Теплоизоляционные материалы в дорожном строительстве
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
по проектированию и устройству теплоизоляционных слоев дорожной одежды из пенополистирольных плит «Пеноплэкс»
к.т.н. Е.С.Пшеничникова
при участии инж. Н.И.Черновой и к.т.н. И.В.Лейтланд.
Предполагается, что реализация настоящих Методических рекомендаций как в части проектирования, так и строительства будет осуществляться при научном сопровождении, в рамках которого будут предусмотрены последующие наблюдения за построенными конструкциями в процессе их эксплуатации.
Замечания, пожелания и возникающие вопросы по Методическим рекомендациям просьба направлять по адресу: 143900, г.Балашиха-6, Московская обл., ш.Энтузиастов, 79, Союздорнии
1. Общие положения
1.2. Первое направление использования термоизолирующей прослойки может быть реализовано на дорогах общей сети и ведомственных дорогах в любой дорожно-климатической зоне при наличии сезонного промерзания-оттаивания грунтов с повышенной пучинистостью.
Второе направление может быть реализовано на дорогах общей сети и ведомственных дорогах только в зоне вечной мерзлоты или в специальных проектных решениях, рассчитанных на особые условия строительства и эксплуатации дороги (временные дороги, спецдороги и т.п.).
1.3. Эффект от применения теплоизолирующего слоя, используемого для снижения морозного пучения, может быть получен за счет:
— уменьшения объема качественных материалов, используемых в дорожной одежде для обеспечения ее морозоустойчивости;
— возможности использования в верхней части земляного полотна местных пучинистых грунтов (без их замены);
— повышения долговечности конструкции вследствие исключения периодически возникающих деформаций морозного пучения;
— возможности понижения рабочих отметок насыпей на участках, где при традиционных конструкциях действуют ограничения СНиП по минимальному возвышению насыпи над уровнем подземных или поверхностных вод, а также над уровнем земли;
— понижения расчетной влажности грунта земляного полотна и соответствующего повышения расчетных значений прочностных характеристик грунта за счет снижения влагонакопления при процессе морозного пучения;
— снижения требуемой толщины дренирующего слоя за счет исключения поступления воды снизу при оттаивании земляного полотна.
1.4. Эффект от применения теплоизолирующего слоя для предотвращения оттаивания грунта, используемого в конструкции в мерзлом состоянии в зоне вечной мерзлоты, может быть получен за счет:
— уменьшения объемов привозных грунтов при сооружении земляного полотна по I-му принципу (сохранение мерзлого грунта);
— обеспечения возможности использования в земляном полотне грунтов с любой степенью увлажнения в виде мерзло-комковатого материала;
— обеспечения возможности уменьшения рабочих отметок насыпей, сооружаемых по I-му принципу в зоне вечной мерзлоты с соответствующим уменьшением объемов земляных работ;
— исключения необходимости замены грунта в основании дорожной одежды в выемке;
— повышения надежности и долговечности дорожной конструкции, запроектированной по I-му принципу;
— сокращения затрат на уплотнение грунтов при сооружении насыпей;
— снижения экологического ущерба при строительстве дорог в северных районах.
1.5. Конструктивные решения с использованием термоизолирующих прослоек должны быть обоснованы соответствующими расчетами, указанными в настоящих Методических рекомендациях.
2. Обеспечение морозоустойчивости дорожной конструкции при сезонном промерзании с помощью термоизолирующего слоя из «Пеноплэкса»
2.1. Условия морозоустойчивости дорожной конструкции (по ОДН 218.046-00)
2.1.1. Морозоустойчивость дорожной конструкции оценивается по величине ее морозного пучения. Морозоустойчивость конструкции считается обеспеченной при условии:
Таблица 1.1
(Табл.4.3 ОДН 218.046-00)
Теплоизоляция тротуаров, стоянок, проездов и дорог материалом «Экстрол»
Подогрев тротуаров, автобусных остановок, железнодорожных платформ давно уже применяется во многих холодных странах мира в качестве средства от гололедицы. При этом в массовую практику теплые дороги пока не вошли. Пока их использование ограничено крупными общественно важными объектами – торговыми и офисными центрами и правительственными зданиями. Сегодня обогрев дорожного полотна используется в США, Канаде, Японии, Финляндии и странах Скандинавии.
Мировой опыт показал, что посыпать улицы песком или другими реагентами, а также производить уборку снега, как правило, намного затратнее, чем подогревать их. И если раньше в теплых тротуарах были заинтересованы в основном владельцы крупных торговых и офисных центров, то сегодня эту практику у них переняли жилые многоквартирные и частные дома. Это не только помогает избавиться от гололеда и грязи, но и существенно облегчает жизнь службам, занимающимся уборкой улиц от снега.
С другой стороны, простая теплоизоляция тротуаров, автостоянок и проездов, также позволяет получить значительную экономию средств, как при строительстве, так и при эксплуатации, за счёт снижения сроков и материалоёмкости строительства, повышения надёжности и долговечности дорожного покрытия, и, как следствие, увеличения межремонтного интервала. Решение же о дополнительном подогреве покрытия может приниматься в каждом конкретном случае по результатам сравнения вариантов.
При теплоизоляции автомобильных стоянок, проездов и тротуаров в коттеджном строительстве с использованием плит из материала «Экстрол» различных марок по плотности придерживаются правил, принятых для строительства инверсионных кровель.
Варианты устройства теплоизоляции конструкций инверсионных кровель, в том числе эксплуатируемых с тротуарами и автостоянками, приведены в Альбоме технических решений для массового применения, шифр 05-1061/5-03 «Стены, кровля, полы цокольных и парковочных этажей с теплоизоляцией на основе экструзионной плиты утепления марок 35..45 по ТУ 2244-001-77909577-2005», разработанном в ОАО институте «УралНИИАС», Екатеринбург, 2006 г. (см. на сайте в разделе «Материал-Сертификаты»).
В зависимости от нагрузки возможны два основных варианта выполнения работ. В каждом из вариантов поверх плит теплоизоляции «Экстрол» укладывается защитно-разделительный слой из геотекстиля.
Выше геотекстиля выполняют отсыпку гравием фракции 4-8 мм с толщиной слоя 30-50 мм. При повышенных нагрузках по слою геотекстиля выполняется монолитная железобетонная плита, обеспечивающая распределение нагрузок.
Благодаря высокой прочности плит «Экстрол» на сжатие потребность в арматуре крайне мала. Если стоянка предназначена для техники не более 3.5-4 тс, дорожное покрытие с минимальной высотой 80 мм укладывают непосредственно на основание из просеянного щебня фракции 4-8 мм толщиной не менее 50 мм.
Таким образом, можно создать покрытия, отвечающие самым строгим эстетическим требованиям. В обоих случаях применение материала «Экстрол» не только упрощает строительные работы и способствует их ускорению, но и обеспечивает надёжность и долговечность дорожного покрытия.
В местах расположения деформационных швов края плит, обеспечивающих распределения нагрузок, соединяют металлическими стержнями. Это позволяет избежать излишних нагрузок на теплоизоляционный материал, которые возникают в результате вертикального смещения краёв бетонных плит под давлением транспортных средств. Деформационный шов между бетонными плитами герметизируют.
В 2007 году по заказу ГК «ЭКСТРОЛ» в ОАО «СоюзДорНИИ» было разработано «Пособие по проектированию и устройству теплоизолирующих слоев дорожной одежды из пенополистирольных плит «Экстрол» в развитие «Типовых решений по восстановлению несущей способности земляного полотна и обеспечению прочности и морозоустойчивости дорожной одежды на пучинистых участках автомобильных дорог», ОАО «Гипродорнии», ГП «Росдорнии», 2000.
Используя рекомендации Пособия по теплоизоляции дорожной одежды, достигают:
ГК «ЭКСТРОЛ» разработал предложение по устройству опытного участка автодороги Ивдель – Ханты-Мансийск в составе 7 пускового комплекса, для обсуждения с СОГУ «Управление автомобильных дорог» и проектной организацией Институтом УралнипродорНИИ.
Участок дороги «г. Ивдель – г. Ханты-Мансийск» по дорожно-климатическому районированию находится во II дорожно-климатической зоне. Температура воздуха составляет наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 – минус 39°С. Расчетная высота снежного покрова, имеющая вероятность превышения 5% составляет 1,09 м. Глубина промерзания грунтов 2,1 м. Тип местности по степени увлажнения 1 и 2. Район характеризуется сезонным промерзанием грунтов, суровыми морозными зимами и неблагоприятными грунтово-гидрологическими условиями.
В данных условиях, как альтернатива устройству традиционных морозозащитных слоев, могут применяться теплоизолирующие слои из пенополистирольных экструзионных плит «Экстрол» в конструкции дорожной одежд. Применение плит «Экстрол» обеспечивает снижение деформаций пучения при промерзании конструкции, и как следствие увеличивает срок службы всей конструкции. Теплоизолирующие слои из пенополистирольных экструзионных плит «Экстрол» следует применять для повышения морозоустойчивости дорожной конструкции в неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях, характерных для 2 и 3 типа местности по увлажнению (СНиП 2.05.02-85). В зависимости от особенностей конкретного участка возможно либо не допускать промерзания грунтов насыпи и ее основания и исключить, таким образом, морозное пучение грунтов полностью, либо уменьшить глубину промерзания и, соответственно, пучение до допустимой его величины.
В данном случае, дорожная одежда с плитами «Экстрол» была признана эффективной, что подтверждают выполненные расчёты.
Российский и зарубежный опыт применения теплоизолирующего слоя из экструзионного пенополистирола в конструкции слоев дорожной одежды в условиях сезонного промерзания грунтов позволяет сделать выводы:
Таким образом, используя материал «Экстрол» в составе конструкций тротуаров, проездов и автостоянок, получают необходимый уровень теплоизоляции, обеспечивая долговременную и безопасную эксплуатацию дорожного покрытия.
Необходимо отметить, что к процессу выбора оптимальной конструкции и параметрам её теплоизоляции необходимо привлекать специалистов в данной области знаний, либо использовать рекомендации Пособий по применению материала и защите дорожного покрытия, а также по результатам экономического сравнения различных вариантов.
Новые материалы в дорожном строительстве
Материалы для укрепления дорожного основания
Укрепление нижнего слоя дорожного полотна, а также боковых сторон грунта эффективно можно сделать с помощью геотекстиля и полимерной геосинтетики. Спектр этих материалов довольно широк: тканый и нетканый геотекстиль, георешетки, стеклосетки, пластиковые решетки, сетки, геомембраны, дренажный геокомпозит (гео дренаж) и другие геосинтетические материалы.
Дорожное строительство с использованием геотекстильных материалов в последние годы в России активно развивается. Несколько лет назад почти никто не знал про существование таких материалов, как геотекстиль, дорниты, геосетки, георешетки, габионы, биоматы, геомембраны. А сегодня эти материалы используются как частными лицами для укладки дорожек на дачном участке, так и крупными дорожными компаниями для строительства магистралей. Наиболее известными торговыми марками геосинтетики являются Геоспан, Typar (тайпар), Atarfil, Terram (Террам), Славрос, Tensar (Тенсар), Huesker HaTelit, Fortrac, Armatex, Нипромтекс, Комитекс, Пеноплекс, Стеклонит, Тефонд, хотя в действительности на рынке производителей гораздо больше.
Геосинтетики – тип строительных материалов, предназначенных для улучшения физических, механических и гидравлических свойств грунтов.
Основная цель применения геосинтетических материалов – обеспечение надежного функционирования автомобильной дороги или отдельных её элементов в сложных природно-климатических условиях строительства и эксплуатации, а также при наличии технических или экономических преимуществ по отношению к традиционным решениям. Основными исходными полимерами для большинства геосинтетиков являются полиэфир (РЕТ), полиэтилен (РЕ), полипропилен (РР), полиамид (РА), полиарамид.
Функции геосинтетиков:
* Армирование – усиление дорожных конструкций в результате перераспределения напряжений, возникающих в грунтовом массиве и дорожной одежде при действии нагрузок от транспортных средств и собственного веса.
* Разделение – предотвращение взаимопроникновения частиц контактирующих материалов в технологических слоях дорожной одежды.
* Защита – предотвращение или замедление процесса эрозии частиц грунта или других частиц по поверхности откоса.
* Фильтрация – предотвращение процесса проникновения грунтовых частиц в дренажи или их выноса (обратная фильтрация).
* Дренирование – ускорение отвода воды из слоёв дорожной одежды и грунтовых массивов.
Самый популярный материал в этой категории – геосетки, которые представляют собой плоский полимерный рулонный материал, обладающий сетчатой структурой. Сетку производят из высокопрочных пучков нитей методом скрепления в узлах с помощью прошивочной нити, переплетения, склеивания, сплавления. При этом образуются ячейки, размеры которых больше ребер, образующих сетку. Для улучшения свойств и повышения стабильности их обрабатывают специальными составами.
В настоящее время геосетки разделяются на различные виды:
* по качеству материала (полиэтиленовые, полиамидные, полиэфирные и другие);
* по сфере применения (геосетки для асфальтобетона и геосетки для грунта);
* по способу ориентирования ячеек (моноориентированные сетки и сетки двойного ориентирования).
Всего на российском рынке представлена продукция более чем 40 различных производителей нетканого геотекстиля. Подавляющее число данных компаний является производителями иглопробивного нетканого геотекстиля. Наиболее известные производители на российском рынке:
* «Гекса – Нетканые материалы»
* «СИБУР» – производства на площадках ОАО «Ортон» и ООО «Пластик-Геосинтетика»
* Группа компаний «Миаком»
* ООО «Геокомпонент»
* Компания «НПО Протэкт»
* ООО «Дорстройматериалы»
* ООО «СТЕКЛОНиТ Менеджмент»
* Белорусские производители («ТехноТекс» и др.)
* NAUE GmbH & Co. KG (Германия)
* HUESKER Synthetic GmbH & Co. (Германия)
* ACE Geosynthetics (Тайвань) и многие другие.
Позиции отечественных производителей достаточно сильны на рынке нетканого геотекстиля. На их долю приходится около 60% внутреннего потребления. В то же время, по ряду видов нетканого геотекстиля отечественные производства значительно отстают от мирового уровня. Российские производители нетканого геотекстиля занимают наиболее устойчивые позиции в сегменте иглопробивного геотекстиля из штапельного волокна – на их долю приходится свыше 70% потребления. Доля импорта составляет 25-30%, при этом доля высокотехнологичной продукции, аналогов которой в России не производится, достигает 90% в структуре импорта.
Во всем мире нетканый геотекстиль производится из полипропилена. Нетканый геотекстиль из полиэфира предлагается как одна из разновидностей базовой марки на основе ПП. В 2007 году ожидалось, что объем потребления нетканого геотекстиля в 2010 году составит 290 млн. м2 и вырастет по сравнению с 2005 годом на 76% (данные компании «Геокомпонент»).
Модификация битума эмульгаторами
Поскольку главным органическим вяжущим веществом, используемым при производстве асфальтобетона, является нефтяной битум, то самым распространенным способом улучшения его свойств является модификация различными активными веществами.
Битумная эмульсия представляет собой жидкость темно-коричневого цвета, получаемую путем диспергирования битума в воде с добавлением эмульгатора. Битумные эмульсии все чаще применяют в России в качестве вяжущего или пленкообразующего материала при строительстве и ремонте автомобильных дорог.
Битумные эмульсии относят к эмульсиям прямого типа, в которых массовая доля битума (30-70%) в виде мельчайших капелек распределена в непрерывной дисперсной среде – воде. В эмульсиях обратного типа вода диспергирована в вяжущем (битуме или дегте), массовая доля которого 70-80%.
Эмульгаторы – это вещества, обладающие способностью придавать устойчивость эмульсиям, т.е. они являются стабилизаторами. В качестве эмульгаторов могут выступать поверхностно-активные вещества (ПАВ), растворимые в обеих фазах эмульсий (или в одной из них), или твердые высокодисперсные минеральные порошки (глины, окислы, карбонаты и сульфаты, цемент, сажа и др.). Твердые эмульгаторы применяют в основном при изготовлении битумных паст и реже – дорожных эмульсий. Эмульсии на твердых эмульгаторах в своем составе содержат 50-60% битума или дегтя, 30-45% воды и 6-12% твердого эмульгатора.
Для изготовления дорожных эмульсий чаще всего применяют водорастворимые эмульгаторы, т.е. ПАВ, к которым относятся анионные (ЭБА) и катионные поверхностно-активные вещества (ЭБК). При использовании анионоактивных веществ получают анионные и щелочные эмульсии, а при использовании катионоактивных – катионные и кислые.
Битумная эмульсия имеет свои преимущества перед битумом: экономичность, технологичность, а также экологичность. Эмульсия требует меньше капиталовложений, дает экономию битума в 30-40%, экономию электроэнергии в полтора раза. Битумная эмульсия способна сохраняться в жидкой форме и, в отличие от битума, пожаро- и взрывобезопасна. Эмульсию можно использовать на влажных минеральных материалах, что позволяет расширить сроки строительного сезона. Однако для строительства магистралей с высокой нагрузкой битумные эмульсии не подходят, их качества лучше всего подходят для локальных ремонтных работ.
Модификация битума полимерами
Значительно улучшить качество битума можно при его модификации полимерами. Под полимернобитумными вяжущими (ПБВ) принято понимать вяжущие, полученные совмещением битумов и полимеров. Исследования в этой области были начаты в нашей стране более 30 лет назад. Рекомендации к применению модифицированных битумов вместо обычных объясняются их улучшенными свойствами. Модифицированные битумы обладают повышенной эластичностью, это важное качество позволяет выдерживать большие нагрузки, противостоять образованию трещин и способствует более медленному старению асфальтобетонного покрытия. Также полимерные битумы имеют большой диапазон рабочих температур: разница между температурой размягчения и температурой хрупкости достигает 100 °С (обычные битумы до 60 °С).
В настоящее время, ввиду многообразия полимерных соединений, предлагаемых нефтехимическими производствами, имеется богатый выбор используемых для модификации битумов. Условно их можно подразделить на три группы:
* термопласты (пластомеры)
* эластомеры
* термоэластичные материалы
Эластомеры состоят из длинных полимерных цепочек с широкими разветвлениями. Они эластичны в широком диапазоне температур: от низких до 200 °С. При добавке эластомеров в битум повышается его вязкость, улучшается эластичность. Но эти системы также неустойчивы при хранении, для предотвращения разделения фаз между битумом и искусственным материалом требуется постоянное перемешивание. Битум, модифицированный эластомерами, можно назвать битумом с эластичным наполнителем. В качестве эластомеров принято использовать натуральный или регенерированный каучук и полибутадиены.
Термоэластичные полимеры размягчаются при температурах выше обычных рабочих и хорошо деформируются в этом состоянии. Самым известным представителем группы термоэластичных материалов является стирол-бутадиен-стирол (СБС) или искусственный каучук. Этот материал представляет собой блокополимер, состоящий из блоков стирола и полибутадиена. СБС придает битумам прекрасную гибкость при низких температурах. Теплостойкость его несколько хуже, чем АПП, однако, при использовании высококачественного СБС-модификатора она может достигать 100°С. СБС-полимеры обладают отличной адгезией и прекрасным сопротивлением циклическим знакопеременным нагрузкам. Самостоятельная эластичность СБС-битумов (без минеральных вяжущих) достигает 1500-2000%. Битумы, модифицированные СБС-полимерами, соответствуют климатическим особенностям основной части территории России. Добавка этого материала к битуму составляет, как правило, от 3 до 6% от общей массы готового вяжущего.
Необходимое количество добавляемого материала зависит от дисперсного состояния вводимого вещества: если СБС вводится в битум в мелкодисперсной форме, то расход уменьшается, если в крупнодисперсной форме, то требуется больше модификатора (по материалам Строй-Техника.Ру – информационной системы по строительной технике).
Как у нас в стране, так и в мировой практике именно полимеры класса СБС являются основным исходным полимером для получения ПБВ. Объем применения других полимеров для этих целей значительно ниже. Так, например, во Франции помимо СБС используют полимер EVA (этил-винил-ацетат), но его применение не позволяет значительно повысить температуру хрупкости, что важно для климатических условий России. Стоит отметить, что в России битумы одной и той же марки, но выпущенные на НПЗ в разных местах, могут отличаться друг от друга.
Таким образом, битумы с добавлением качественных полимеров показывают при практических исследованиях очевидное преимущество по сравнению с необогащенными материалами. В связи с этим понятно, почему доля использования ПБВ в дорожной отрасли многих стран непрерывно возрастает: в США (только на Аляске 50%), Германии (около 25%), Китае (около 15%). За счет применения ПБВ в США и Канаде доля дорог в хорошем состоянии возросла с 40-43 до 75-80%. Дорожники Австрии и Германии экспериментально зафиксировали сохранение основных прочностных и эксплуатационных качеств некоторых покрытий на ПБВ даже через 15 лет после их устройства. Особенно большой эксплуатационный эффект показывают асфальтобетоны на ПБВ в покрытиях тяжело и интенсивно нагруженных дорог типа автобанов.
В России же применение ПБВ распространяется очень медленно, не повсеместно и составляет всего лишь несколько процентов от общего потребления дорожных вяжущих.
Модификация битума резиновой крошкой
В качестве модификатора битума, как уже стало понятно из предыдущего раздела, может использоваться резиновая крошка (резиновый модификатор асфальта). В битум при этой системе от 7% до 12% по объему добавляется мелкая крошка размером 0,5-1,5 мм. У наружного рабочего слоя дорожного полотна с вкраплением резины существенно улучшаются физико-механические характеристики: повышенная стойкость к образованию трещин и упругость увеличивается на 20-30%, растет уровень шумопоглощения, коэффициент морозоустойчивости, что сказывается положительно на материале, срок службы которого увеличивается в 2-3 раза.
В зависимости от способа производства смесь резины с битумом проявляет различные свойства. Данная смесь может обладать следующими свойствами:
* Высокая степень вязкости по сравнению с обычным битумом
* Низкая термочувствительность
* Высокая степень сцепляемости
Смесь из мелкой резиновой пыли и гранулята в наружном слое покрытия обеспечивает хороший результат при ночных заморозках на улице. Резиновый слой остается эластичным и разрушает лежащий на нем лед, как только по нему проезжает транспортное средство, обеспечивая контакт между шиной и покрытием. Количество несчастных случаев на оборудованных такими покрытиями улицах во время ночных заморозков значительно ниже. В случае, если уличное покрытие выполнено из грубого резинового гранулята или гравия, снижается опасность скольжения по воде, т.к. вследствие пористости осадки легче впитываются.
Смесь резины и битума является также идеальным материалом для заживления трещин на дорогах, при этом отремонтированные отрезки дороги могут быть доступны для движения незамедлительно. Объем потребления резиновой крошки составляет 15-20 тонн на 1 км дорожного полотна.
Использование изношенных легковых, грузовых, автобусных и троллейбусных шин с текстильным и металлическим кордом, в том числе и из цельнометаллокордных шин, впервые освоили в США, Западной Европе, Японии. Первые попытки изменить свойства битума посредством добавления резинового гранулята предпринимались в конце 60-х – начале 70-х годов фирмами «Sahuro Petroleum», «Asphalt Company» и «Mc Donald», позднее «Arizona Refining Company (Arco)». В конце 70-х в Европе и, особенно в Бельгии наблюдается повышенный интерес к соединению битума и резины (Arco-технология). Контролируемая Esso Бельгия ввела технологию в начале 80-х гг. В 1979 г. в рамках BRRC-проекта в Бельгии впервые применили пористый асфальт из смеси резины с битумом в качестве уличного покрытия. Уже этот первый эксперимент наглядно показал все преимущества, которые можно ожидать от применения новой технологии.
Дальнейшие технологии в этой области были разработаны Rouse Rubber Industries (Флорида). Очень мелкая резиновая пыль (0,180 мм) была смешана с битумом при помощи экспериментального оборудования. Данный способ открывает возможность производить замес уже при производстве битума, а не в дорожно-строительной машине, как при технологии, разработанной компанией Mc Donald. Различие этого классического мокрого метода лежат в более низких температурах, меньшем размере частиц и более коротком времени протекания реакции.
«Neste/Wright Asphalt Products» (Texas) в 1994 г. разработала цементное покрытие для улиц с добавлением резины изношенных шин. Данное изделие содержит 5-15% гомогенной и легко модифицируемой резины. Наличие резины не препятствует процессу окончательного замеса, т.к. она имеет аналогичную консистенцию. Позднее смеси на основе резины и битума – в основном пористый асфальт – стали широко применять в различных странах Европы (Австрия, Франция, Германия, Венгрия, Италия, Нидерланды, Швейцария и т.д.). А теперь эта технология постепенно пробивает себе дорогу и в России.