Создание долговечных покрытий автомобильных дорог предполагает использование системных решений, в том числе и с применением эффективных утеплителей.
О применении пенополистирольных экструдированных плит в системах дорожных покрытий рассказывает профессор МГСУ А.Д.ЖУКОВ
Среди важных задач, с которыми сталкиваются строители и инженеры-проектировщики в ходе строительства транспортных сооружений, повышение прочности основания земляного полотна, снижение деформации от сил морозного пучения при промерзании конструкции и проблема строительства в регионах с распространением вечномерзлых грунтов. Расширение и улучшение сети автомобильных дорог, является залогом развития экономики. Одним из решений, направленных на увеличение срока безремонтной эксплуатации и обеспечения надежности дорожного полотна, является применение системных решений (рис. 1) с применением в конструкциях основания теплоизоляционных слоев из экструзионного пенополистирола.
Рис.1. Автодорожная система:
1 – асфальтобетон на дорожном полимерно-битумном вяжущем; 2 – армирующая сетка; 3 – эмульсия битумная дорожная; 4 – щебень, обработанный битумной дорожной эмульсией; 5 – армирующая сетка; 6 – песок; 7 – XPS-плиты; 8 – геотекстиль; 9 – грунтовое основание
Требования к теплоизоляции дорожных конструкций
Теплоизолирующие материалы, применяемые в дорожных конструкциях, должны:
– сохранять теплоизолирующие свойства под воздействием влаги, знакопеременной температуры и агрессивных вод в течение всего периода эксплуатации дороги;
– быть морозостойкими, биостойкими и нетоксичными;
– обладать технологичностью в работе (размеры плит, удобные в работе, возможность скрепления краев плит между собой, например шпунтовка и др.);
– выдерживать нагрузки, возникающие при укладке и уплотнении вышележащих слоев дорожной одежды (испытание на прочность при сжатии), а также от вышележащих слоев насыпи и транспорта во времени.
Материалы должны обладать следующими физическими, теплофизическими и прочностными характеристиками:
Водопоглощение, % (ГОСТ17177), не более 0,45
Теплопроводность, Вт/(м·К) (ГОСТ 30256), не более 0,032
Сопротивление сжатию при 10 %-ной линейной деформации, МПа (ГОСТ 17177), не менее 0,4
Предел прочности при статическом изгибе, МПа (ГОСТ 17177), не менее 0,6
Условия и эффективность применения теплоизолирующих слоев из XPS-плит
Экструдированные пенополистирольные плиты (XPS-плиты) являются современным теплоизоляционным материалом, обладающим всеми необходимыми для дорожной теплоизоляции свойствами. Их единственный недостаток – горючесть – для закрытых сооружений (изолированных от прямого контакта с атмосферой) не является значительным.
Физико-механические характеристики XPS плит «ТЕХНОПЛЕКС» 45-500
Плотность, кг/м³ 38,1-45,0
Прочность на сжатие при10 %-ной линейной деформации, не менее, кПа 500
Теплопроводность при (25±5) оС, Вт/(м?К), не более 0,030
Теплопроводность в условиях эксплуатации «А и«Б», Вт/(м?К), 0,032
Предел прочности при изгибе, не менее, кПа 0,35
Водопоглощение, %, не более 0,2
Группа горючести Г4
Коэффициент термического расширения, мм/(м?оС) 0,07
Коэффициент паропроницаемости, мг/(м?ч?Па) 0,005
Удельная теплоемкость, кДж/(кг?оС) 1,50
Модуль упругости, МПа 20
Температура эксплуатации, оС от -50 до +75
Геометрические размеры: Длина?Ширина?Толщина, мм (1180-4500)?580?(20-120)
Теплоизолирующие слои из XPS-плит в дорожной конструкции могут применяться:
- для снижения деформаций пучения при промерзании дорожной конструкции, в которой в пределах глубины промерзания имеются пучинистые грунты;
- для теплоизоляции подземных сооружений (магазины, склады, кафе, паркинги и т.д.), расположенных непосредственно под проезжей частью городских дорог;
- для сохранения вечномерзлого грунта в основании (или теле) насыпи с исключением просадок земляного полотна при оттаивании его основания(или мерзлой части насыпи), как альтернатива устройству повышенных насыпей (выше, чем отвечающие условию снегонезаносимости) или устройству теплоизоляции из торфа.
Первое направление использования теплоизолирующего слоя может быть реализовано на дорогах общей сети и ведомственных дорогах в I - IV дорожно-климатических зонах (ДКЗ) при наличии сезонного промерзания грунтов земляного полотна с повышенной пучинистостью.
Второе направление может быть реализовано на городских дорогах во II –IV ДКЗ;
Третье направление может быть реализовано на дорогах общей сети и ведомственных дорогах, расположенных в I-й ДКЗ.
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 и, соответственно, возможности использования в верхней части земляного полотна местных пучиноопасных грунтов;
– повышения долговечности конструкции вследствие исключения периодически возникающих деформаций морозного пучения и просадки при оттаивании;
– возможности понижения рабочих отметок насыпей на участках, где при применении традиционных конструкций действуют ограничения СНиП 2.05.02-85 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 в процессе промерзания;
– снижения требуемой толщины дренирующего слоя за счет исключения поступления воды снизу при оттаивании земляного полотна;
– исключения необходимости замены грунта в основании дорожной одежды в выемке.
Эффект от применения теплоизолирующего слоя, используемого вдорожной одежде для теплоизоляции подземных сооружений, расположенных под городскими дорогами, может быть получен за счет снижения расходов на отопление подземных сооружений и улучшения экологической обстановки и снижения пожароопасности в помещениях подземных сооружений за счет замены внутренней теплоизоляции внешней.
Эффект от применения теплоизолирующего слоя для предотвращения оттаивания грунта, используемого в конструкции в мерзлом состоянии в зоне вечной мерзлоты, может быть получен за счет:
– обеспечения возможности уменьшения рабочих отметок насыпей, сооружаемых по I принципу в зоне вечной мерзлоты с соответствующим уменьшением объемов земляных работ;
– снижения экологического ущерба при строительстве дорог в северных районах за счет уменьшения объемов выработок грунтов, а также уменьшения полосы отвода при снижении высоты насыпи;
– обеспечения возможности использования в земляном полотне грунтов с любой степенью увлажнения в виде мерзло-комковатого материала;
- повышения надежности и долговечности дорожной конструкции, запроектированной по I-му принципу.
Обеспечение морозоустойчивости дорожной конструкции при её сезонном промерзании
Требования по морозоустойчивости дорожных конструкций
Конструктивные решения дорожных покрытий с использованием теплоизолирующих слоев используют для автомобильных дорог всех технических категорий в I – IV дорожно-климатических зонах, в том числе и в условиях вечной мерзлоты.
Морозоустойчивость дорожной конструкции оценивают по расчетной величине ее морозного пучения. Морозоустойчивость конструкции считается обеспеченной при условии:
где: – расчетная величина морозного пучения конструкции; – допустимая величина морозного пучения.
В случаях, когда определенная расчетом величина морозного пучения земляного полотна дорожной конструкции превышает допустимые значения, указанные в табл. 1, должны рассматриваться мероприятия по снижению или исключению морозного пучения грунтов земляного полотна, включая устройство теплоизолирующих слоев.
Таблица 1
Допустимое морозное пучение (Таблица 4.3 ОДН 218.046-01)
Для определения расчетной величины морозного пучения конструкции могут быть использованы методики, приведенные в ОДН 218.046-01:
- методика, основанная на использовании осредненной для заданных условий величины морозного пучения традиционных конструкций, полученной по результатам региональных наблюдений, с введением корректирующих табличных коэффициентов;
- методика, основанная на использовании определяемой экспериментально величины коэффициента влагопроводности грунта.
Теплоизолирующие слои из XPS-плит применяют 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.
Теплоизолирующие слои из XPS-плит могут быть применены как в насыпях, отсыпанных из пучиноопасных грунтов, так и в выемках, основание которых сложено пучиноопасными грунтами.
Для расчета требуемой толщины теплоизолирующего слоя могут применяться расчетные методы, изложенные в ОДН 218.046-01. Метод, разработанный В.И. Рувинским, основан на расчете по термическому сопротивлению конструкции. Метод, разработанный И.А. Золотарем, основан на использовании в качестве характеристики грунта коэффициента влагопроводности, определяемого экспериментально.
Проектирование дорожных конструкций
Проектирование дорожных конструкций с применением XPS-плит для защиты земляного полотна от промерзания
При конструировании должна быть обеспечена полная или частичная защита пучиноопасного грунта земляного полотна от промерзания, а также дренирование дорожной одежды. Дренирование дорожной одежды с теплоизолирующим слоем обеспечивается устройством дренирующего слоя, который может предусматриваться в трех вариантах:
– в виде песчаного слоя, располагаемого над теплоизолирующим (работающим также в качестве защитного слоя);
– в виде песчаного слоя, вмещающего в себя теплоизолирующий слой;
– в виде дренирующего слоя из геотекстиля, обладающего продольной водопроницаемостью.
Толщина дренирующего слоя в общем случае определяется расчетом по методике, изложенной в ОДН 218.046-01.Необходимая ширина теплоизолирующего слоя принимается равной не менее, чем на 1,5-2,0 м больше ширины проезжей части или равной ширине земляного полотна по верху.
Принципиальная схема дорожной конструкции с теплоизолирующим слоем из XPS-плит представлена на рис. 2. Конструкция может быть применена как для нежестких, так и для жестких дорожных одежд.
Рис. 2. Принципиальная схема дорожной конструкции с теплоизолирующим слоем (для условий сезонного промерзания):
1 – покрытие; 2 – несущее основание; 3 – дополнительный слой основания с теплоизолирующим слоем; 4 – пучиноопасный грунт; 5 - теплоизолирующий слой; 6 – грунт основания насыпи
При проектировании должно быть учтено, что расчет толщины дренирующего слоя следует выполнять по отдельности: верхнюю часть (над плитами) - на увлажнение за счет осадков, и нижнюю часть - на увлажнение грунтовыми водами. Толщину теплоизолирующего слоя в выемке в любом случае рекомендуется назначать исходя из исключения промерзания земляного полотна. Во всех случаях должен быть обеспечен поперечный уклон теплоизолирующего слоя не менее 2 %. На участках с теплоизолирующим слоем следует по возможности уменьшать продольные уклоны и увеличивать радиусы кривых, предусмотренные СНиП. Должны быть предусмотрены меры по борьбе с повышенным гололедообразованием.
Теплофизические характеристики материалов, используемых в дорожной одежде, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Теплофизические характеристики материалов, используемых в дорожной одежде
Проектирование дорожных конструкций с применением XPS-плит для обеспечения теплоизоляции подземных сооружений
Проектирование нежесткой дорожной одежды. Особенность дорожной одежды заключается в том, что она расположена на железобетонной плите, которая является кровлей подземного сооружения. Прочность кровли должна быть обеспечена. Цель расчета заключается в проверке прочности дорожной одежды.
Предлагаемая конструкция дорожной одежды (рис. 3) включает двухслойный асфальтобетон, щебень фракции 40 – 80 мм с заклинкой щебнем фракции 10 – 20 мм. Между щебнем и теплоизолирующим слоем – пенополистиролом, устроена геотекстильная прослойка. При укладке щебня на пенополистирол, беспесчаного слоя, толщина пенополистирольной плиты, полученная на основании теплофизического расчета, должна быть увеличена на 1-2 см.
Рис. 3 Схема конструкции дорожной одежды, устраиваемой по кровлеподземного сооружения:
1 – двухслойное асфальтобетонное покрытие; 2 – щебень; 3 - геотекстильная прослойка; 4 – XPS-плиты; 5 – битумно-полимерная гидроизоляция; 6 - выравнивающий слой из бетона; 7 – железобетонная плита кровли подземного сооружения.
Требуемую толщину теплоизолирующего слоя рассчитывают исходя из температуры, которую предполагается поддерживать в помещениях подземного сооружения. Расчет целесообразно проводить по специальным программам (например, программа TMFLAT «Расчет температурного режима тела и оснований инженерных сооружений», ОАО ЦНИИС, лаборатория инженерной теплофизики).
Расчет дорожной одежды по прочности выполняют следующим образом. Определяют безопасную глубину расположения теплоизолирующего слоя. В соответствии с ОДН 218.046-01 выполняют проверку асфальтобетонного покрытия на сопротивление усталостному разрушению от растяжения при изгибе. Проверку по упругому прогибу не проводят, поскольку прочность кровли должна быть обеспечена.
Проектирование жесткой дорожной одежды. Расчет на растяжение при изгибе цементобетонного основания дорожной одежды, приведенный в нормативных документах, выполняется в соответствии со следующей схемой: бетонная плита уложена на основание, представляющее собой упругое полупространство, эквивалентный модуль упругости которого существенно ниже модуля упругости плиты (рис. 4).
Рис. 4. Конструкция жесткой дорожной одежды:
1 – двухслойный асфальтобетон; 2 – мастика КОВ; 3 – бетонное основание; 4 – профилированная мембрана; 5 – XPS-плиты; 6 – битумно-полимерная гидроизоляция; 7 – выравнивающий слой из бетона; 8 – железобетонная плита кровли подземного сооружения.
Основание бетонной плиты в данной конструкции дорожной одежды представляет собой слой материала с высокой деформируемостью, уложенный на железобетонную балку пролетного строения. При этом, модуль упругости балки имеет тот же порядок, что и модуль упругости бетонной плиты.
Предлагаемая конструкция включает двухслойное асфальтобетонное покрытие и бетонное основание. Основание устроено со швами сжатия и расширения. Швы имеют штыревые соединения. Для предотвращения образования на поверхности асфальтобетона трещин, возникающих вследствие температурного расширения – сжатия плит цементобетонного основания, предложено использовать двухкомпонентную мастику холодного отверждения марки КОВ-190. Толщина слоя мастики 3 мм.
При образовании трещины в бетоне мастика затекает в нее, при этом полимер-асфальтобетон растягивается. Применение мастики дает эффект только при совместном использовании с асфальтобетоном на полимерно-битумном вяжущем. Между бетоном и пенополистирольными плитами помещена профилированная мембрана.
Обеспечение сохранения вечной мерзлоты в дорожной конструкции
Принципы проектирования дорожных конструкций на вечной мерзлоте и условия их применения
Применяемые в настоящее время методы проектирования дорожных насыпей в зоне вечной мерзлоты сводятся к трем основным принципам проектирования.
Первый принцип проектирования дорожных конструкций предусматривает обеспечение поднятия верхнего горизонта вечной мерзлоты (ВГВМ) не ниже подошвы насыпи (сезонное оттаивание ниже подошвы насыпи исключается) и сохранение его на этом уровне в течение всего периода эксплуатации дороги (расчетное состояние грунтов основания насыпи – мерзлое). Для реализации первого принципа требуется, как правило, либо сооружение высоких насыпей (3-5 м в зависимости от условий строительства), либо применение теплоизолирующих материалов.
Второй принцип проектирования предусматривает допущение оттаивания грунтов ниже подошвы насыпи на расчетную глубину в период эксплуатации дороги с учетом допустимой осадки основания в зависимости от типа покрытия (расчетное состояние грунтов основания – талое). Мощность деятельного слоя при этом может оставаться прежней, либо уменьшится (т.е. ВГВМ поднимется на некоторую высоту по отношению к исходному). Понижать ВГВМ, т.е. увеличивать мощность деятельного слоя, не рекомендуется.
Третий принцип проектирования предусматривает предварительное оттаивание и осушение мерзлых грунтов основания.
Наибольшее применение при строительстве дорог на вечной мерзлоте имеют два принципа – первый и второй.
Первый принцип применяют в 1-ой и 2-ой подзонах I дорожно-климатической зоны при следующих условиях:
– температура грунтов на границе нулевых годовых амплитуд ниже минус 1,5 оС;
– широкое развитие мерзлотных процессов и явлений: подземные льды различного генезиса, бугры пучения, термокарст, морозобойное растрескивание, наледные участки и т.п.;
– наличие грунтов IV – V категории просадочности (табл. 3).
Второй принцип может применяться во всех дорожно-климатических подзонах при условии залегания в основании насыпи минеральных грунтов II- III категорий просадочности и торфяников I - III категорий просадочности.
Третий принцип применяют в 3-ей подзоне I дорожно-климатической зоны при наличии легко осушаемых грунтов, среднегодовая температура которых выше минус 1,5 оС.
Таблица 3
Категории просадочности грунта (СниП 2.05.02-85)
Принцип проектирования выбирают на основе технико-экономического сравнения вариантов, исходя из мерзлотно-грунтовых и климатических условий участка трассы.
Особенности расчетов дорожных конструкций
Расчет толщины теплоизолирующего слоя, требуемого для сохранения основания насыпи в мерзлом состоянии, целесообразно осуществлять по специальной методике, основанной на двухмерной теплофизической задаче (например, программа TMFLAT «Расчет температурного режима тела и оснований инженерных сооружений», ОАО ЦНИИС, лаборатория инженерной теплофизики). Особое внимание должно быть уделено при откосной части насыпи, где происходит максимальное оттаивание основания. В особенности это относится к высоким насыпям (более 4 м), в откосах которых могут возникнуть значительные сдвигающие усилия, которые приводят к деформациям откосов насыпи.
Требуемая толщина теплоизолирующего слоя над проезжей частью насыпи может быть рассчитана в одномерной постановке. В табл. 4 приведены толщины XPS-плит, необходимые для обеспечения промерзания оснований снегонезаносимых насыпей для дорог III технической категории. Расчет был выполнен для дорожной одежды, включающей плиты ПАГ-14, подстилающий (он же зашитный и дренирующий) слой песка 20 см, XPS-плиту. Данные табл. 3 могут быть использованы при применении конструкции дорожной одежды, включающей: двухслойный асфальтобетон 14 см, щебень 20 см, песок 25 см, XPS-плиту.
При расчете дорожных одежд по прочности наличие мерзлого слоя с высоким модулем упругости, расположенного под пенополистиролом, и низкомодульного теплоизолирующего слоя не учитывается. В качестве расчетного модуля грунта принимается модуль упругости грунта, расположенного над теплоизолирующим слоем.
Таблица 4
Толщины теплоизоляции для различных пунктов вечной мерзлоты
Применять теплоизолирующие слои в районах со среднегодовой температурой выше минус 3 оС нецелесообразно.
Схемы дорожных конструкций, устраиваемых с сохранениемгрунта в мерзлом состоянии, с использованием теплоизолирующего слояиз XPS-плит
Предлагаемые конструкции могут быть устроены как с цементобетонным сборным, так и с асфальтобетонным покрытием. Во всех случаях XPS-плиты укладывают на выравнивающий слой из талого либо сыпучемерзлого песка толщиной 5-10 см.
На рис. 5 представлены четыре варианта конструктивных решений, используемых для сохранения грунта в мерзлом состоянии. Вариант А предназначен для случая, когда высота снегонезаносимой насыпи не обеспечивает сохранение основания в мерзлом состоянии. Вариант Б используют, если высота снегонезаносимой насыпи обеспечивает сохранение основания в мерзлом состоянии. Теплоизолирующий слой применяют для теплозащиты приоткосных частей насыпи.
Рис. 5.Схемы дорожных конструкций в зоне вечной мерзлоты: А – при недостаточной высоте снегонезаносимой насыпи; Б – при удовлетворительной высоте снегонезаносимой насыпи; В – при сооружении высоких насыпей; Г – при строительстве на плоскобугристых торфяниках
1 – дорожная одежда; 2 – защитный (он же дренирующий) слой; 3 – XPS-плиты; 4 – насыпь; 5 – положение ВГВМ после сооружения насыпи; 6 – то же, до сооружения насыпи; 7 – берма; 8 – льдоминеральное ядро бугра пучения.
Вариант В следует использовать при сооружении высоких насыпей. Такое конструктивное решение используется также при строительстве железных дорог. Под действием веса насыпи в оттаявшей приоткосной части ее основания могут произойти сдвиги и для их предотвращения устраивают бермы. Для уменьшения высоты бермы следует применять XPS-плиты, которые укладывают таким образом, чтобы защитный слой над плитой был не менее 0,5 м.
При сооружении земляного полотна на плоскобугристых торфяниках высотой до 1 м, разделенных мочажинами, используют вариант Г. Для предотвращения оттаивания тела насыпи со стороны откосной части предусмотрено устройство берм, которые могут быть выполнены из торфопесчаной смеси, песка или крупнообломочного материала. Таким образом, в насыпи образуется ядро, которое сохраняется в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации дороги.
Данное конструктивное решение (теплоизоляция мерзлого ядра в верхней части насыпи при помощи теплоизолирующего слоя, включающего XPS-плиты и со стороны откосной части – при помощи берм) может быть использовано также при сооружении ядра насыпи из какого-либо некондиционного материала, т.е. не удовлетворяющего требованиям ВСН 84-89 к грунтам.
Технологии устройства теплоизоляционных слоев при строительстве дорог
До устройства теплоизолирующего слоя должны быть подготовлено земляное полотно; обеспечен водоотвод с поверхности земляного полотна; оборудованы пути завоза строительных материалов.
Земляное полотно должно быть спланировано и уплотнено в соответствии с действующими нормативами. Водоотвод с поверхности земляного полотна должен быть осуществлен до начала отсыпки выравнивающего слоя под XPS-плиты. При соответствующем технико-экономическом обосновании применяют дренирующую прослойку из геотекстиля. Поперечный уклон дренирующей прослойки принимают не менее 2 %.
При использовании построечной техники при среднем давлении от заднего колеса более 0,6 МПа следует выполнить расчет необходимой толщины защитного слоя над XPS-плитами. После уплотнения этого слоя виброкатком 14-17 т по нему допускается пропуск построечного транспорта.
Для сохранения вечной мерзлоты в основании насыпи теплоизолирующий слой следует устраивать, как правило, в холодное время года. В выравнивающем слое в основании плит не должно быть мерзлых комьев, поэтомунеобходимо обеспечить своевременную заготовку сухого песка, пригодного дляэтой цели. Следует использовать либо талый песок, извлеченный из середины бурта и транспортированный автомашинами с утеплителем, либо сухомерзлый (с влажностью менее 7 %).
Указания по устройству теплоизолирующего слоя
В состав технологического процесса по устройству теплоизолирующего слоя дорожной одежды входят следующие операции: устройство выравнивающего слоя; укладка плит; устройство защитного слоя. Как правило, теплоизолирующий слой устраивают путем укладки плит в один ярус, однако в отдельных случаях плиты могут быть уложены в два яруса.
Устройство выравнивающего слоя включает транспортировку, распределение, профилирование и уплотнение песка. Выравнивающий слой должен соответствовать требуемым ровности и плотности в соответствии со СНиП 3.06.03-85 «Автомобильные дороги» и принят по акту на скрытые работы форма 40Т. Толщина слоя составляет 5-10 см в плотном теле. Поверхность выравнивающего слоя перед укладкой на нем плит должна быть очищена от посторонних предметов.
В дорожной одежде следует использовать плиты с краем, выполненным с уступом (шпунтом) или с пазом для скрепления соседних плит. Плиты укладывают вручную бригадой рабочих. Плиты следует укладывать таким образом, чтобы поперечные швы в соседних рядах плит располагались вразбежку (рис. 5). В случае укладки плит в 2 яруса швы нижележащего ряда плит необходимо перекрывать вышележащими плитами. При укладке необходимо обеспечить равномерное опирание всей поверхности плиты на выравнивающий слой. Для этого непосредственно перед укладкой плиты, если это требуется, следует подсыпать песок под плиту.
Рис. 6. Схема раскладки XPS-плит:
1 – стальные стержни; 2 –XPS-плиты
Плиты крайних рядов закрепляют двумя стальными стержнями диаметром 6-8 мм и длиной 400 мм в соответствии со схемой раскладки плит. Через каждые 5-6 рядов производят закрепление одного ряда плит указанными стержнями. Целесообразно применение стержней, изогнутых в виде буквы «П».Теплоизолирующий слой должен быть принят по акту на скрытые работы.
Устройство защитного слоя включает транспортировку, распределение, профилирование и уплотнение песка. Если защитный слой выполняет согласно проекту функции дренирующего слоя, песок должен иметь коэффициент фильтрации в соответствии с расчетным, как правило, не ниже 2 м/сут. Толщина защитного слоя проверяется расчетом и должна быть не менее 20 см в плотном теле.
Проезд строительной техники по плитам теплоизолирующего слоя не допускается. Выравнивающий слой отсыпают «от себя». Распределение песка производят бульдозером при постоянном геодезическом контроле. Автогрейдером производят профилирование поверхности песка за 1-2 прохода по одному следу.
Требования безопасности
Плиты при нормальных условиях эксплуатации, транспортировки и хранения не являются токсичными и не выделяют вредных продуктов в концентрациях, опасных для здоровья человека. Плиты относятся к группе сгораемых материалов. При производстве и хранении плит должны соблюдаться правилабезопасности в соответствии с ГОСТ 12.3.030-83 и ГОСТ 17.2.3.02-78
Утилизацию отходов осуществляют в соответствии с МЗ № 3138 или направляют на вторичную переработку. Непригодные к переработке отходы подлежат утилизации в специальном месте или вывозу на специальные полигоны промышленных отходов.
Противогололедные мероприятия
При применении теплоизолирующих слоев в дорожной одежде в период знакопеременной температуры воздуха в весеннее время иногда возникает повышенное гололедообразование. Борьба с гололедообразованием может вестись в двух направлениях:
- мероприятия, направленные на устранение всех типов скользкости в зимнее время;
- мероприятия, направленные на обеспечение безопасного проезда в период возникновения повышенного гололедообразования.
К первому направлению относятся: применение в составе асфальтобетонной смеси гидрофобизаторов, препятствующих сцеплению льда с асфальтобетоном, а также применение реагентов, понижающих температуру замерзания воды на покрытии путем их добавки в асфальтобетонную смесь в виде минерального порошка.
Ко второму направлению относятся: применение фрикционных материалов, понижающих скользкость покрытия; применение реагентов, понижающих температуру замерзания воды на покрытии путем их периодического нанесения на покрытие; одновременное применение фрикционных и химических материалов.
Наиболее эффективным признан метод, направленный на устранение всех типов скользкости, связанный с добавлением в асфальтобетонную смесь реагентов – антигололедных наполнителей, понижающих температуру льдообразования.
Преимущество технологии заключается в предотвращении образования гололедицы, сокращении расхода антигололедных реагентов и улучшении экологической обстановки. Для этой цели может быть использован антигололедный реагент «Грикол» производства «Грикол Лимитед». Минеральный порошок представляет собой кремнийорганические вещества с хлоридами. При применении этого материала следует учитывать, что действие реагента начинается при активизации поверхности битума, что происходит при осуществлении движения по покрытию. На новом участке дороги до открытия движения может наблюдаться гололедообразование, как и на участках с обычным покрытием. Реагент применяется в горячих и холодных асфальтобетонных смесях для покрытия толщиной до 5 см.
Для обеспечения безопасного проезда в период возникновения повышенного гололедообразования целесообразно применение реагентов, понижающих температуру замерзания воды на покрытии. К наиболее часто применяемым в России относятся: хлористый кальций, Айсмелттм (ХКНМ), ЭКОСОЛ, Био-Маг (хлористый магний), БИОНОРД.
Применение XPS-плит дает множество преимуществ как дорожной службе, так и пользователям дорог. Защита от воздействия мерзлоты значительно снижает расходы на содержание дороги. Дорога без повреждений от мерзлоты имеет более высокий уровень безопасности. Более ровная дорога означает повышенный комфорт движения и наряду с этим снижает расход горючего, следствием чего является снижение вредного воздействия на окружающую среду.
Изолирующие слои из экструдированного пенополистирола в дорожной конструкции применяют на автодорогах в черте населённых пунктов, на автомобильных дорогах общего пользования и подъездных дорогах к промышленным предприятиям.
Применение XPS-плит является альтернативой устройству традиционных морозозащитных слоёв для снижения деформаций пучения при промерзании конструкции, в которой в пределах глубины промерзания имеются пучинистые грунты.
При эксплуатации автодороги с XPS-плитами увеличивается срок службы дорожной одежды между капитальными ремонтами, повышаются долговечность и ровность покрытия, увеличивается модуль упругости дорожной одежды, а также исключается образование колеи. Происходит доуплотнение рабочего слоя дорожной одежды, в связи с чем не требуется каждую весну, а иногда и осень закрывать дороги для транспорта весом более 10 т. Улучшается экологическая обстановка на автодорогах, так как не происходит разрушения дорожного покрытия, что не приводит к снижению скорости движения автотранспорта, а также к образованию пыли и т.д.
О применении пенополистирольных экструдированных плит в системах дорожных покрытий рассказывает профессор МГСУ А.Д.ЖУКОВ
Среди важных задач, с которыми сталкиваются строители и инженеры-проектировщики в ходе строительства транспортных сооружений, повышение прочности основания земляного полотна, снижение деформации от сил морозного пучения при промерзании конструкции и проблема строительства в регионах с распространением вечномерзлых грунтов. Расширение и улучшение сети автомобильных дорог, является залогом развития экономики. Одним из решений, направленных на увеличение срока безремонтной эксплуатации и обеспечения надежности дорожного полотна, является применение системных решений (рис. 1) с применением в конструкциях основания теплоизоляционных слоев из экструзионного пенополистирола.
Рис.1. Автодорожная система:
1 – асфальтобетон на дорожном полимерно-битумном вяжущем; 2 – армирующая сетка; 3 – эмульсия битумная дорожная; 4 – щебень, обработанный битумной дорожной эмульсией; 5 – армирующая сетка; 6 – песок; 7 – XPS-плиты; 8 – геотекстиль; 9 – грунтовое основание
Требования к теплоизоляции дорожных конструкций
Теплоизолирующие материалы, применяемые в дорожных конструкциях, должны:
– сохранять теплоизолирующие свойства под воздействием влаги, знакопеременной температуры и агрессивных вод в течение всего периода эксплуатации дороги;
– быть морозостойкими, биостойкими и нетоксичными;
– обладать технологичностью в работе (размеры плит, удобные в работе, возможность скрепления краев плит между собой, например шпунтовка и др.);
– выдерживать нагрузки, возникающие при укладке и уплотнении вышележащих слоев дорожной одежды (испытание на прочность при сжатии), а также от вышележащих слоев насыпи и транспорта во времени.
Материалы должны обладать следующими физическими, теплофизическими и прочностными характеристиками:
Водопоглощение, % (ГОСТ17177), не более 0,45
Теплопроводность, Вт/(м·К) (ГОСТ 30256), не более 0,032
Сопротивление сжатию при 10 %-ной линейной деформации, МПа (ГОСТ 17177), не менее 0,4
Предел прочности при статическом изгибе, МПа (ГОСТ 17177), не менее 0,6
Условия и эффективность применения теплоизолирующих слоев из XPS-плит
Экструдированные пенополистирольные плиты (XPS-плиты) являются современным теплоизоляционным материалом, обладающим всеми необходимыми для дорожной теплоизоляции свойствами. Их единственный недостаток – горючесть – для закрытых сооружений (изолированных от прямого контакта с атмосферой) не является значительным.
Физико-механические характеристики XPS плит «ТЕХНОПЛЕКС» 45-500
Плотность, кг/м³ 38,1-45,0
Прочность на сжатие при10 %-ной линейной деформации, не менее, кПа 500
Теплопроводность при (25±5) оС, Вт/(м?К), не более 0,030
Теплопроводность в условиях эксплуатации «А и«Б», Вт/(м?К), 0,032
Предел прочности при изгибе, не менее, кПа 0,35
Водопоглощение, %, не более 0,2
Группа горючести Г4
Коэффициент термического расширения, мм/(м?оС) 0,07
Коэффициент паропроницаемости, мг/(м?ч?Па) 0,005
Удельная теплоемкость, кДж/(кг?оС) 1,50
Модуль упругости, МПа 20
Температура эксплуатации, оС от -50 до +75
Геометрические размеры: Длина?Ширина?Толщина, мм (1180-4500)?580?(20-120)
Теплоизолирующие слои из XPS-плит в дорожной конструкции могут применяться:
- для снижения деформаций пучения при промерзании дорожной конструкции, в которой в пределах глубины промерзания имеются пучинистые грунты;
- для теплоизоляции подземных сооружений (магазины, склады, кафе, паркинги и т.д.), расположенных непосредственно под проезжей частью городских дорог;
- для сохранения вечномерзлого грунта в основании (или теле) насыпи с исключением просадок земляного полотна при оттаивании его основания(или мерзлой части насыпи), как альтернатива устройству повышенных насыпей (выше, чем отвечающие условию снегонезаносимости) или устройству теплоизоляции из торфа.
Первое направление использования теплоизолирующего слоя может быть реализовано на дорогах общей сети и ведомственных дорогах в I - IV дорожно-климатических зонах (ДКЗ) при наличии сезонного промерзания грунтов земляного полотна с повышенной пучинистостью.
Второе направление может быть реализовано на городских дорогах во II –IV ДКЗ;
Третье направление может быть реализовано на дорогах общей сети и ведомственных дорогах, расположенных в I-й ДКЗ.
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 и, соответственно, возможности использования в верхней части земляного полотна местных пучиноопасных грунтов;
– повышения долговечности конструкции вследствие исключения периодически возникающих деформаций морозного пучения и просадки при оттаивании;
– возможности понижения рабочих отметок насыпей на участках, где при применении традиционных конструкций действуют ограничения СНиП 2.05.02-85 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 в процессе промерзания;
– снижения требуемой толщины дренирующего слоя за счет исключения поступления воды снизу при оттаивании земляного полотна;
– исключения необходимости замены грунта в основании дорожной одежды в выемке.
Эффект от применения теплоизолирующего слоя, используемого вдорожной одежде для теплоизоляции подземных сооружений, расположенных под городскими дорогами, может быть получен за счет снижения расходов на отопление подземных сооружений и улучшения экологической обстановки и снижения пожароопасности в помещениях подземных сооружений за счет замены внутренней теплоизоляции внешней.
Эффект от применения теплоизолирующего слоя для предотвращения оттаивания грунта, используемого в конструкции в мерзлом состоянии в зоне вечной мерзлоты, может быть получен за счет:
– обеспечения возможности уменьшения рабочих отметок насыпей, сооружаемых по I принципу в зоне вечной мерзлоты с соответствующим уменьшением объемов земляных работ;
– снижения экологического ущерба при строительстве дорог в северных районах за счет уменьшения объемов выработок грунтов, а также уменьшения полосы отвода при снижении высоты насыпи;
– обеспечения возможности использования в земляном полотне грунтов с любой степенью увлажнения в виде мерзло-комковатого материала;
- повышения надежности и долговечности дорожной конструкции, запроектированной по I-му принципу.
Обеспечение морозоустойчивости дорожной конструкции при её сезонном промерзании
Требования по морозоустойчивости дорожных конструкций
Конструктивные решения дорожных покрытий с использованием теплоизолирующих слоев используют для автомобильных дорог всех технических категорий в I – IV дорожно-климатических зонах, в том числе и в условиях вечной мерзлоты.
Морозоустойчивость дорожной конструкции оценивают по расчетной величине ее морозного пучения. Морозоустойчивость конструкции считается обеспеченной при условии:
где: – расчетная величина морозного пучения конструкции; – допустимая величина морозного пучения.
В случаях, когда определенная расчетом величина морозного пучения земляного полотна дорожной конструкции превышает допустимые значения, указанные в табл. 1, должны рассматриваться мероприятия по снижению или исключению морозного пучения грунтов земляного полотна, включая устройство теплоизолирующих слоев.
Таблица 1
Допустимое морозное пучение (Таблица 4.3 ОДН 218.046-01)
Для определения расчетной величины морозного пучения конструкции могут быть использованы методики, приведенные в ОДН 218.046-01:
- методика, основанная на использовании осредненной для заданных условий величины морозного пучения традиционных конструкций, полученной по результатам региональных наблюдений, с введением корректирующих табличных коэффициентов;
- методика, основанная на использовании определяемой экспериментально величины коэффициента влагопроводности грунта.
Теплоизолирующие слои из XPS-плит применяют 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.
Теплоизолирующие слои из XPS-плит могут быть применены как в насыпях, отсыпанных из пучиноопасных грунтов, так и в выемках, основание которых сложено пучиноопасными грунтами.
Для расчета требуемой толщины теплоизолирующего слоя могут применяться расчетные методы, изложенные в ОДН 218.046-01. Метод, разработанный В.И. Рувинским, основан на расчете по термическому сопротивлению конструкции. Метод, разработанный И.А. Золотарем, основан на использовании в качестве характеристики грунта коэффициента влагопроводности, определяемого экспериментально.
Проектирование дорожных конструкций
Проектирование дорожных конструкций с применением XPS-плит для защиты земляного полотна от промерзания
При конструировании должна быть обеспечена полная или частичная защита пучиноопасного грунта земляного полотна от промерзания, а также дренирование дорожной одежды. Дренирование дорожной одежды с теплоизолирующим слоем обеспечивается устройством дренирующего слоя, который может предусматриваться в трех вариантах:
– в виде песчаного слоя, располагаемого над теплоизолирующим (работающим также в качестве защитного слоя);
– в виде песчаного слоя, вмещающего в себя теплоизолирующий слой;
– в виде дренирующего слоя из геотекстиля, обладающего продольной водопроницаемостью.
Толщина дренирующего слоя в общем случае определяется расчетом по методике, изложенной в ОДН 218.046-01.Необходимая ширина теплоизолирующего слоя принимается равной не менее, чем на 1,5-2,0 м больше ширины проезжей части или равной ширине земляного полотна по верху.
Принципиальная схема дорожной конструкции с теплоизолирующим слоем из XPS-плит представлена на рис. 2. Конструкция может быть применена как для нежестких, так и для жестких дорожных одежд.
Рис. 2. Принципиальная схема дорожной конструкции с теплоизолирующим слоем (для условий сезонного промерзания):
1 – покрытие; 2 – несущее основание; 3 – дополнительный слой основания с теплоизолирующим слоем; 4 – пучиноопасный грунт; 5 - теплоизолирующий слой; 6 – грунт основания насыпи
При проектировании должно быть учтено, что расчет толщины дренирующего слоя следует выполнять по отдельности: верхнюю часть (над плитами) - на увлажнение за счет осадков, и нижнюю часть - на увлажнение грунтовыми водами. Толщину теплоизолирующего слоя в выемке в любом случае рекомендуется назначать исходя из исключения промерзания земляного полотна. Во всех случаях должен быть обеспечен поперечный уклон теплоизолирующего слоя не менее 2 %. На участках с теплоизолирующим слоем следует по возможности уменьшать продольные уклоны и увеличивать радиусы кривых, предусмотренные СНиП. Должны быть предусмотрены меры по борьбе с повышенным гололедообразованием.
Теплофизические характеристики материалов, используемых в дорожной одежде, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Теплофизические характеристики материалов, используемых в дорожной одежде
Проектирование дорожных конструкций с применением XPS-плит для обеспечения теплоизоляции подземных сооружений
Проектирование нежесткой дорожной одежды. Особенность дорожной одежды заключается в том, что она расположена на железобетонной плите, которая является кровлей подземного сооружения. Прочность кровли должна быть обеспечена. Цель расчета заключается в проверке прочности дорожной одежды.
Предлагаемая конструкция дорожной одежды (рис. 3) включает двухслойный асфальтобетон, щебень фракции 40 – 80 мм с заклинкой щебнем фракции 10 – 20 мм. Между щебнем и теплоизолирующим слоем – пенополистиролом, устроена геотекстильная прослойка. При укладке щебня на пенополистирол, беспесчаного слоя, толщина пенополистирольной плиты, полученная на основании теплофизического расчета, должна быть увеличена на 1-2 см.
Рис. 3 Схема конструкции дорожной одежды, устраиваемой по кровлеподземного сооружения:
1 – двухслойное асфальтобетонное покрытие; 2 – щебень; 3 - геотекстильная прослойка; 4 – XPS-плиты; 5 – битумно-полимерная гидроизоляция; 6 - выравнивающий слой из бетона; 7 – железобетонная плита кровли подземного сооружения.
Требуемую толщину теплоизолирующего слоя рассчитывают исходя из температуры, которую предполагается поддерживать в помещениях подземного сооружения. Расчет целесообразно проводить по специальным программам (например, программа TMFLAT «Расчет температурного режима тела и оснований инженерных сооружений», ОАО ЦНИИС, лаборатория инженерной теплофизики).
Расчет дорожной одежды по прочности выполняют следующим образом. Определяют безопасную глубину расположения теплоизолирующего слоя. В соответствии с ОДН 218.046-01 выполняют проверку асфальтобетонного покрытия на сопротивление усталостному разрушению от растяжения при изгибе. Проверку по упругому прогибу не проводят, поскольку прочность кровли должна быть обеспечена.
Проектирование жесткой дорожной одежды. Расчет на растяжение при изгибе цементобетонного основания дорожной одежды, приведенный в нормативных документах, выполняется в соответствии со следующей схемой: бетонная плита уложена на основание, представляющее собой упругое полупространство, эквивалентный модуль упругости которого существенно ниже модуля упругости плиты (рис. 4).
Рис. 4. Конструкция жесткой дорожной одежды:
1 – двухслойный асфальтобетон; 2 – мастика КОВ; 3 – бетонное основание; 4 – профилированная мембрана; 5 – XPS-плиты; 6 – битумно-полимерная гидроизоляция; 7 – выравнивающий слой из бетона; 8 – железобетонная плита кровли подземного сооружения.
Основание бетонной плиты в данной конструкции дорожной одежды представляет собой слой материала с высокой деформируемостью, уложенный на железобетонную балку пролетного строения. При этом, модуль упругости балки имеет тот же порядок, что и модуль упругости бетонной плиты.
Предлагаемая конструкция включает двухслойное асфальтобетонное покрытие и бетонное основание. Основание устроено со швами сжатия и расширения. Швы имеют штыревые соединения. Для предотвращения образования на поверхности асфальтобетона трещин, возникающих вследствие температурного расширения – сжатия плит цементобетонного основания, предложено использовать двухкомпонентную мастику холодного отверждения марки КОВ-190. Толщина слоя мастики 3 мм.
При образовании трещины в бетоне мастика затекает в нее, при этом полимер-асфальтобетон растягивается. Применение мастики дает эффект только при совместном использовании с асфальтобетоном на полимерно-битумном вяжущем. Между бетоном и пенополистирольными плитами помещена профилированная мембрана.
Обеспечение сохранения вечной мерзлоты в дорожной конструкции
Принципы проектирования дорожных конструкций на вечной мерзлоте и условия их применения
Применяемые в настоящее время методы проектирования дорожных насыпей в зоне вечной мерзлоты сводятся к трем основным принципам проектирования.
Первый принцип проектирования дорожных конструкций предусматривает обеспечение поднятия верхнего горизонта вечной мерзлоты (ВГВМ) не ниже подошвы насыпи (сезонное оттаивание ниже подошвы насыпи исключается) и сохранение его на этом уровне в течение всего периода эксплуатации дороги (расчетное состояние грунтов основания насыпи – мерзлое). Для реализации первого принципа требуется, как правило, либо сооружение высоких насыпей (3-5 м в зависимости от условий строительства), либо применение теплоизолирующих материалов.
Второй принцип проектирования предусматривает допущение оттаивания грунтов ниже подошвы насыпи на расчетную глубину в период эксплуатации дороги с учетом допустимой осадки основания в зависимости от типа покрытия (расчетное состояние грунтов основания – талое). Мощность деятельного слоя при этом может оставаться прежней, либо уменьшится (т.е. ВГВМ поднимется на некоторую высоту по отношению к исходному). Понижать ВГВМ, т.е. увеличивать мощность деятельного слоя, не рекомендуется.
Третий принцип проектирования предусматривает предварительное оттаивание и осушение мерзлых грунтов основания.
Наибольшее применение при строительстве дорог на вечной мерзлоте имеют два принципа – первый и второй.
Первый принцип применяют в 1-ой и 2-ой подзонах I дорожно-климатической зоны при следующих условиях:
– температура грунтов на границе нулевых годовых амплитуд ниже минус 1,5 оС;
– широкое развитие мерзлотных процессов и явлений: подземные льды различного генезиса, бугры пучения, термокарст, морозобойное растрескивание, наледные участки и т.п.;
– наличие грунтов IV – V категории просадочности (табл. 3).
Второй принцип может применяться во всех дорожно-климатических подзонах при условии залегания в основании насыпи минеральных грунтов II- III категорий просадочности и торфяников I - III категорий просадочности.
Третий принцип применяют в 3-ей подзоне I дорожно-климатической зоны при наличии легко осушаемых грунтов, среднегодовая температура которых выше минус 1,5 оС.
Таблица 3
Категории просадочности грунта (СниП 2.05.02-85)
Принцип проектирования выбирают на основе технико-экономического сравнения вариантов, исходя из мерзлотно-грунтовых и климатических условий участка трассы.
Особенности расчетов дорожных конструкций
Расчет толщины теплоизолирующего слоя, требуемого для сохранения основания насыпи в мерзлом состоянии, целесообразно осуществлять по специальной методике, основанной на двухмерной теплофизической задаче (например, программа TMFLAT «Расчет температурного режима тела и оснований инженерных сооружений», ОАО ЦНИИС, лаборатория инженерной теплофизики). Особое внимание должно быть уделено при откосной части насыпи, где происходит максимальное оттаивание основания. В особенности это относится к высоким насыпям (более 4 м), в откосах которых могут возникнуть значительные сдвигающие усилия, которые приводят к деформациям откосов насыпи.
Требуемая толщина теплоизолирующего слоя над проезжей частью насыпи может быть рассчитана в одномерной постановке. В табл. 4 приведены толщины XPS-плит, необходимые для обеспечения промерзания оснований снегонезаносимых насыпей для дорог III технической категории. Расчет был выполнен для дорожной одежды, включающей плиты ПАГ-14, подстилающий (он же зашитный и дренирующий) слой песка 20 см, XPS-плиту. Данные табл. 3 могут быть использованы при применении конструкции дорожной одежды, включающей: двухслойный асфальтобетон 14 см, щебень 20 см, песок 25 см, XPS-плиту.
При расчете дорожных одежд по прочности наличие мерзлого слоя с высоким модулем упругости, расположенного под пенополистиролом, и низкомодульного теплоизолирующего слоя не учитывается. В качестве расчетного модуля грунта принимается модуль упругости грунта, расположенного над теплоизолирующим слоем.
Таблица 4
Толщины теплоизоляции для различных пунктов вечной мерзлоты
Применять теплоизолирующие слои в районах со среднегодовой температурой выше минус 3 оС нецелесообразно.
Схемы дорожных конструкций, устраиваемых с сохранениемгрунта в мерзлом состоянии, с использованием теплоизолирующего слояиз XPS-плит
Предлагаемые конструкции могут быть устроены как с цементобетонным сборным, так и с асфальтобетонным покрытием. Во всех случаях XPS-плиты укладывают на выравнивающий слой из талого либо сыпучемерзлого песка толщиной 5-10 см.
На рис. 5 представлены четыре варианта конструктивных решений, используемых для сохранения грунта в мерзлом состоянии. Вариант А предназначен для случая, когда высота снегонезаносимой насыпи не обеспечивает сохранение основания в мерзлом состоянии. Вариант Б используют, если высота снегонезаносимой насыпи обеспечивает сохранение основания в мерзлом состоянии. Теплоизолирующий слой применяют для теплозащиты приоткосных частей насыпи.
Рис. 5.Схемы дорожных конструкций в зоне вечной мерзлоты: А – при недостаточной высоте снегонезаносимой насыпи; Б – при удовлетворительной высоте снегонезаносимой насыпи; В – при сооружении высоких насыпей; Г – при строительстве на плоскобугристых торфяниках
1 – дорожная одежда; 2 – защитный (он же дренирующий) слой; 3 – XPS-плиты; 4 – насыпь; 5 – положение ВГВМ после сооружения насыпи; 6 – то же, до сооружения насыпи; 7 – берма; 8 – льдоминеральное ядро бугра пучения.
Вариант В следует использовать при сооружении высоких насыпей. Такое конструктивное решение используется также при строительстве железных дорог. Под действием веса насыпи в оттаявшей приоткосной части ее основания могут произойти сдвиги и для их предотвращения устраивают бермы. Для уменьшения высоты бермы следует применять XPS-плиты, которые укладывают таким образом, чтобы защитный слой над плитой был не менее 0,5 м.
При сооружении земляного полотна на плоскобугристых торфяниках высотой до 1 м, разделенных мочажинами, используют вариант Г. Для предотвращения оттаивания тела насыпи со стороны откосной части предусмотрено устройство берм, которые могут быть выполнены из торфопесчаной смеси, песка или крупнообломочного материала. Таким образом, в насыпи образуется ядро, которое сохраняется в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации дороги.
Данное конструктивное решение (теплоизоляция мерзлого ядра в верхней части насыпи при помощи теплоизолирующего слоя, включающего XPS-плиты и со стороны откосной части – при помощи берм) может быть использовано также при сооружении ядра насыпи из какого-либо некондиционного материала, т.е. не удовлетворяющего требованиям ВСН 84-89 к грунтам.
Технологии устройства теплоизоляционных слоев при строительстве дорог
До устройства теплоизолирующего слоя должны быть подготовлено земляное полотно; обеспечен водоотвод с поверхности земляного полотна; оборудованы пути завоза строительных материалов.
Земляное полотно должно быть спланировано и уплотнено в соответствии с действующими нормативами. Водоотвод с поверхности земляного полотна должен быть осуществлен до начала отсыпки выравнивающего слоя под XPS-плиты. При соответствующем технико-экономическом обосновании применяют дренирующую прослойку из геотекстиля. Поперечный уклон дренирующей прослойки принимают не менее 2 %.
При использовании построечной техники при среднем давлении от заднего колеса более 0,6 МПа следует выполнить расчет необходимой толщины защитного слоя над XPS-плитами. После уплотнения этого слоя виброкатком 14-17 т по нему допускается пропуск построечного транспорта.
Для сохранения вечной мерзлоты в основании насыпи теплоизолирующий слой следует устраивать, как правило, в холодное время года. В выравнивающем слое в основании плит не должно быть мерзлых комьев, поэтомунеобходимо обеспечить своевременную заготовку сухого песка, пригодного дляэтой цели. Следует использовать либо талый песок, извлеченный из середины бурта и транспортированный автомашинами с утеплителем, либо сухомерзлый (с влажностью менее 7 %).
Указания по устройству теплоизолирующего слоя
В состав технологического процесса по устройству теплоизолирующего слоя дорожной одежды входят следующие операции: устройство выравнивающего слоя; укладка плит; устройство защитного слоя. Как правило, теплоизолирующий слой устраивают путем укладки плит в один ярус, однако в отдельных случаях плиты могут быть уложены в два яруса.
Устройство выравнивающего слоя включает транспортировку, распределение, профилирование и уплотнение песка. Выравнивающий слой должен соответствовать требуемым ровности и плотности в соответствии со СНиП 3.06.03-85 «Автомобильные дороги» и принят по акту на скрытые работы форма 40Т. Толщина слоя составляет 5-10 см в плотном теле. Поверхность выравнивающего слоя перед укладкой на нем плит должна быть очищена от посторонних предметов.
В дорожной одежде следует использовать плиты с краем, выполненным с уступом (шпунтом) или с пазом для скрепления соседних плит. Плиты укладывают вручную бригадой рабочих. Плиты следует укладывать таким образом, чтобы поперечные швы в соседних рядах плит располагались вразбежку (рис. 5). В случае укладки плит в 2 яруса швы нижележащего ряда плит необходимо перекрывать вышележащими плитами. При укладке необходимо обеспечить равномерное опирание всей поверхности плиты на выравнивающий слой. Для этого непосредственно перед укладкой плиты, если это требуется, следует подсыпать песок под плиту.
Рис. 6. Схема раскладки XPS-плит:
1 – стальные стержни; 2 –XPS-плиты
Плиты крайних рядов закрепляют двумя стальными стержнями диаметром 6-8 мм и длиной 400 мм в соответствии со схемой раскладки плит. Через каждые 5-6 рядов производят закрепление одного ряда плит указанными стержнями. Целесообразно применение стержней, изогнутых в виде буквы «П».Теплоизолирующий слой должен быть принят по акту на скрытые работы.
Устройство защитного слоя включает транспортировку, распределение, профилирование и уплотнение песка. Если защитный слой выполняет согласно проекту функции дренирующего слоя, песок должен иметь коэффициент фильтрации в соответствии с расчетным, как правило, не ниже 2 м/сут. Толщина защитного слоя проверяется расчетом и должна быть не менее 20 см в плотном теле.
Проезд строительной техники по плитам теплоизолирующего слоя не допускается. Выравнивающий слой отсыпают «от себя». Распределение песка производят бульдозером при постоянном геодезическом контроле. Автогрейдером производят профилирование поверхности песка за 1-2 прохода по одному следу.
Требования безопасности
Плиты при нормальных условиях эксплуатации, транспортировки и хранения не являются токсичными и не выделяют вредных продуктов в концентрациях, опасных для здоровья человека. Плиты относятся к группе сгораемых материалов. При производстве и хранении плит должны соблюдаться правилабезопасности в соответствии с ГОСТ 12.3.030-83 и ГОСТ 17.2.3.02-78
Утилизацию отходов осуществляют в соответствии с МЗ № 3138 или направляют на вторичную переработку. Непригодные к переработке отходы подлежат утилизации в специальном месте или вывозу на специальные полигоны промышленных отходов.
Противогололедные мероприятия
При применении теплоизолирующих слоев в дорожной одежде в период знакопеременной температуры воздуха в весеннее время иногда возникает повышенное гололедообразование. Борьба с гололедообразованием может вестись в двух направлениях:
- мероприятия, направленные на устранение всех типов скользкости в зимнее время;
- мероприятия, направленные на обеспечение безопасного проезда в период возникновения повышенного гололедообразования.
К первому направлению относятся: применение в составе асфальтобетонной смеси гидрофобизаторов, препятствующих сцеплению льда с асфальтобетоном, а также применение реагентов, понижающих температуру замерзания воды на покрытии путем их добавки в асфальтобетонную смесь в виде минерального порошка.
Ко второму направлению относятся: применение фрикционных материалов, понижающих скользкость покрытия; применение реагентов, понижающих температуру замерзания воды на покрытии путем их периодического нанесения на покрытие; одновременное применение фрикционных и химических материалов.
Наиболее эффективным признан метод, направленный на устранение всех типов скользкости, связанный с добавлением в асфальтобетонную смесь реагентов – антигололедных наполнителей, понижающих температуру льдообразования.
Преимущество технологии заключается в предотвращении образования гололедицы, сокращении расхода антигололедных реагентов и улучшении экологической обстановки. Для этой цели может быть использован антигололедный реагент «Грикол» производства «Грикол Лимитед». Минеральный порошок представляет собой кремнийорганические вещества с хлоридами. При применении этого материала следует учитывать, что действие реагента начинается при активизации поверхности битума, что происходит при осуществлении движения по покрытию. На новом участке дороги до открытия движения может наблюдаться гололедообразование, как и на участках с обычным покрытием. Реагент применяется в горячих и холодных асфальтобетонных смесях для покрытия толщиной до 5 см.
Для обеспечения безопасного проезда в период возникновения повышенного гололедообразования целесообразно применение реагентов, понижающих температуру замерзания воды на покрытии. К наиболее часто применяемым в России относятся: хлористый кальций, Айсмелттм (ХКНМ), ЭКОСОЛ, Био-Маг (хлористый магний), БИОНОРД.
Применение XPS-плит дает множество преимуществ как дорожной службе, так и пользователям дорог. Защита от воздействия мерзлоты значительно снижает расходы на содержание дороги. Дорога без повреждений от мерзлоты имеет более высокий уровень безопасности. Более ровная дорога означает повышенный комфорт движения и наряду с этим снижает расход горючего, следствием чего является снижение вредного воздействия на окружающую среду.
Изолирующие слои из экструдированного пенополистирола в дорожной конструкции применяют на автодорогах в черте населённых пунктов, на автомобильных дорогах общего пользования и подъездных дорогах к промышленным предприятиям.
Применение XPS-плит является альтернативой устройству традиционных морозозащитных слоёв для снижения деформаций пучения при промерзании конструкции, в которой в пределах глубины промерзания имеются пучинистые грунты.
При эксплуатации автодороги с XPS-плитами увеличивается срок службы дорожной одежды между капитальными ремонтами, повышаются долговечность и ровность покрытия, увеличивается модуль упругости дорожной одежды, а также исключается образование колеи. Происходит доуплотнение рабочего слоя дорожной одежды, в связи с чем не требуется каждую весну, а иногда и осень закрывать дороги для транспорта весом более 10 т. Улучшается экологическая обстановка на автодорогах, так как не происходит разрушения дорожного покрытия, что не приводит к снижению скорости движения автотранспорта, а также к образованию пыли и т.д.
