло как эффективный строительный материал // Современные проблемы строительного материа- ловедения: Материалы III Междунар. науч.-практ. конф. – школы-семинарии молодых ученых, аспиран- тов и докторантов – Белгород: Изд-во БЕЛГТАСМ, 2001. – Ч.1. – С. 130-133.