Выбор строительных материалов для теплоизоляционного слоя дорожной одежды

Целью работы являлось получение функциональной зависимости для определения коэффициента теплопроводности материалов, используемых при возведении теплоизоляционного слоя в дорожных одеждах, не допуская при этом оттаивания грунтов дорожного основания больше предельно допустимого значения. Для достижения цели использован алгоритм решения задачи в безразмерном виде: поиска критерия Био как функции критериев Фурье и Стефана. Получены простые инженерные формулы, позволяющие оперативно подобрать по известному числу Био необходимое термическое сопротивление дополнительного теплозащитного слоя в конструкции дорожной одежды. Для наглядности выполнены вариантные расчеты, которые представлены в виде 2D- и 3D-графиков. Показано, что для характерных геокриологических и климатических условий криолитозоны коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов и термическое сопротивление теплозащитного слоя изменяются в широких пределах и существенно зависят от допустимой глубины оттаивания грунтов дорожного основания. При этом наблюдается удобная для инженерных оценок закономерность: термическое сопротивление дополнительного теплозащитного слоя приблизительно изменяется во столько раз, во сколько изменяется безразмерная глубина оттаивания. Соответственно, при выборе строительных материалов для теплоизоляционного слоя можно считать, что увеличение допустимой глубины оттаивания пропорционально увеличению коэффициента теплопроводности материала. Например, если допустимая глубина оттаивания на некотором участке трассы может быть увеличена в два раза, то для возведения конструктивного теплозащитного слоя той же толщины может использоваться строительный материал с коэффициентом теплопроводности в два раза больше, чем на основном участке. Учитывая, что физико-механические свойства грунтов не являются постоянными по длине трассы, при проектировании следует определять термическое сопротивление конструктивного теплозащитного слоя для отдельных, характерных участков, а не для всей трассы в целом. Соответственно, материалы, используемые при строительстве на различных участках трассы, могут быть различными, в зависимости от принятых проектом конструктивных решений дорожного полотна.

А.Ф. ГАЛКИН, д-р техн. наук, профессор (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
Н.А. ПЛОТНИКОВ, аспирант (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН (677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36)

1. Железняк М.Н., Шестернев Д.М., Литовко А.В. Проблемы устойчивости автомобильных дорог в криолитозоне. Материалы докладов XIV Общероссийской научно-практической конференции и выставки «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации». М., 2018. С. 223–227.
2. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах / Под ред. Ю.Я. Вели, В.В. Докучаева, Н.Ф. Федорова. Л.: Стройиздат, 1977. 552 с.
3. Шац М.М. Современное состояние городской инфраструктуры г. Якутска и пути повышения ее надежности // Геориск. 2011. № 2. С. 40–46.
4. Кондратьев В.Г., Кондратьев С.В. Как защитить федеральную автодорогу «Амур» Чита – Хабаровск от опасных инженерно-геокриологических процессов и явлений // Инженерная геология. 2013. № 5. С. 40–47.
5. Гречищев С.Е., Чистотинов Л.В., Шур Ю.Л. Криогенные физико-геологические процессы и их прогноз. М.: Недра, 1980. 384 с.
6. Pankov V.Yu. The problem of mechanical loads on pavement of roads in the cryolithic zone. 2022. E3S Web Conf. Vol. 363. XV International Scientific Conference on Precision Agriculture and Agricultural Machinery Industry “State and Prospects for the Development of Agribusiness – INTERAGROMASH 2022”. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202236301039
7. Isakov A., Razuvaev D., Gudkova I., Chakhlov M. Modeling the operation of road pavement during the thawing of soil in the subgrade of highways. 2018. MATEC Web Conf. Vol. 239. Siberian Transport Forum – TransSiberia 2018. https://doi.org/10.1051/matecconf/201823905001
8. Guofang Xu, Jilin Qi, Wei Wu. Temperature effect on the compressive strength of frozen soils: a review. Recent advances in geotechnical research // Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. 2019, рр. 227–236. https://doi.org/10.1007/978-3-319-89671-7_19
9. Шапран В. В., Фазилова З.Т. Факторы, оказывающие влияние на развитие продольных профильных деформаций земляного полотна в криолитозоне // Мир транспорта. 2020. Т. 18. № 2. С. 82–101.
10. Станиловская Ю.В., Мерзляков В.П., Сергеев Д.О., Хименков А.Н. Оценка опасности полигонально-жильных льдов для линейных сооружений // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2014. № 4. С. 367–378.
11. Вялов С.С. Реологические основы механики мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1978. 447 с.
12. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973. 448 с.
13. Hu X.D., Wang J.T., Yu X.F. Laboratory test of uniaxial compressive strength of shanghai frozen soils under freeze-thaw cycle // Advanced Materials Research. 2013. Vol. 716, pp. 688–692. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.716.688
14. Crepeau J., Siahpush A.S. Solid–liquid phase change driven by internal heat generation // Comptes Rendus Mecanique. 2012. Vol. 340. Iss. 7, pp. 471–476.
15. Вотяков И.Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Якутии. Ново-сибирск: Наука, 1975. 176 с.
16. Zhang X., Feng SG., Chen PC. Thawing settlement risk of running pipeline in permafrost regions // Oil Gas Storage Transporation. 2013. No. 6, pp. 365–369.
17. Галкин А.Ф., Железняк М.Н., Жирков А.Ф. Повышение тепловой устойчивости дорожных одежд в криолитозоне // Строительные материалы. 2021. № 7. С. 26–31. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-793-7-26-31
18. Бессонов И.В., Жуков А.Д., Боброва Е.Ю., Говряков И.С., Горбунова Э.А. Анализ конструктивных решений в зависимости от типа изоляционных материалов в дорожных покрытиях в многолетнемерзлых грунтах // Транспортное строительство. 2022. № 1. С. 14–17. DOI: 10.18635/2071-2219-2020-4-24-28
19. Бек-Булатов А.И. Применение Styrodur^®С в автодорожном строительстве // Строительные материалы. 2000. № 12. С. 22–23.
20. Ярцев В.П., Иванов Д.В., Андрианов К.А. Прогнозирование долговечности экструзионного пенополистирола в дорожных конструкциях // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. 2010. № 3. С. 99–104.
21. Galkin A.F., Pankov V.Yu. Thermal protection of roads in the permafrost zone. Journal of Applied Engineering Science. 2022. Vol. 20. No. 2, pp. 395–399.
22. Ашпиз Е.С., Савин А.Н. Сооружение нового и стабилизация эксплуатируемого земляного полотна в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов северного широтного хода. В сб.: Современные исследования трансформации криосферы и вопросы геотехнической безопасности сооружений в Арктике. Салехард, 2021. С. 27–29.
23. Чжан А.А. Расчет положения верхней границы многолетнемерзлых грунтов в теле и основании земляного полотна при наличии теплоизоляции на откосах. Криосфера Земли. 2019. Т. 23. № 4. С. 54–59.
24. Панков В.Ю., Бурнашева С.Г. Анализ способов защиты автомобильных дорог от негативных криогенных процессов. В сб.: Лучшая студенческая статья 2020. МЦНС «Наука и просвещение». 2020. С. 52–55.
25. Клочков Я.В., Непомнящих Е.В., Линейцев В.Ю. Применение пеностекла для регулирования теплового режима грунтов в сложных климатических условиях // Вестник Забайкальского государственного университета. 2015. № 6 (121). С. 9–15.
26. Галкин А.Ф. Расчет параметров теплозащитных покрытий подземных сооружений криолитозоны // Известия вузов. Горный журнал. 2008. № 6. С. 81–89.
27. Galkin A.F. Efficiency evaluation of thermal insulation use in criolithic zone mine openings // Metallurgical and Mining Industry. 2015. No. 10, pp. 234–237.
28. Galkin A.F. Controlling the thermal regime of the road surface in the cryolithic zone // Transportation Research Procedia. 2022. Vol. 63, pp. 1224–1228. DOI://doi.org/10.1016/j.trpro.2022.06.128
29. Галкин А.Ф. Определение допустимой глубины оттаивания дорожного полотна в криолитозоне // Энергобезопасность и энергосбережение. 2021. № 5. С. 18–22. DOI: 10.18635/2071-2219-2021-5-18-22
30. Galkin A., Pankov V. Precision of determination of thawing depth of the frozen rocks // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2131. 052079. DOI: 10.1088/1742-6596/2131/5/052079
31. Галкин А.Ф., Курта И.В. Влияние температуры на глубину оттаивания мерзлых пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 2. С. 82–91. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-2-0-82-91
32. Рекомендации по проектированию и строительству плотин из грунтовых материалов для производственного и питьевого водоснабжения в условиях Крайнего Севера и вечной мерзлоты. М.: Стройиздат, 1976. 112 с.
33. Галкин А.Ф. Расчет критерия Фурье при прогнозе теплового режима талых и мерзлых дисперсных пород // Арктика и Антарктика. 2022. № 3. С. 1–10. DOI: 10.7256/2453-8922.2022.3.38555
34. Galkin A.F., Pankov V.Yu. Heat capacity of dispersed rocks // Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 2131 (5). 052076. DOI: 10.1088/1742-6596/2131/5/052076
35. Галкин А.Ф., Панков В.Ю., Большаков В.А. Определение числа Cтефана для прогноза теплового режима автомобильных дорог в криолитозоне // Естественные и технические науки. 2021. № 4. С. 282–285.
36. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.
37. Перльштейн Г.З. Водно-тепловая мелиорация мерзлых пород на Северо-Востоке СССР. Новосибирск: Наука, 1979. 304 с.
38. Панков В.Ю., Бурнашева С.Г. Влияние скорости ветра на температуру поверхности дорожного полотна // Тенденции развития науки и образования. 2020. № 8. С. 116–121. DOI: 10.18411/lj-08-2020-63
39. Галкин А.Ф., Железняк М.Н., Жирков А.Ф. Критерий выбора строительных материалов для теплоизоляционных слоев дорожных одежд и оснований // Успехи современного естествознания. 2022. № 8. С. 108–113. https://doi.org/10.17513/us e.37875