Применение пеностекла для регулирования теплового режима грунтов в сложных климатических условиях

Клочков Яков Владимирович; Непомнящих Евгений Владимирович; Линейцев Владимир Юрьевич

УДК 624.139.26

Клочков Яков Владимирович Yakov Klochkov

Непомнящих Евгений Владимирович Evgeniy Nepomnyaschikh

äl

Линейцев Владимир Юрьевич Vladimir Lineytsev

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕНОСТЕКЛА ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГРУНТОВ В СЛОЖНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

THE USE OF FOAM GLASS FOR REGULATING OF THERMAL REGIME OF SOILS IN DIFFICULT CLIMATIC CONDITIONS

Эффективность развития экономики современной России зависит от развития промышленности и строительства новыгх промышленных зданий и сооружений. Их работа невозможна без надежного и устойчивого функционирования транспортных магистралей. Сложные климатические, геологические и гидрологические условия, характерные для многих районов страны, создают значительные затруднения при выборе проектных решений. Актуальным вопросом для надёжного и устойчивого функционирования транспортныгх магистралей, а как следствие — и земляного полотна, является его защита от воздействия сил морозного пучения. Наиболее распространенным материалом для теплоизолирующего слоя является экструдированный пенополистирол. Кроме этого, Забайкальским институтом железнодорожного транспорта исследуется вопрос о целесообразности применения пеностекольного щебня или гравия при строительстве теплоизоляционных слоев для регулирования теплового режима земляного полотна автомобильных и железных дорог.

В Советском Союзе до начала 90-х гг. работали четыре завода по производству этого материала, но к настоящему времени из них функционирует только один. В Германии в качестве теплоизолирующего

The effectiveness of modern Russia economics development depends on the development of industry and construction of new industrial buildings and structures. Their work is impossible without reliable and sustainable operation of transport mainlines. Difficult climatic, geological and hydrological conditions, typical for many areas of the country, create significant difficulties in the selection of design solutions. One of the main issues for reliable and sustainable for operation of transport mainlines is the protection from frost heave effects. The most common material for insulating layer is extruded polystyrene. The Transbaikal Institute of Railway Transport investigates the use of foam glass gravel in the construction of insulating layers to regulate the thermal regime of soil structures.

In the Soviet Union until the early 90-ies there were four works for the production of this material, but now there exists only one. In Germany foam glass has already been using as an insulating layer in pavements for many decades.

Foam glass gravel combines the functions of heat insulation and drainage material. Having a low hygro-scopicity, foam glass does not lose its properties in a waterlogged environment, does not require additional protection from the environment and impact loads.

слоя в дорожных одеждах уже многие десятилетия применяется пеностекло.

Пеностекольныш щебень совмещает в себе функции теплоизоляции и дренирующего материала. Имея низкую гигроскопичность, пеностекло не теряет своих свойств в переувлажненной среде, не требует дополнительной защиты от негативного влияния окружающей среды и воздействия нагрузок. Однако представленные на рышке пеностеколь-ные материалы имеют высокую цену в связи с его получением из стеклобоя. Альтернативной технологией получения пеностекла, которая позволит существенно сократить затраты на его производство, является использование в качестве начального сырья составов на основе цеолитового туфа, широко распространенного в Забайкалье. Предложенная технология позволяет решить проблему надежности и устойчивости земляного полотна за счет создания местного конкурентоспособного теплоизоляционного материала

Ключевые слова: тепловой режим, пеностекло, геотехнология, земляное полотно, теплофи-зические свойства строительных материалов, теплоизоляция

However, at the market foam glass materials have a high price in connection with its receipt of cullet. An alternative technology for producing foamed glass, which will significantly reduce the cost of its production, is the use of starting raw material compositions on the basis of zeolitic tuff, which is widespread in Transbaikalie. The proposed technology allows to solve the problem of reliability and stability of the subgrade due to the creation of competitive local insulation material

Key words: thermal regime, foam glass, geotechnol-ogy, roadbed, thermo-physical properties of building materials, insulation

Выбор проектных решений при сооружении транспортных магистралей осложняется в связи с трудными климатическими, геологическими и гидрологическими условиями, характерными для многих районов страны. Прочность и работоспособность грунта, составляющего основание строений и земляное полотно, в значительной степени зависят от таких факторов, как амплитуда и скорость колебаний температуры; количество выпавших осадков; направление, мощность и скорость ветров; мощность снегового покрова; глубина промерзания; солнечная радиация; уровень подземных вод, гидромелиорация, промышленное использование грунтов, особенно вблизи линейных объектов, и др.

[1-3, 7].

Изменение температуры порождает вторичные процессы, происходящие в грунтах: набухание и усадку, морозное пучение и просадку при оттаивании, просадку при замачивании, изменение плотности, прочностных и деформационных характеристик грунта.

Актуальным вопросом для надёжного и устойчивого функционирования земляного полотна, а как следствие — всего транспортного сооружения, является его защита от воздействия сил морозного пучения.

Пучинные деформации могут возникать при одновременном проявлении трёх условий: наличия пучинистых грунтов, их высокой влажности и промерзания. Исключение любого из этих условий устраняет возможность образования пучин.

Выбор противопучинных мероприятий производят на основании инструментальные наблюдений, инженерно-геологического обследования пучинного участка пути [8] и технико-экономического сравнения возможных вариантов. Для ликвидации пучин в зависимости от причин их возникновения в основном проводят следующие мероприятия [6]: вырезка пучинных грунтов, устройство накладных теплоизолирующих подушек при залегании пучинистых грунтов в нижней части зоны сезонного промерзания, укладка теплоизоляционного

покрытия из пенопласта, мелиорация пучи-нистые грунтов.

Наименее трудоемким и дешевым способом является устройство теплоизоляционные покрыггий. Теплоизоляционные покрытия эффективны как на участках с пучинами, так и в местах просадок пути в период оттаивания грунтов.

Специальный материал для теплоизолирующих слоев должен обладать низкой теплопроводностью, незначительной сжимаемостью, однородностью, малой водона-сыщаемостью (не более 10 %), которая не изменяется в течение срока службы. Кроме того, материал должен быть экономичным и технологичным.

Наиболее распространенным материалом для теплоизолирующего слоя является экструдированный пенополистирол. Применение такого материала позволяет грунтам всегда находиться в зоне положительных температур, пучинистый грунт не промерзает и, как следствие, не вызывает пучения. Несмотря на успешный опыгг применения пенополистирола в дорожных конструкциях, отсутствуют сведения о его сроке службы в таких конструкциях в действующем эксплуатационном диапазоне температурных и силовых воздействий, а также отсутствует методика прогнозирования долговечности материала. В местах повышенного динамического воздействия и при неблагоприятные инженерно-геологических условиях технические характеристики пенополистирола не позволяют в полной мере ликвидировать причины деформаций [9].

В настоящее время Забайкальским институтом железнодорожного транспорта изучается вопрос о целесообразности применения пеностекольного щебня или гравия при устройстве теплоизоляционных слоев для регулирования теплового режима земляного полотна автомобильных и железных дорог.

Пеностекло — это высокопористый теплоизоляционный материал с замкнутой ячеистой структурой, представляющей собой застывшую стеклянную пену с размером ячеек 1...5 мм. Пеностекольный

щебены представляет собой куски пеностекла неправилыной формы, полученной из отходов пеностеколыной промышленности или как целевой продукт. Производство пеностекла возможно из утилизированного стеклобоя путем помола и термообработки с добавлением порообразователя или по более прогрессивным технологиям.

Впервые пеностекло получено советским академиком И.И. Китайгородским еще в 30-е гг. XX в. В Советском Союзе до начала 90-х гг. работало четыре завода по производству этого материала, но к настоящему времени из них функционирует толыко один на территории Белоруссии — в Гомеле (ОАО «Гомелыстекло»).

В Германии на территориях, подверженных многочисленным циклам замораживания-оттаивания, в качестве теплоизолирующего слоя в дорожных одеждах уже многие десятилетия применяется насыпное пеностекло. Материал производится преимущественно фирмой Schaumglas-Schotter и представляет собой пеностеклянный ще-бены. Характерный вид продукции и его укладку в процессе строителыства можно увидеты на рис. 1.

Пеностеколыный щебены совмещает в себе функции теплоизоляции и дренирующего материала. Имея низкую гигроскопич-носты, пеностекло не теряет своих свойств в переувлажненной среде [9], не требует дополнителыной защиты от негативного воздействия окружающей среды и нагрузок.

Дополнителыные слои из подобные материалов обеспечивают требуемую по расчету прочносты или морозостойкосты грунтового сооружения, а также предохраняют земляное полотно и основание насыпей от глубокого промерзания, что актуалыно в условиях континенталыного климата.

Аналогичный теплоизоляционный материал исполызуют в дорожном строителы-стве в Норвегии, где климатические условия более суровые, чем в предгорных районах Германии. Там для этих целей применяют материал SINTEF, представляющий собой дробленое пеностекло. Норвежские строители утверждают, что толыко исполызо-вание минералыного насыпного теплоизо-

ляционного материала в дорожной одежде требованиям по качеству и долговечности в позволило построить транснорвежскую суровых климатических условиях [10]. магистраль, отвечающую самым жестким

Рис. 1. Укладка и уплотнение пеностекольного щебня

Однако представленные на рынке пено-стекольные материалы имеют высокую цену в связи с недостатками в технологии его получения. Такими недостатками можно считать использование стеклобоя как исходного сырья в связи с нестабильными объемами поставок и различиями в характеристиках, а также высокие энергозатраты, связанные с переплавкой и вспениванием.

Альтернативной технологией получения пеностекла является использование

в качестве начального сырья составов на основе цеолитового туфа, широко распространенного в Забайкалье, и применение специальных плавней для низкотемпературного вспенивания при температурах ниже 800 °С [4].

Исследования пеностекла, произведенного из цеолита, показали его эффективность в сравнении с другими строительными материалами. Результаты испытаний приведены в табл. 1...5.

Таблица 1

Показатели насыпной плотности по результатам испытании

Насыпная плотность, кг/м3