МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВСЕСОЮЗНЫЙ ДОРОЖНЫЙ НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ (СОЮЗДОРНИИ)
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И УСТРОЙСТВУ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИХ СЛОЕВ НА ПУЧИНООПАСНЫХ УЧАСТКАХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Одобрены Главным техническим управлением Минтрансстроя (№ 37-7-18 от 4/II-76 г.)
Москва 1976
Приведены рациональные конструкции дорожных одежд с различными видами теплоизоляции, требования к дорожным теплоизоляционным материалам, а также сведения о выпускаемых промышленностью полимерных теплоизоляторах и легких искусственных заполнителях. Даны рекомендации по проектированию теплоизоляционных композиций на основе местных материалов, отходов промышленности и грунтов. Освещены особенности производства работ по устройству дорожной одежды с теплоизолирующими слоями из разных материалов.
Приведены методы инженерного расчета и технико-экономического обоснования конструкций с теплоизолирующими слоями разного назначения: для предотвращения промерзания земляного полотна либо для уменьшения промерзания до глубины, допустимой по условиям пучения.
Предисловие
В последнее десятилетие в нашей стране и за рубежом ведутся исследования, направленные на разработку новых методов защиты земляного полотна от промерзания. Главной особенностью этих методов является возможность регулирования теплозащитных свойств конструкции в целях полного предотвращения промерзания земляного полотна или ограничения глубины промерзания допустимыми по условиям влагонакопления и пучения пределами. Реализуется эта возможность путем устройства сравнительно тонких слоев из материала с хорошими теплоизоляционными качествами.
Выполненные в последние годы теоретические и экспериментальные исследования, опытное строительство, результаты поиска новых теплоизоляционных композиций, создаваемых на основе местных материалов и грунтов, а также налаженный промышленностью выпуск высокоэффективных полимерных теплоизоляционных материалов (пенопласты, гранулы полистирола) позволили разработать «Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизолирующих слоев на пучиноопасных участках автомобильных дорог».
В «Методических рекомендациях» приведены конструкции дорожных одежд с теплоизолирующими слоями, предназначенными для предотвращения промерзания земляного полотна либо для снижения глубины промерзания. Изложены требования к теплоизоляционным материалам, а также способы проектирования теплоизолирующих составов на основе местных материалов и грунтов, методы инженерного расчета и технико-экономического обоснования конструкций с теплоизолирующими слоями; приведены необходимые для этого расчетные значения теплофизических, деформационных и прочностных характеристик теплоизоляционных дорожно-строительных материалов и грунтов; рассмотрены способы экспериментального определения тепло физических характеристик. Даны рекомендации, учитывающие особенности производства работ по устройству дорожной одежды с теплоизолирующими слоями из разных материалов.
«Методические рекомендации» разработали М.Б. Корсунский (предисловие, разделы 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7; приложения 1, 4, 8, 7), П.Д. Россовский (разделы 1, 2, 3, 7; приложение 1), В.Н. Гайворонский (разделы 2, 3 в 7; приложения 1 и 4), Е.А. Золотарь (раздел 4; приложения 4 и 6) - Ленинградский филиал Союздорнии; Р.А. Агапова (разделы 2 и 7, приложение 1, п. 3 приложения 2 и п. 1 приложения 3), В.И. Рувинский (разделы 1 и 2; приложение 1 и п. 2 приложения 3) - Союздорнии; А.Я. Тулаев (разделы 1, 2, 3 и 7; приложение 1 и п. 1 приложение 2), Б.В. Дряшкаба (разделы 1, 2, 3 и 7; приложение 1 и п. 1 приложения 2) - МАДИ, Р.З. Порицкий (разделы 2, 3 и 7; приложение 1, п. 2 приложения 2 и п. 3 приложения 3) - Белдорнии. Координация работ и общее редактирование выполнены М.Б. Корсунским.
1. Общие положения
1.1. Настоящие «Методические рекомендации» следует учитывать при проектировании дорожных одежд с покрытиями усовершенствованного типа на пучиноопасных участках вновь сооружаемых или реконструируемых автомобильных дорог.
1.2. Признаки пучиноопасных участков, требования к морозоустойчивости земляного полотна и дорожной одежды, а также традиционные мероприятия по ее обеспечению приведены в «Инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа» ВСН 46-72.
1.3. Устройство теплоизолирующих слоев следует предусматривать на участках, где технически невозможны или экономически нецелесообразны традиционные мероприятия по обеспечению морозоустойчивости конструкции (требуется слой из зернистых материалов очень большой толщины).
1.4. Теплоизолирующие слои устраивают из материалов с более эффективными теплозащитными свойствами, чем у грунтов и обычных дорожно-строительных материалов.
1.5. Для устройства теплоизолирующих слоев такие высокоэффективные материалы, как пенопласты, поскольку они еще дефицитны, целесообразно применять лишь в особо неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях: «мокрые» выемки, земляное полотно в нулевых отметках, насыпи в условиях, когда глубина промерзания больше расстояния от поверхности покрытия до уровня грунтовых вод или длительно застаивающихся поверхностных вод.
В других случаях могут быть использованы легкие бетоны, теплоизоляционные композиций из укрепленных вяжущими местных материалов (грунтов) или отходов промышленности и легких заполнителей (перлит, аглопорит, гранулы полистирола и измельченные отходы пенопласта, керамзит) и др.
1.6. Целесообразность применения тех или иных теплоизоляционных материалов устанавливают технико-экономическим сравнением различных вариантов теплозащиты. При этом должны быть рассмотрены также конструкции с традиционным морозозащитным слоем и сочетание его с теплоизоляцией.
1.7. С помощью теплоизоляции можно уменьшить глубину промерзания земляного полотна и ограничить допустимыми пределами размеры деформации пучения или полностью предотвратить промерзание подстилающего грунта и практически полностью исключить возможность его морозного пучения. Оптимально допустимую глубину промерзания назначают на основании сравнения вариантов, удовлетворяющих требованиям ВСН 46-72 к морозоустойчивости конструкций.
1.8. Толщину и расположение теплоизолирующего слоя в конструкции определяют теплотехническим расчетом, основанным на теоретическом решении нестационарной тепловой задачи применительно к слоистому полупространству с учетом результатов наблюдений за температурным режимом и промерзанием дорожных конструкций с теплоизоляцией.
При использовании пенопласта в теплотехнических расчетах следует принимать во внимание толщину его стандартных плит.
1.9. Толщину теплоизолирующего слоя, деформационные и прочностные характеристики его материала учитывают также при расчете дорожной конструкции на прочность, который выполняют в соответствии с указаниями ВСН 46-72.
При расчете конструкции на прочность следует учитывать, что с помощью теплоизоляции не только предотвращают или ограничивают промерзание, но и благоприятно воздействуют на водно-тепловой режим земляного полотна. В результате уменьшается влажность и улучшаются деформационные и прочностные характеристики подстилающего грунта. Все это при прочих равных условиях повышает прочность и устойчивость земляного полотна и дорожной одежды.
1.10. При проектировании конструкций с теплоизолирующими слоями наряду с настоящими «Методическими рекомендациями» следует руководствоваться указаниями СНиП II-Д.5-72/2/, ВСН 46-72/1/, «Методических рекомендаций» /3/.
Примечание. В конструкциях с теплоизоляцией, отвечающих требованиям ВСН 46-72 в отношении морозоустойчивости, возвышение низа дорожной одежды над уровнем грунтовых вод или длительно стоящих поверхностных вод может быть уменьшено по сравнению с нормами табл. 19 СНиП II-Д.5-72.
1.11. Теплоизолирующие слои в дорожной конструкции должны сохранять свои теплофизические, деформационные и прочностные свойства в течение продолжительного срока службы и способность противостоять вредным воздействиям мороза и колебаниям температуры, должны быть биостойкими и нетоксичными. Они должны обладать достаточной прочностью, чтобы выдерживать нагрузки от строительных транспортных средств, машин и механизмов, используемых для укладки и уплотнения вышележащих слоев дорожной одежды. Кроме того, следует предусмотреть, чтобы процесс устройства теплоизолирующих слоев не нарушал механизированный поток сооружения дороги.
2. Материалы для теплоизолирующих слоев
2.1. Для теплоизоляции дорожной конструкции могут быть применены: полимерные материалы (пенопласты); легкие бетоны, в которых содержатся пористые заполнители (керамзит, аглопорит, перлит гранулы полистирола); металлургические шлаки; золы уноса; золошлаковые смеси, как обработанные цементом, битумом или битумной эмульсией, так и необработанные; композиции из местных материалов или грунтов, легких заполнителей и вяжущих, приготовленные способом смешения в установке; битумоминеральные смеси, обычные и с легкими заполнителями.
Перечисленные смеси и исходные материалы должны удовлетворять требованиям к дорожно-строительным материалам действующих ГОСТ, СНиП и инструкций.
2.2. Лучшими теплоизоляционными свойствами в настоящее время обладают пенопласты. В зависимости от вида исходного полимера пенопласты разделяют на полистирольные (ПС-1, ПС-4, ПСБ, ПСБ-С), поливинилхлоридные (ПХВ-1, ПХВ-2), полиуретановые (ПУ-101, ППУ-9Н, ПУ-304Н, ППУ-3Н), фенолформальдегидные (ФФ) и др. Пенопласты имеют весьма малую объемную массу (обычно 20-100, реже до 200 кг/м3).
Пенопласты имеют замкнуто-пористую структуру и мало изменяются в объеме при замерзании в увлажненном состоянии, хорошо переносят воздействие мороза и многократные переходы температуры через нуль (коэффициент морозостойкости после 25 циклов промерзания-оттаивания при температуре замораживания -20 С составляет 0,85 - 0,97), вполне удовлетворительно сопротивляются растягивающим напряжениям, сохраняют свои эксплуатационные свойства в достаточно широком интервале температур в течение длительного времени. В дорожной конструкции пенопласту предстоит работать при температурах от +20 до -20 С; фактически же рабочий диапазон температур пенопласта значительно больше (от +60 до -60 С).
Промышленность выпускает пенопласт в плитах разного размера.
Расчетные значения теплофизических и физико-механических характеристик пенопласта приведены в приложении 1.
2.3. По своим теплоизоляционным свойствам пенопласту (п. 2.1) близки легкие бетоны, в частности бетон, в который введены вспученные гранулы полистирола или измельченные отходы жестких пенопластов, так называемые стиропорбетоны, а также битумоминеральные смеси и бетоны с искусственными пористыми (легкими) заполнителями.
Особенности проектирования составов этих материалов и расчетные значения их теплофизических и физико-механических характеристик приведены в приложении 2.
2.4. Состав и свойства легких искусственных заполнителей регламентированы соответствующими стандартами: гравий керамзитовый - ГОСТ 9759-71; щебень и песок аглопоритовый - ГОСТ 1191-66, щебень и песок перлитовый - ГОСТ 10832-74.
Гранулированные топливные шлаки ТЭЦ (быстрого охлаждения водой), гранулированные шлаки черной и цветной металлургии, а также химической промышленности должны отвечать требованиям СНиП 1-Д.2-70/4/.
2.5. Укрепленные грунты и золошлаковые смеси с добавками легких материалов обладают более высокой теплозащитной способностью, чем традиционные дорожно-строительные материалы (щебень, гравий, песок), применяемые обычно для устройства морозозащитных слоев, и грунты.
Среди указанных конструкционно-теплоизоляционных композиций важное место занимают грунты, укрепленные цементом, с добавкой легких заполнителей (гранулы полистирола, перлитовый песок, керамзит); грунты, укрепленные битумной эмульсией совместно с цементом, с добавками вспученного перлитового щебня или песка, а также без этих добавок; грунты, укрепленные золами уноса сухого отбора с добавками извести или электролитов; золошлаковые смеси тепловых электростанций, укрепленные цементомх).
х) Методические рекомендации по использованию золошлаковых смесей ТЭС для устройства укрепленных оснований и морозозащитных слоев дорожных одежд. Союздорнии. М., 1977.
Цементом укрепляют крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты (см. пп. 2.6 - 2.9 СН 25-74 /5/).
Битумными эмульсиями совместно с цементом укрепляют крупнообломочные грунты оптимального состава, пески крупные, средней крупности и мелкие (см. пп. 2.78 и 2.79 СН 25-74).
Золы уноса сухого отбора применяют для укрепления крупнообломочных грунтов и всех видов песков, в том числе пылеватых одномерных, а также супесей (см. п. 2.20 СН 25-74). Наиболее целесообразно использовать золошлаковые смеси ТЭС, работающих на каменном и буром углях.
Грунты и золошлаковые смеси укрепляют портландцементами марок не ниже «300», отвечающими требованиям ГОСТ 8424-72.
Для укрепления грунтов используют анионные прямого типа медленнораспадающиеся (класса МА) битумные эмульсии, приготовляемые на нефтяных битумах марок БНД-200/300, БНД-130/200, БНД-90/130, БНД-60/90, БНД-40/60 и отвечающие требованиям ГОСТ 18659-73.
Укрепленные грунты и золошлаковые смеси с добавками легких заполнителей также должны отвечать требованиям СН 25-74.
Способ проектирования составов этих композиций и расчетные значения их теплофизических и физико-механических характеристик приведены в приложениях 1 и 2.
2.6. Теплозащитные свойства материала характеризуют коэффициентом теплоусвоения Sw, определяемым по формуле
(1)
где λw - коэффициент теплопроводности материала при расчетной влажности, ккал/м∙ч∙град;
Сw - удельная теплоемкость влажного материала, ккал/кг∙град;
γw - объемная масса материала при расчетной влажности, кг/м3.
