автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Исследование теплоизоляционных материалов для строительства нежестких дорожных одежд

/

МОСКОВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

УДК На правах рукописи

Шао Чан Лань

^¡з Ж —

^Р К ^

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Специальность 05.2.3.05. «Строительные материалы и изделия»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент Н.В. БЫСТРОВ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

УДК На правах рукописи

Шао Чан Лань

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Специальность 05.23 05. «Строительные материалы и изделия»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент Н.В. БЫСТРОВ

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание 2

Введение 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧА ИССЛЕ- 8 ДОВАНИЯ

1.1. Особенности строительства автомобильных дорог не- 8 жесткого типа в районах сезонного промерзания грунтов на севере Китая

1.2. Критерии морозоустойчивости нежестких дорожных 16 конструкций

1.3. Основные представления о механизмах влагопереноса 17 в грунтах при промерзании

1.4. Влияние условий промерзания на морозное пучение 24 грунтов

1.5. Требования к теплоизоляционным материалам 30

1.6. Цель и задачи исследования 37

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. МАТЕРИАЛЫ 41

2.1. Методология исследований 41

2.1.1. Методы изучения температурного режима дорожной одежды и земляного полотна 41

2.1.2. Метод определения коэффициента теплопроводности материалов и грунтов 43

2.1.3. Стандартные методы исследований 46

2.2. Физико-химические методы исследований 46

2.3. Характеристика исходных материалов 47

2.3.1. Суглинок 47

2.3.2. Пылёватая супесь 48

2.3.3. Глина 49

2.3.4. Водопроницаемость грунтов 49

2.3.5. Песок 50

2.3.6. Щебень 52

2.4. Золошлаковые смеси 53

2.5. Известь 63

Выводы по главе 67

3. ОЦЕНКА ЗОЛОШЛАКОМИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В КАЧЕСТВЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СЛОЕВ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД 68

3.1. Физико-механические свойства отвальных ЗШС 68

3.2. Однородность ЗШС 72

3.3. Строительно-механические свойства ЗШС, укрепленных известью 76

Выводы по главе

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 91

4.1. Экспериментальные исследования температурного режима на опытном полигоне 91

4.2. Исследование температурного поля дорожной одежды, выполненной с применением теплоизоляционных материалов 108

4.2.1. Строительство полигона 108

4.2.2. Измерение теплофизических параметров 109

4.2.3. Измерение температурных полей 112

Выводы по главе

5. ОСНОВЫ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ 125

5.1. Физическая сущность математических моделей влагопереноса в грунтах при промерзании 125

5.2. Расчет морозного пучения грунтов в условиях повышенного предзимнего увлажнения (2 тип местности) 130

5.3. Расчет морозного пучения грунтов в условиях избыточного предзимнего увлажнения 3 тип местности) 135

5.4. Теплотехнический расчет эффективности теплоизоляционного слоя на основе золошлаковой

смеси тепловых электростанций 140

Выводы по главе

6. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 152

7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154

ВВЕДЕНИЕ

В последние 15 лет в Китайской Народной Республике в результате комплекса мер, принятых руководством страны, происходит заметный экономический рост. Основная цель - превращение Китая в высокоразвитую державу, способную к устойчивому развитию.

Интенсивное развитие экономики и подъем производства ставят новые задачи строителям транспортного комплекса. В частности, новые, более высокие требования предъявляются к качеству строительства и долговечности автомобильных дорог. Традиционная дорожная сеть КНР в настоящее время не способна обеспечить перевозку грузов в условиях повышения интенсивности движения и грузоподъемности автотранспортных средств. Кроме того, следует учитывать, что наиболее развита сеть автомобильных дорог на востоке и юго-востоке страны - в местах высокой плотности населения и промышленно развитых районов.

Строительство дорог в быстро развивающихся регионах, в частности, на северо-востоке КНР, требует значительного количества каменных материалов, битума, цемента. Дорожное строительство в этом регионе осложняется более суровыми климатическими условиями, отсутствием местных качественных каменных материалов, другими факторами. Дорожники КНР, творчески перенимая опыт более развитых стран, успешно осваивают новые технологии строительства, материалы, технику.

В Китае существуют все виды мерзлых грунтов (вечномерзлые, сезонно- и кратковременно мерзлые). Они занимают 98,8 % территории Китая, в том числе вечномерзлые и сезонномерзлые грунты находятся на 75 % территории страны [1]. Запросы современного интенсивного освоения этих территорий требуют решения ряда проблем теории и практики инженерного мерзлотоведения, связанных с обеспечением устойчивости, прочности и долговечности зданий и инженерных сооружений, возводимых на мерзлых и промерзающих грунтах-основаниях. - -

В предлагаемой работе исследование этих проблем ограничено районами сезонного промерзания и оттаивания на северо-востоке Китая при строительстве автомобильных дорог с покрытиями нежесткого типа. Работа посвящена изучению климатических характеристик,

'4

влияющих на величину морозного пучения, а также теплоизоляционных материалов, которые могут быть использованы в дорожных одеждах для ограничения морозного пучения.

Ежегодно на дорогах северо-восточных провинций проводят крупные и дорогостоящие работы по ликвидации пучин. Это свидетельствует как о необходимости мероприятий, направленных на снижение величины морозного пучения нежестких дорожных одежд, так и о недостаточно высокой точности принятых методов расчета морозоустойчивости дорожных одежд.

К факторам, влияющим на морозное пучение грунтов земляного полотна, относятся [2-4]:

- вещественный состав грунта и его физико-химические свойства;

- влагосодержание перед промерзанием;

- взаимосвязь с водоносным горизонтом;

- скорость промерзания и градиент температуры в талой зоне.

При отсутствии одного из этих трех факторов (воды, пучини-

стых грунтов и скорости промерзания грунта) морозное пучение в земляном полотне не возникает. Поэтому снизить величину морозного пучения или устранить его можно путем регулирования факторов, влияющих на морозное пучение грунта. Для этого в предлагаемой работе проведены исследования регулирования скорости промерзания и градиента температуры в талой зоне грунта земляного полотна, т. е. исследования теплоизоляционных слоев дорожных. одежд, снижающих глубину промерзания земляного полотна.

Для устройства морозозащитных слоев традиционно используются зернистые каменные материалы (щебень, песчано-гравийные смеси и песок), что приводит к значительному повышению материалоемкости и удорожанию строительства дорог.

Интенсивное строительство автомобильных дорог требует исследований и внедрения новых дорожно-строительных материалов (усовершенствованных, либо новой технологии производства, либо новой технологии строительства конструктивных слоев) с учетом условий работы этих материалов в конструкции - климатических и грунтово-гидрологических особенностей, типов покрытия, интенсивности и состава движения, расположения слоя в конструкции. С этой

целью для теплоизоляции дорожной конструкции могут применяться дорогие высокопористые материалы, либо материалы, полученные за счет применения отходов промышленности и вторичных ресурсов. Исследования в этом направлении весьма перспективны, однако недостаточно развиты в Китае.

На северо-востоке Китая размещено много тепловых электростанций, работающих на твердом топливе. Ежегодно в результате сжигания топлива образуется большое количество зол, шлаков и зо-лошлаковых отходов (ЗШС). Их рациональное использование в дорожном строительстве имеет большое хозяйственное значение.

Целью данной работы является теплотехническое обоснование использования материалов на основе золошлаковых смесей ТЭС в качестве теплоизоляционных слоев дорожных одежд на северо-востоке Китая.

Областью настоящего исследования с учетом дорожно-климатических условий северо-востока Китая выбраны Ü и III типы местности по условиям увлажнения.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Показана возможность использования материалов на основе золошлаковых смесей ТЭС в качестве теплоизоляционных слоев дорожных одежд на северо-востоке КНР.

2. Установлено влияние теплоизоляционных слоев на температурный режим дорожных одежд и земляного полотна в конкретных условиях КНР.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Результаты исследований физико-механических свойств материалов на основе ЗШС ТЭС.

2. Результаты полевых и лабораторных исследований температурного режима дорожных конструкций в районах сезонного промерзания и оттаивания.

3. Результаты исследований температурного поля дорожных одежд с использованием теплоизоляционных материалов.

4. Результаты измерений теплопроводности грунтов и дорожно-строительных материалов.

Практическое значение работы заключается в том, что:

1. Развиты положения "Инструкции по обеспечению морозоустойчивости дорожных одежд и земляного полотна" [5].

2. Исследованы физико-механические свойства ЗШС трех наиболее крупных ТЭС в рассматриваемом регионе.

3. Показана возможность применения для теплоизоляционных слоев ЗШС ТЭС и ЗШС ТЭС, укрепленных известью.

4. В результате исследований установлено, что использование таких материалов для устройства морозозащитных слоев позволяет на 30-50% уменьшить толщину последних по сравнению со слоями из песка, щебня и т.д., толщина которых, необходимая для обеспечения морозоустойчивости дорожных конструкций, достигает 40-50 см, а иногда и более.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и содержит 162 страницы, включая 41 рисунок, 34 таблицы, список литературы из 121 наименования.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю - к.т.н., доц. Н.В. Быстрову. За оказанную помощь и большое внимание при выполнении диссертационной работы автор выражает благодарность к.т.н. В.Е. Борозинцу. Автор признателен за советы и консультации д.т.н., профессору Н.В. Горелышеву, к.т.н., доц. Л.П. Бессоновой и другим сотрудникам кафедры дорожно-строительных материалов МАДИ(ТУ).

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ

1Л. Особенности строительства автомобильных дорог с одеждами нежесткого типа в районах сезонного промерзания грунта на северо-востоке КНР

В КНР сезонное промерзание грунтов происходит на значительной части территории северных провинций. Одним из типичных регионов этого вида является провинция Хэйлунцзян, выбранная для разработки принципов применения теплоизоляционных материалов на основе ЗШС в дорожных одеждах в районах сезонного промерзания с учетом снижения стоимости применяемых материалов.

Провинция Хэйлунцзян находится на северо-востоке Китая, на севере граничит с Россией. Большинство территории провинции расположено на холмистой равнине (рис.1).

Природно-климатические условия провинции Хэйлунцзян характеризуются муссонным климатом, длинным зимним периодом, обилием осенних дождей, почти повсеместным распространением верховодки (0,5 - 1,8 м от поверхности земли).

В грунтово-почвенном разрезе до 80 см располагается чернозем с органикой, ниже - песчаные грунты, пылеватый суглинок, глина.

Среднегодовая температура воздуха в пределах рассматриваемой провинции изменяется от +0,5 до +3,2 °С. Максимальная толщина снежного покрова составляет от 20 до 50 см. Глубина промерзания грунтов: 1,8 - 2,2 м. Скорость промерзания составляет 1,28 - 2,18 см/сут. Промерзание грунтов в основном монотонное.

Ввиду отсутствия значительных запасов песков, для сооружения земляного полотна автомобильных дорог главным образом используется глина или пылеватый суглинок, поэтому с учетом климатических и грунтово-гидрологических условий строительство автомобильных дорог в провинции Хэйлунцзян осложнено пучинообразованием.

Причиной образования пучин является дополнительное перемещение влаги к фронту промерзания, которая при замерзании расширяется на 9 %. Если подземные воды залегают неглубоко,, то процесс миграции влаги и льдообразование при определенной скорости промерзания может сопровождаться значительным пучением.

Li-agoves нелегок

'Vilia

iuvm

й 7 990 DeLorm« Mapping

fif

..11

•<?iqiliar

§

3=

...... .

94.

Я

ai1! Harbin

hun

icnyang Beiud (Penhsrl

Jiamusi

Mudanj lang

rCk'Ongjiu

Рисунок 1. Северо-восточные провинции КНР.

Морозное пучение грунтов, уложенных в земляном полотне, может привести к появлению растягивающих напряжений в связных материалах дорожных конструкций и к деформации дорожной одежды. При значительном неравномерном пучении грунтов земляного полотна основание и покрытие разрушаются.

Весной, вследствие переувлажнения грунта земляного полотна за счет таяния накопившегося за зиму льда, грунт резко снижает несущую способность, так как отток воды из оттаивающих прослоек льда в пылеватых, особенно глинистых, грунтах затруднен. Оттаивающий грунт земляного полотна находится весной нередко в состоянии разжижения и при воздействии тяжелой нагрузки дорожная одежда может быть полностью разрушена [6]. Недостаточно прочный грунт земляного полотна, в котором под влиянием нагрузки, климата

и грунтово-гидрогеологических условий возникают недопустимые деформации, является одной из причин образования трещин в покрытиях. Трещины, возникающие в покрытии в холодный период года из-за недостаточной деформативности асфальтобетона, являются основной причиной снижения срока службы асфальтобетонных покрытий

[7].

Очевидно, что в сухом промерзающем грунте не может происходить морозное пучение. Мы считаем, что исходная влага грунта земляного полотна не может вызывать морозное пучение. Истинной причиной морозного пучения является появление мощных шлиров льда. Другими словами, морозное пучение всегда связано с перемещением влаги из грунтовых вод. Поэтому появилось много гипотез о связи деформации земляного полотна с механизмом влагопереноса в грунтах при промерзании. Различные силы, которые определяют преимущественное значение того или иного механизма переноса влаги в конечном счете сводятся к двум видам движущих сил - молекулярному и гидравлическому.

Исследования поведения земляного полотна дали основание предполагать, что атмосферные осадки в период первоначального осеннего накопления являются основным источником увлажнения [8]. Проникновение в грунт земляного полотна водяного пара также является мощным источником влагонакопления [9].

Результаты исследований по мерзлотоведению показывают, что процессы, связанные с изменением влажности промерзающих тонкодисперсных грунтов, являются сложными теплофизическими, физико-химическими, физйко-механическими процессами. Изученность их в настоящее время еще не достаточна. По нашему опыту, следует обращать внимание на поверхностную воду, которая пропитывает грунты преимущественно под обочинами. Капиллярные поры, по мнению автора, являются транзитным путем миграции подземной воды к фронту промерзания, подземная вода обеспечивает питание растущих кристаллов льда.

За исключением, вероятно, засушливого климата, любой влаго-перенос в промерзающем грунте сопровождается тепловыми процессами, которые определяют фазовые переходы воды в лед, структуро-образование промерзающего грунта и потенциал переноса влаги при

10

совокупности сил, возникающих в земляном полотне и воздействующих на содержащийся в нем материал. B.C. Лукьянов, В.Н. Рувин-ский, Буюкс и др. [10-14] считают, что факторы, влияющие на температурный режим грунта земляного полотна, подразделяются на две группы:

1. Внутренние (теплофизические свойства дорожных одежд и грунтов) - теплоемкость, теплопроводность, влажность, плотность, концентрация солей и содержание незамерзшей воды.

2. Внешние - температура воздуха, солнечная радиация, скорость ветра, относительная влажность воздуха, осадки - испарение и снежный покров, отражательная способность поверхности.

Учет всех этих факторов при строительстве нежестких дорожных одежд на пучинистых участках невозможен. В настоящее время преобладает мнение, что климатические факторы, влияющие на интенсивность морозного пучения грунта в районах сезонного промерзания, можно учесть через скорость промерзания грунта [15-18]. Средняя многолетняя скорость промерзания грунта в районах сезонного промерзания в Китае составляет 1,2- 2,9 с-м/сут. Максимальные величины составляют 2,1-4,1 см/сут [2].

Строительство дорожной одежды изменяет тепловой режим грунта земляного полотна вследствие более высокой теплопроводности материалов д�