Эффективность использования теплоизоляционных смесей при строительстве дорог в криолитозоне

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Объектом исследований являются автомобильные дороги в зоне многолетней мерзлоты, которые подвержены действию негативных факторов криогенеза. Предметом исследований являются теплозащитные покрытия на основе смесей теплоизоляционных и теплоаккумулирующих строительных материалов, которые должна обеспечивать нормативную глубину оттаивания дорожного основания. Цель работы – оценка целесообразности использования смесей строительных теплоизоляционных материалов в конструкциях дорожных одежд для управления тепловым режимом грунтов деятельного слоя криолитозоны. Одним из возможных вариантов защиты автомобильных дорог в криолитозоне от негативных криогенных процессов является использование при возведении теплоизоляционных слоев в дорожных одеждах теплозащитных смесей, которые представляют собой смесь несущего теплоаккумулирующего связующего (песок, гравий) и теплоизоляционного наполнителя (керамзит, азерит и т. п.). Исследовано влияние теплоизоляционных смесей в дорожных одеждах в качестве средства управления глубиной оттаивания дорожного основания. Приведены конкретные примеры расчетов эффективности использования теплоизоляционных смесей. Введены новые безразмерные критерии: теплофизический симплекс, характеризующий отношение коэффициентов теплопроводности наполнителя и связующего; стоимостной симплекс, характеризующий отношение стоимости единицы объема наполнителя к единице объема связующего; проектный критерий, характеризующий отношение проектного значения толщины теплоизоляционного слоя в дорожной одежде и произведения коэффициента теплопроводности связующего и нормируемого значения термического сопротивления теплозащитного слоя. Построена безразмерная целевая функция, которая позволяет определить эффективные параметры теплозащитного слоя в дорожной одежде, обеспечивающих заданную нормативную глубину оттаивания дорожного основания. Получены основные количественные закономерности, характеризующие взаимосвязь концентрации наполнителя с безразмерными симплексами, определяющими значение целевой функции. Научная новизна заключается в получении функциональных зависимостей для определения предельных значений безразмерных симплексов, определяющих целесообразность применения бинарных смесей и позволяющих найти границу эффективности использования теплоизоляционных смесей с различными теплофизическими свойствами. Показано, что теплоизоляционные смеси материалов могут быть рекомендованы в качестве эффективной замены однородных строительных материалов при проектировании дорожных одежд. Построен 3D график, позволяющий оперативно оценить, при каком значении определяющих симплексов целесообразно применять конкретную теплоизоляционную бинарную смесь в дорожной одежде. Показано, что во многих, практически интересных случаях, рациональным выбором состава теплоизоляционных смесей можно добиться нормативной глубины оттаивания дорожного основания.

Об авторах

Александр Фёдорович Галкин

Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН

Email: afgalkin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5924-876X
Главный научный сотрудник; лаборатория геотермии криолитозоны;

Александр Федотович Жирков

Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН

Email: zhirkov_af@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6721-5338
Ведущий научный сотрудник; лаборатория геотермии криолитозоны;

Владимир Юрьевич Панков

Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова

Email: pankov1956@gmail.ru
доцент; кафедра Строительства дорог и аэродромов;

Николай Афанасьевич Плотников

Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН

Email: plotnikov-nikolay96@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6013-931X
аспирант;

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

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).