Economic Efficiency of Using Thermal Insulation Mixtures in Road Construction in the Cryolithozone

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The subject of this research is automobile roads in permafrost zones, which are subject to the negative effects of cryogenesis. The focus of the study is on thermal insulation coatings based on mixtures of insulating and heat-accumulating construction materials. The work aimed to determine the area of economic efficiency of using mixtures of construction thermal insulation materials in road pavement structures for the cryolithozone. One possible option for reducing the construction costs of roads in the cryolithozone is the use of thermal insulation layers in road pavements made from thermal protection mixtures, which consist of a heat-accumulating binder (such as sand or gravel) and a heat-insulating filler (expanded clay, azurite, polystyrene granules, or glass debris). The influence of the thermal-physical characteristics of the binder and filler on the economic viability of using thermal insulation mixtures in road pavements has been investigated. To facilitate the analysis, two new dimensionless simplexes have been introduced. The thermal-physical simplex characterizes the ratio of the thermal conductivity coefficients of the filler and binder. The economic simplex characterizes the ratio of the cost per unit volume of the filler to the cost per unit volume of the binder. A target function has been constructed, allowing for the calculation of the conditions under which the ratio of the cost of filler to the cost of binder makes the use of material mixtures (compared to a homogeneous equivalent layer of binder with respect to thermal resistance) economically efficient. Basic quantitative patterns have been obtained, characterizing the relationship between the concentration of the filler and the dimensionless simplexes: thermal-physical and economic. A dependency has been derived for determining the limiting value of the dimensionless cost simplex, enabling the identification of the boundary of economic efficiency when using thermal insulation mixtures with varied thermal and physical properties. It has been shown that thermal insulation material mixtures can be recommended as an economically efficient alternative to homogeneous construction materials when designing road pavements. A 3D graph has been constructed to quickly assess the conditions under which the specific cost simplex value makes it advisable to apply a particular thermal insulation binary mixture in road pavements.

References

  1. Галкин А.Ф., Курта И.В., Панков В.Ю. Использование горелых пород при подземной прокладке кабельных линий связи в криолитозоне // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331. № 12. С. 131-137. doi: 10.18799/24131830/2020/12/2946. EDN: LESDKA.
  2. Mu Y H, Ma W, Wu Q B, et al. Thermal regime of conventional embankments along the Qinghai-Tibet Railway in permafrost regions. Cold Reg Sci Technol. 2012; 70: 123-131.
  3. Wang S J, Chen J B, Zhang J Z, et al. Development of highway constructing technology in the permafrost region on the Qinghai Tibet Plateau. Sci China Technol Sci. 2009; 52: 497-506. doi: 10.1007/s11431-008-0355-7. EDN: BVIAUU.
  4. Варламов С.П., Жирков А.Ф., Находкин Д.А. Температурный режим почвогрунтов при нарушении покровов в современных климатических условиях Центральной Якутии // Наука и образование. 2017. № 4 (88). С. 65-71.
  5. Сериков С.И., Шац М.М. Морозобойное растрескивание грунтов и его роль в состоянии поверхности и инфраструктуры г. Якутска // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. 2018. № 1. С. 56-69. doi: 10.15593/2409-5125/2018.01.04. EDN: YSEQAU.
  6. 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. doi: 10.30932/1992-3252-2020-18-82-101 EDN: WZNPPP.
  7. Жирков А.Ф., Железняк М.Н., Шац М.М., Сивцев М.А. Численное моделирование изменения мерзлотных условий взлётно-посадочной полосы аэропорта Олекминск // Маркшейдерия и недропользование. 2021. № 5 (115). С. 22-32. EDN: DDVWSC.
  8. 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. EDN: UNQHNE.
  9. Galkin A., Pankov V.Y. Thermal protection of roads in the permafrost zone. Journal of Applied Engineering Science. 2022. Т. 20. № 2. С. 395-399. doi: 10.5937/jaes0-34379. EDN: NLYVAN.
  10. Ma W, Feng G L, Wu Q B, et al. Analyses of temperature fields under the embankment with crushed-rock structures along the Qinghai Tibet Railway. Cold Reg Sci Technol. 2008; 53: 259-270.
  11. Клочков Я.В., Непомнящих Е.В., Линейцев В.Ю. Применение пеностекла для регулирования теплового режима грунтов в сложных климатических условиях // Вестник ЗабГУ. 2015. № 06 (121). С. 9-15. EDN: UMMZKZ.
  12. Mu Y H, Ma W, Wu Q B, et al. Cooling processes and effects of crushed rock embankment along the Qinghai-Tibet Railway in permafrost regions. Cold Reg Sci Technol. 2012; 78: 107-114.
  13. Бек-Булатов А.И. Применение Styrodur® в автодорожном строительстве // Строительные материалы. 2000. № 12. С. 22-23. EDN: IAJLOH.
  14. Hanli Wu, Jenny Liu, X. Zhang. Feasibility study on use of cellular concrete for air convection embankment on permafrost foundations in Fairbanks, Alaska. Transportation Geotechnics. 2020. Vol. 22. 100317. doi: 10.1016/j.trgeo.2020.100317.
  15. Sun Y F. Permafrost Engineering in the Qinghai-Tibet Railway: Research and Practice. J Glaciol Geocryol. 2005; 27: 153-162.
  16. Wu Q B, Zhang Z Q, Liu Y Z. Long-term thermal effect of asphalt pavement on permafrost under embankment. Cold Reg Sci Technol. 2010; 60: 221-229.
  17. Золотарь И.А. Некоторые вопросы проектирования и строительства автомобильных дорог в северных районах области многолетней мерзлоты // Вопросы транспортного строительства в районах вечной мерзлоты. М.: ЦНИИС, 1959. С. 24-33.
  18. Galkin A.F., Kurta I.V., Pankov V.Yu. Calculation of thermal conductivity coefficient of thermal insulation mixtures. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 918 (2020) 012009.
  19. Галкин А.Ф., Панков В.Ю., Фёдоров Я.В. Расчетный коэффициент теплопроводности бинарной смеси // Арктика и Антарктика. 2022. № 4. С. 11-19. doi: 10.7256/2453-8922.2022.4.39349 EDN: ZORQDG URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=39349
  20. Galkin, A.F., Zheleznyak, M.N., Zhirkov, A.F. Increasing Thermal Stability of the Roads in Cryolithic Zone // Transportation Research Procedia. 2022. Vol. 63. P. 412-419. doi: 10.1016/j.trpro.2022.06.029. EDN: XYMWGU.
  21. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974. 264 с.
  22. Lichtenecker K. Zur Widerstands berech ung misch kristall freier Legier ungen. Physikalische Zeitschrift. 1929. Bd. 30. No. 22. SS. 805-810.
  23. Галкин А.Ф. Определение допустимой глубины оттаивания дорожного полотна криолитозоны // Энергобезопасность и энергосбережение. 2021. № 5. С. 18-22. DOI: https://doi.org/10.18635/2071-2219-2021-5-18-22 EDN: KBSVHT.
  24. Галкин А.Ф., Плотников Н.А. Выбор строительного материала для теплоизоляционного слоя дорожной одежды // Строительные материалы. 2023. № 9. С. 57-64. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-817-9-57-64 EDN: KKKYBQ.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).