ИННОВАЦИОННЫЕ ДОРОЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

INNOVATIVE ROAD MATERIALS

Ramil Nizamiev

master of Kazan State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Kazan

Muhammat Gatiyatullin

doctor of pedagogical sciences, professor of the department of road-building machines, Kazan State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

Повреждения автомобильных дорог в большинстве случае связаны со снижением несущей способности основания и земляного полотна из-за частого перехода температуры через ноль. Такие переходы характерны для весны, когда днем дорога прогревается, а ночью снова замерзает. В результате чего появляются трещины, образовываются выбоины и колея, которые приводят к ремонту и увеличению стоимости содержания дороги. Для повышения долговечности автомобильных дорог необходимы проектные решения, которые позволят ограничить промерзания дорожной одежды и земляного полотна.  На практике в качестве теплоизоляционного слоя применяют изделия из экструзионного пенополистирола. В настоящее время существуют альтернативные строительные материалы, которые можно использовать в качестве теплоизоляции дорожной конструкции. Щебень из пеностекла является одним из таких материалов, пригодным для строительства дорог с целью для уменьшения воздействия морозного пучения на качество автомобильной дороги.

ABSTRACT

Damage to roads in most cases is associated with a decrease in the bearing capacity of the base and subgrade due to the frequent transition of temperature through zero. Such transitions are characteristic of spring, when the road warms up during the day and freezes again at night. As a result, cracks appear, potholes and a rut are formed. This in turn leads to repair and an increase in the cost of maintaining the road. To increase the longevity of roads, such design decisions are needed that will limit the freezing of pavement and subgrade. Basically, as a heat-insulating layer, products from extruded polystyrene foam are used. Currently, there are alternative building materials that can be used as thermal insulation of the road structure. Foam glass is one such material suitable for road construction. The article discusses the use of foam glass as a heat-insulating layer to reduce the effects of frost heaving on the road.

Ключевые слова: автомобильная дорога, морозное пучение, теплоизоляционный слой, пеностекло, долговечность.

Keywords: automobile road, frosty heaving, heat-insulating layer, foamglass, durability.

Организациям, занимающимся проектированием автомобильных дорог в дорожно-климатических зонах с I по IV приходится учитывать влияние отрицательных температур на надежность дорожной конструкции. Промерзание дорожной одежды, и как следствие, морозное пучение являются главной причиной разрушения автомобильной дороги. Суровые зимы, большое количество осадков и пучинистые грунты вызывают сложности при проектировании конструктивных элементов автомобильной дороги. Кроме того, удаленность объектов строительства от карьеров так же является проблемой, так как  не везде местный материал подходит для конкретных целей.

Использование теплоизоляционных слоев в дорожном строительстве хорошо известно, но на практике они не часто применяются, кроме строительства в условиях  вечномерзлых грунтах в северных районах. Теплоизоляция, предусмотренная в дорожной одежде, предотвращает промерзания земляного полотна, что способствует уменьшению повреждения покрытия, связанные с морозным пучением и в свою очередь приводит к снижению  стоимости ремонта и содержания асфальтобетонного покрытия. Согласно действующим нормативным документам, в районах сезонного промерзания толщина рабочего слоя должна составлять минимум 1,5 м с верха покрытия дорожной одежды  из непучинистых или слабопучинистых грунтов. В данном случае применение теплоизоляционных слоев позволит сократить стоимость строительства за счет уменьшения земляных работ.

Применение дренирующих слоев из гранулируемых материалов позволит отводить грунтовые воды, что предотвратит потерю несущей способности в период оттаивания и позволит повысить надежность автомобильной дороги. Строительные материалы с низкой плотностью позволят избежать перегрузку слабых грунтов, особенно это касается строительства высоких насыпей. Изделия из экструзионного пенополистирола являются основным материалом при строительстве теплоизоляционных слоев. Экструзионный пенополистирол в большинстве случаев удовлетворяет теплофизические свойства, необходимые при строительстве теплоизоляционной прослойки. В то же время применение плит из экструзионного пенополистирола имеет следующие недостатки:

 - возможны образования мостиков холода;

- пенополистирол следует укладывать с обеспечением равномерного контакта подошвы плиты с поверхностью, что приводит к увеличению стоимости строительства;

- необходимо следить за тем, чтобы не повредить плиты пенополистирола. Также проблемой пенополистирола является тот факт, что поведение данного материала плохо изучено в конструкциях автомобильных дорог.

На сегодняшний момент есть альтернатива экструзионному пенополистиролу в виде сыпучего материала. Таким материалом является пеностекло, которое изготавливается из обычного стекла.

Пеностекло - это теплоизоляционный материал из ячеистого стекла, непроницаемый для влаги, инертный, устойчивый к насекомым и вредителям, прочный и с  достаточно низкой теплопроводностью. Пеностекло имеет высокую прочность на сжатие, что дает возможно использовать его в основании дороги.

Пеностекло изготавливается в основном из не менее 60% переработанного стекла и натурального сырья.

Рисунок 1. Схема процесса производства пеностекла

1. Дозирование и смешивание сырья. 2. Плавильная печь. 3. Выпуск расплавленного стекла из плавильной печи. 4. Место оператора контроля производства. 5. Транспортировка стекла по конвейерной ленте с охлаждением перед загрузкой в барабанно-шаровую мельницу. 6. Барабанно-шаровая мельница, загруженная охлажденным стеклом. 7. Измельчение всех ингредиентов в тонкий порошок в барабанно-шаровой мельнице перед загрузкой в лотки из нержавеющей стали. 8. Лотки, заполненные стекольным порошком. При прохождении их  через печь с температурой 850 °C происходит естественный процесс окисления. Герметично закрытые вакуумные ячейки образуются внутри расплавленного стекла, создавая уникальную клеточную структуру. 9. Восстановление тепловой энергии. 10. Процесс медленного охлаждения пеностекла для снятия тепловых напряжений. 11. Дробление пеностекла по размеру (все отходы возвращаются в начало производственного процесса, см. рисунок 1). 12. Упаковка и маркировка пеностекла. 13. Транспортировка готовой продукции потребителям.

Рисунок 2. Пеностекольный щебень

Пеностекло имеет следующие достоинства:

1.Водонепроницаемость. Пеностекло состоит из чистого стекла, что позволяет получить полностью герметичную стеклянную конструкцию с закрытыми порами. Закрытая структура ячеек предотвращает впитывание и удерживание влаги.

2.Малый вес и высокая прочность. Пеностекло – очень легкий материал, его легко транспортировать, с ним легко работать: 1 м³ материала весит всего 140 кг. Стандартный 50-литровый полипропиленовый мешок материала весит около 8 кг. Несмотря на легкий вес, материал способен выдерживать высокое давление. Прочность при сжатии – 85 т/м². Пеностекольный щебень с легкостью выдерживает вес дорожного катка при уплотнении.

3.Химическая и биологическая инертность. Пеностекло не подвержено гниению, поражению бактериями и грибками.

4.Негорючесть. Материал на 100% состоит из минерального сырья и в соответствии с российскими стандартами имеет группу горючести «НГ» (негорюч), не выделяет дым и токсичные вещества.

5.Кислото- и химическая стойкость. Теплоизоляция устойчива к органическим растворителям и кислотам, что способствует противостоянию агрессивным средам.

6.Экологически чистый. Пеностекло не токсично, не опасно для окружающей среды, не загрязняет грунтовые воды и может быть переработан или вторично использован [1, с. 5-6].

Обратимся примерам использования пеностекольного щебня:

● строительство временной дороги над туннелем автомагистрали Е06 в Стейнхьер, Норвегия. Для обеспечения движения строительной техники, над установленными сегментами туннеля была возведена насыпь высотой 15 метров. Верхняя часть высотой 6 метров была отсыпана с применением керамзитового и пеностекольного щебня объемом 9000 и 1000 м³ соответственно. Это было сделано для того, чтобы уменьшить усадку насыпи и снизить нагрузку на сегменты туннеля. Временная дорога эксплуатировалась с 15 января 2003 года по 17 марта 2004 года,  после чего материал повторно использовался  для засыпки на опоры моста и в других частях дороги [2, с. 7].

● 14 км Новорязанского шоссе, Федеральной трассы М5 (съезд к торговому центру), Московская область. Пеностекло применено в качестве подстилающего морозозащитного слоя дороги, что позволило исключить промерзание, морозное пучение и разрушение автомобильной дороги [3].

● временная дорога на автомагистрали Е 06 в Клеметсруде, Норвегия. На период около полугода над водопроводными трубами была построена временная дорога. Для устройства насыпи на данном участке использовали пеностекольный щебень высотой 4 метра. Пеностекло было выбрано из-за его низкой плотности и высокой прочности, что позволило снизить нагрузку на водопровод. После демонтажа временной дороги, щебень был повторно использован для строительства насыпи на слабых грунтах основания [2, с. 7].

● южный участок Северно-Западной хорды, г. Москва. Особенности конструкции тоннеля предполагают использование легких материалов. Именно поэтому продукция пеностекольный щебень — был применен при его строительстве. Пеностекло использовалось для отсыпки подошвы  на въезде-выезде из тоннеля, поверх которой было уложено дорожное полотно. Пеностекольный щебень применяется для облегчения нагрузки на опорные стенки и одновременно для сохранения надежности и высокой прочности основания для дорожного полотна [3].

● автомагистраль Е12 в Хямеэнлинна, Финляндия. Строительство подъездной дороги из традиционного щебня было не возможно  в связи со слабыми грунтами и сильного морозного пучения. Использование пеностекольного щебня позволило повысить устойчивость откосов насыпи и снизить давление на слабое основания, а благодаря теплоизоляционным свойствам - предотвратить разрушения покрытия из-за морозного пучения [4, с. 5].

На практике проектирование автомобильных дорог в районах с отрицательными температурами и пучинистыми грунтами является сложной задачей в плане обеспечения долговечности покрытия. Использование теплоизоляционных слоев в конструкциях дорожной одежды позволит увеличить срок службы асфальтобетонного покрытия за счет снижения негативных последствий от морозного пучения. Пеностекло, а именно пеностекольный щебень, является перспективным материалом при строительстве надежных автомобильных дорог. При использовании пеностекольного щебня в дорожной отросли он показал такие положительные характеристики как:

• возможность повторного использования материала;
• неплохие дренирующие свойства;
• малый вес, высокая прочность на сжатие, водонепроницаемость и экологическая безопасность способствует использование пеностекла на слабых основаниях и переувлажнённых грунтах;
• пеностекло не требует каких-либо особых условий для хранения и транспортировки, а так же специальной дорожной техники для строительства.

Но отсутствие нормативных документов и малого опыта в области строительства автомобильных дорог из пеностекольного щебня, высокая стоимость материала в связи с отсутствием культуры переработки вторсырья затрудняют применение данного материала в России. В связи с этим необходимо больше уделять внимания как на строительство экспериментальных участков дороги, так и на лабораторные испытания. Кроме того, необходимо снизить себестоимость продукта за счет улучшения ситуации с переработкой вторсырья.

Список литературы:

1. Cellular Glass Insulation Guide. FOAMGLAS® for the Building Envelope. – 2014. – [Электронный ресурс]: сайт. –URl: https://www.foamglas.com/-/media/project/foamglas/public/corporate/foamglascom/files/brochures/building-envelope/foamglas-for-the-entire-building-envelope-int-en.pdf?la=en (дата обращения 22.02.2020).
2. Foamed glass – an alternative lightweight and insulating material. Roald Aabøe, Even Øiseth. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.vegvesen.no/_attachment/110430/binary/192513?fast_title=%22Foamed+glass%2C+an+alternative+lightweight+and+insulating+material%22+Even+%C3%98iseth%2C+SINTEF%2C+Roald+Aab%C3%B8e%2C+NPRA+ (дата обращения 22.02.2020).
3.  Официальный сайт ООО "АйСиЭм Гласс Калуга". Сайт – URL: http://icmglass.ru/ (дата обращения: 23.02.2020).
4. Innovative materials for road insulation in cold climates: Foam glass aggregates. Pauline Segui, Guy Doré, Jean-Pascal Bilodeau, Stéphane Morasse. [Электронный ресурс]. сайт – URL: https://tac-atc.ca/sites/tac-atc.ca/files/conf_papers/segui.pdf (дата обращения 23.02.2020).