Проектные решения и моделирование температурных полей в системах теплоизоляции в основаниях автомобильных дорог в многолетнемерзлых грунтах

БЕССОНОВ И.В., канд. техн. наук, гл. науч. сотр., НИИ строительной физики РААСН, Москва; БОБРОВА Е.Ю., канд. экон. наук, НИУ ВШЭ, Москва; АГАФОНОВА Н.З., преподаватель НИУ МГСУ, Москва; ГОВРЯКОВ И.С. и ГОРБУНОВА Э.А., магистранты НИУ МГСУ, инженеры НИИ строительной физики РААСН, Москва

Щебень из пеностекла, произведенный на специализированных линиях, имеет насыпную плотность от 120 до 200 кг/м3 и зёрна крупностью 40…60 мм. В качестве сырья для производства пеностекла используют переработанное стекло, полученное из бутылочного боя, бракованных автомобильных стекол и боя стеклопакетов. В России для получения тепло- изоляционного пеностекла чаще всего используется стекломассы, по химическому составу близкие к алюмомагнезиальному стеклу. За рубежом пеностекольный щебень применяется в дорожных системах с середины 80-х годов прошлого века. Эти технологии наиболее рас- пространены в скандинавских странах: Финляндии, Швеции, Норвегии. При этом продолжительность зимнего периода, а также наличие пучинистых грунтов в регионах РФ восточнее Урала предъявляют к дорожным конструкциям особенные требования.

Расчет температурных полей проведен с использованием компьютерной программы THERM, основанной на конечно-элементном методе [1-3]. По итогам проведения и обработки результатов экспериментов определены прочностные характеристики насыпной теплоизоляции и значения коэффициента теплопроводности при различных степенях уплотнения. Предложены проектные решения изоляции дорожных систем на проблемных грунтах и получена оценка этих решений с помощью моделирования температурных полей в теле дорожной насыпи.

Исследования сорбционных свойств по- казали разницу между набором массы при адсорбции и интенсивность высыхания – десорбции щебня из пеностекла. На графике (рис. 1) показан гистерезис сорбции материала. За значение влажности щебня из пеностекла при 100% относительной влажности условно принята влажность материала по массе после полного погружения в воду на 24 ч с последующим выдерживанием на воздухе 24 ч (температура 23±2 °С и относи- тельная влажность воздуха 97%). Отметим, что гистерезисный характер сорбции-десорбции присущ другим видам высокопористых материалов и объясняется условиями формирования полимолекулярных слоев на поверхностях минеральной матрицы в открытых, полузакрытых и замкнутых порах вещества [4].

По полученным значениям определены зависимости влажности и теплопроводности, коэффициент приращения теплопроводности на каждый процент влажности, а также назначены расчётные значения теплопроводности щебня из пеностекла для условий эксплуатации (табл. 1). Полученные результаты позволили обосновать применение пеностекольного щебня в изоляционных слоях конструкции дорожного покрытия, устраиваемого на проблемных грунтах, в том числе и на многолетней мерзлоте, пучинистых грунтах и др.

Системы дорожной изоляции проектировали с учетом принципов укладки морозозащитных слоев в конструкциях дорожных одежд. Тепло- изоляционные слои в теле насыпи в условиях распространения мерзлотности грунта в первой дорожно-климатической зоне (ДКЗ) укладываются с целью сохранения грунтов в твердомерзлом состоянии на весь срок эксплуатации дороги и исключения просадок насыпи на оттаивающих мерзлых грунтах.

На проблемных основаниях (пучинистых участках магистралей) с целью снижения глубины промерзания до допустимых норм и исключения процессов морозного пучения в грунтах насыпи и естественного основания теплоизоляционные (морозозащитные) слои укладываются в основаниях дорожных одежд и под балластной призмой.

Дорожная конструкция с теплоизоляционным слоем из пеностекольного щебня в верхней части тела насыпи, с теплоизоляцией откосной части, с сохранением мерзлотного состояния грунта и замороженным телом насыпи представлена на рис. 2.

Проведены предварительные расчеты распределения температурных полей в основании условной дорожной конструкции на многолетнемерзлых грунтах с теплоизоляционным слоем из пеностекольного щебня. Расчеты реальных конструкций необходимо проводить с учетом условий строительно-климатической зоны строительства по СП 131.13330.2012.

Моделирование и расчет температурных по- лей для конструкций различного типа (см. рис. 2) позволил смоделировать их режим промерзания. Имитация промерзания на моделях показала, что глубина промерзания в дорожной конструкции с теплоизоляционным слоем из крупного песка толщиной 0,3 м составляет 2,6 м. Применение в аналогичной дорожной конструкции с тепло- изоляционным слоем из пеностекольного щебня толщиной 0,25 м позволяет ограничить глубину промерзания 0,2 м.

Анализ применения дорожных конструкций с теплоизоляцией из пеностекольного щебня и результаты моделирования тепловых полей в изоляционных системах показали, что устройство дорожных оснований с такой теплоизоляцией позволяет получать функционально реализуемые конструкции с высокой долго- вечностью. В частности, в системах изоляции дорожного полотна, обеспечивающих снижение глубины промерзания дорожной насыпи и создание ядра жесткости в теле насыпи. Особенно это касается устройства дорожного плотна на проблемных грунтах – многолетнемерзлых и пучинистых.

1.Funk M. Hysteretic moisture properties of porous materials: Part 1: Thermodynamics // Journal of building physics. – 2014. – Vol. 38. – № 1. – Р. 6-49.

2.  Петухова Р.В., Генералчик Н.И. Пеностекло // Стекло мира. – 2004. – № 6. – С. 89-92.

3.Иванов К.С., Коротков Е.А. Исследование воздействия слоя гранулированной пеностеклокерамики на темпера- турный режим промерзающего грунта // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 2017. – № 5. – С. 32-37.

4.  Zhukov A., Shokodko E. Mathematical Methods for Optimizing the Technologies of Building Materials / In: Popovic Z., Manakov A., Breskich V. (eds) VIII International Scientific Siberian Transport Forum. TransSiberia 2019. Advances in Intelligent Systems and Computing. Vol. 1116. Р. 413-421. Springer, Cham. First Online 31 January 2020.