Расчетные значения характеристик λw и Сw устанавливают по результатам лабораторных испытаний образцов при расчетной влажности (приложение 3). При отсутствии приборов для теплофизических испытаний материалов λw и Сw принимают по таблицам приложения 1, составленным на основании обобщения результатов исследований.
2.7. Теплоизоляционные материалы имеют, как правило, расчетные значения коэффициента теплоусвоения Sw < 20. При Sw ?? 2 материал обладает высокоэффективными теплозащитными свойствами, например, пенопласт. Легкие бетоны обычно имеют Sw = 7 ÷ 9, битумоминеральные смеси с легкими заполнителями - Sw = 7 ÷ 4, а укрепленные грунты с легкими заполнителями - Sw = 12 ÷ 20. Материалы с коэффициентом теплоусвоения 7 < Sw < 20, показатели деформационных и прочностных свойств которых соответствуют нормам для материалов дорожной одежды, называются конструкционно-теплоизоляционными. Эти материалы в слоях дорожной одежды выполняют функции не только теплоизоляции, но и несущих элементов.
2.8. Теплоизолирующие слои так же, как и остальные элементы дорожной одежды, воспринимают напряжения от транспортных нагрузок и участвуют в передаче их на подстилающий грунт. Поэтому теплоизоляционный материал должен обладать достаточной жесткостью (модуль упругости) и прочностью (допускаемое напряжение на растяжение при изгибе).
3. Конструкции дорожных одежд с теплоизолирующими слоями
3.1. Для участков, находящихся в особо неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях (п. 1.5), следует устраивать конструкцию с теплоизолирующим слоем, полностью предотвращающим промерзание земляного полотна (рис. 1). В других же случаях целесообразность применения конструкции должна быть экономически обоснована.
3.2. При отсутствии промерзания земляного полотна исключается возможность зимнего накопления влаги в грунте из-за миграции ее снизу от подземных вод. Для предупреждения поступления воды в основание дорожной одежды и в теплоизолирующий слой сверху поверхность обочин укрепляют в соответствии с «Рекомендациями по укреплению обочин автомобильных дорог» (Гипродорнии. М., 1975).
При близком к поверхности покрытия залегании подземных вод теплозащитный слой снизу изолируют полиэтиленовой пленкой, другими рулонными материалами (например, гидроизол) или прослойкой из обработанного битумом грунта. При защите земляного полотна от увлажнения (см. рис. 1, а) отпадает необходимость устройства дренирующего слоя.
3.3. При частичном ограничении глубины промерзания земляного полотна и уменьшении зимнего влагонакопления и пучения под пенопластом следует устраивать дренирующий слой (см. рис. 1, б) для отвода воды, освобождающейся при оттаивании грунта в соответствии с указаниями ВСН 46-72 и «Методических рекомендаций» /3/. При этом дренирующий слой выполняет также функции морозозащитного.
Рис. 1. Конструкции с теплоизолирующим слоем из пенопласта, предотвращающим промерзание земляного полотна (а) и уменьшающим глубину промерзания земляного полотна (б):
1 - покрытие; 2 и 3 - верхний и нижний слои основания; 4 - пенопласт; 5 - гидроизоляция; 6 - укрепительная полоса; 7 - укрепления обочин; 8 - засев трав по откосу; 9 - песчаная защитная прослойка; 10 - песчаный дренирующий слой на всю ширину земляного полотна
3.4. Легкий бетон в теплоизолирующем слое (рис. 2, а) так же, как и тонкий слой пенопласта (см. рис. 2, б), не предотвратит полностью промерзаний, а лишь уменьшит его глубину. При использовании легкого бетона требуется устройство дренирующего слоя (он же и морозозащитный).
Легкий бетон является конструкционно-теплоизоляционным материалом (п. 2.7), включенным в конструкцию дорожной одежды как несущий элемент.
Если по расчету потребуется более прочная конструкция, то между асфальтобетоном и легким бетоном может быть уложен слой битумоминеральной смеси.
При устройстве теплоизоляции из крупнопористого бетона с легкими или обычными заполнителями (рис. 2, б), способного принимать и интенсивно отводить воду, отпадает необходимость в дренирующем слое. Для отвода же воды за пределы дороги предусматривают песчаные обочины (см. рис. 2, б).
Рис. 2. Конструкции с теплоизоляцией из легкого бетона (а); из битумоминеральной смеси и крупнопористого бетона (б):
1 - покрытие; 2 - легкий бетон; 3 - укрепительная полоса; 4 - укрепление обочин; 5 - песчаный дренирующий слой; 6 - засев трав по откосу; 7 - битумоминеральная смесь; 8 - крупнопористый бетон; 9 - песок
3.5. Для предохранения земляного полотна от значительного промерзания можно устраивать дорожные одежды с теплоизолирующими слоями из укрепленных цементом местных материалов, грунтов или отходов промышленности с добавкой легких заполнителей (рис. 3).
Рис. 3. Конструкции с теплоизолирующим слоем из укрепленных материалов и грунтов с легкими заполнителями (а), то же с трубчатыми дренами (б) и с морозозащитным слоем из битумоминеральной смеси (в):
1 - покрытие; 2 - основание; 3 - укрепительная полоса; 4 - укрепление обочин; 5 - песчаный дренирующий слой; 6 - засев трав по откосу; 7 - теплоизолирующий слой; 8 - трубчатая дрена; 9 - выпуск; 10 - морозозащитный слой
Применение же их, как и легких бетонов, для полного предотвращения промерзания, как правило, экономически нецелесообразно, ибо потребуется теплоизолирующий слой очень большой толщины.
3.6. В конструкциях, приведенных на рис. 3, в дополнение к теплоизоляционной композиции также дан слой из зернистых материалов, выполняющих функции дополнительной морозозащиты и дренирования. Теплоизолирующий слой в сочетании с морозозащитным необходимо рассчитывать, руководствуясь указаниями раздела 4 настоящих «Методических рекомендаций» и ВСН 46-72 с учетом допустимой (по условиям ограничения пучения) глубины промерзания земляного полотна. При проектировании дренирующего слоя только на ширину проезжей части предусматривают отвод воды из слоя продольными трубчатыми дренами /3/ (см. рис. 3, б).
Рис. 4. Теплоизоляция из битумоминеральной смеси:
1 - покрытие; 2 - битумоминеральная смесь; 3 - укрепительная полоса; 4 - укрепление обочин; 5 - засев трав по откосу
3.7. Морозозащитный слой из битумоминеральной смеси или из другого материала (грунта), обработанного органическим вяжущим, целесообразно укладывать поверх теплоизоляции из легкого цементогрунта (см. рис. 3, в) для предохранения теплоизоляционной композиции от развития трещин и проявления их на поверхности покрытии.
3.3. Битумоминеральные смеси, имеющие относительно небольшой коэффициент теплопроводности, можно использовать в качестве теплоизоляционного материала (рис. 4). Битумоминеральный слой укладывают непосредственно на грунт земляного полотна. Возможно сочетание теплоизоляции данного типа с морозозащитным слоем. Оптимальное решение устанавливают расчетом.
Наиболее эффективно применение битумокерамзита, битумоперлита, битумоаглопорита или другого минерального пористого материала, обработанного битумом.
3.9. Для повышения теплозащитных свойств обычных битумоминеральных смесей в основании дорожных одежд, а также для снижения расхода теплоизоляционных материалов и обеспечения плавного уменьшения по глубине теплопроводности слоев одежды, в битумоминеральные смеси вместо одной (в крайнем случае двух) фракции щебня (гравия) естественных пород вводят искусственные легкие заполнители (рис. 5) с частицами соответствующих размеров (чаще всего фракций 5 - 10 и 10 - 20 мм).
Рис. 5. Двухслойная теплоизоляция из битуминированного аглопорита:
1 - покрытие; 2 - битумоминеральная смесь с аглопоритовым песком; 3 - аглопоритовый щебень, укрепленный битумом; 4 - укрепительная полоса; 5 - укрепление обочин; 6 - засев трав по откосу
3.10. При капитальном ремонте, реконструкции существующих дорог или усилении дорожной одежды путем увеличения толщины слоев к теплоизоляционным материалам предъявляются повышенные требования в отношении прочности. При этом теплоизоляцию и морозоустойчивость дорожной одежды обеспечивают конструкционно-теплоизоляционными материалами или сочетанием слоев из различных теплоизоляционных материалов, например, из цементогрунта с легким заполнителем, щебня или битумоминеральной смеси (рис. 6).
Примечание. Для рационального выбора теплоизоляции при проектировании усиления или реконструкции существующих дорог необходимо знать характер намечаемых работ и подробную характеристику участка (природные условия, конструктивные элементы, состав и размеры движения и пр.).
3.11. В случаях, когда намечается полная перестройка участка с подъемом земляного полотна или возведение новой насыпи, теплоизолирующие слои проектируют, как для нового строительства.
Рис. 6. Теплоизоляция, устраиваемая при усилении дорожной одежды (а) и при реконструкции дорог с уширением и усилением дорожной одежды (б):
1 - старая дорожная одежда; 2 - новое покрытие; 3 - легкий бетон; 4 - новый дренирующий слой; 5 - основание под уширением; 7 - теплоизоляция
3.12. Расстояние от поверхности покрытия до теплоизолирующего слоя не должно быть менее 15 см для легких бетонов и 35 см для жестких пенопластов. В противном случае температура покрытия и верхних слоев основания будет зимой значительно ниже, а летом выше, чем в конструкциях без теплоизолирующих слоев. Это может привести к снижению трещиностойкости и сдвигоустойчивости монолитных слоев, устроенных с применением органических вяжущих, а также к более частому образованию гололеда на покрытии.
3.13. Для предохранения грунта земляного полотна под дорожной одеждой от промерзания со стороны обочин теплоизолирующий слой должен быть шире проезжей части примерно на 1 м с каждой стороны (см. рис. 1 - 4). Там, где по конструктивным соображениям это выполнить невозможно, целесообразно вдоль краев проезжей части устраивать вертикальные теплозащитные экраны на глубину до 1 м из пенопласта или другого высокоэффективного теплоизолирующего материала.
3.14. На концах участка с теплоизолирующим слоем на протяжении 3 - 5 м в продольном направлении дороги толщину теплоизолирующего слоя постепенно уменьшают, чтобы избежать резкого перехода от одной конструкции к другой и предупредить возможность появления трещин в местах сопряжения.
4. Расчет теплоизолирующего слоя и оценка морозоустойчивости конструкции
4.1. Расчет ведут применительно к дорожной конструкции (земляному полотну и дорожной одежде), представляющей собой трехслойное полупространство, состоящее из трех материалов с различными теплофизическими свойствами (рис. 7). Средний слой, материал которого характеризуется более эффективными теплозащитными свойствами по сравнению с другими двумя слоями, назван теплоизолирующим
Рис. 7. Модель дорожной конструкции с теплоизолирующим слоем
При многослойной конструкции слои, находящиеся над теплоизолирующим слоем, приводят к эквивалентному по теплопроводности однородному слою, а слои, лежащие под теплоизолирующим слоем, включая земляное полотно, - к эквивалентному однородному полупространству (п. 4.10).
4.2. Толщина теплоизолирующего слоя зависит от закономерности изменения температуры воздуха и поверхности покрытия, климатического показателя, характеризующего скорость промерзания грунта, допускаемых величин пучения и глубины промерзаний грунта земляного полотна, толщин и теплофизических характеристик материалов слоев, находящихся под и над теплоизоляцией, теплофизических свойств самого теплоизоляционного материала и грунта земляного полотна, условий увлажнения, водных и пучинистых свойств этого грунта, места расположения теплоизоляции в конструкции, а также от периода между капитальными ремонтами дорожной одежды.
Теплоизолирующий слой рассчитывают по формуле
(2)
где A(h+δ) - амплитуда годового колебания температуры поверхности земляного полотна (низа теплоизоляции), °С;
[A(h+δ)] - допускаемое значение этой амплитуды, С.
4.3. Допускаемое значение амплитуды годового колебания температуры поверхности земляного полотна определяют по формуле
(3)
где tn.cp - среднегодовая температура поверхности покрытия в наиболее неблагоприятном годух) за период между капитальными ремонтами, ??С;
х) Под наиболее неблагоприятным годом понимают год с максимальной суммой отрицательных температур поверхности покрытия за период между капитальными ремонтами дорожной одежды.
[t] - допускаемая величина самой низкой отрицательной температуры поверхности земляного полотна в расчетном году с учетом температуры замерзания грунта.
4.4. Среднегодовую температуру поверхности покрытия находят по формуле
(4)
где tn.max - среднемесячная температура поверхности покрытия в самом теплом месяце года;
tn.min - то же, в самом холодном месяце года.
Рис. 8. График для определения допускаемой суммы отрицательных температур на поверхности земляного полотна под теплоизоляцией за зиму (градусо-сутки)
При отсутствии данных систематических измерений температуры поверхности покрытия в районе, где будет построена дорога, величины tn.max и tn.min могут быть определены косвенным путем. В этом случае используют сведения о среднемноголетних от среднегодовых температур воздуха и об амплитудах колебаний последних, среднеквадратические отклонении от этих параметров и формулу, позволяющую перейти от среднемесячных температур воздуха к среднемесячным температурам поверхности покрытия (приложение 4).
4.5. Допускаемую величину отрицательной температуры поверхности земляного полотна находят по формуле
[t] = t1 + tзам, (5)
где t1 = f([tτ], tn.cp) - определяют по графику рис. 8;
tзам - температура замерзания грунта, принимаемая для песков и супесей 0 С, для легких суглинков - 0,3 °С, для тяжелых суглинков - 0,6 С и для глины - 1 ??С.
4.6. Для определения t1 по графику рис. 8, необходимо предварительно найти допускаемое значение произведения средневзвешенной отрицательной температуры поверхности земляного полотна t и продолжительности промерзания его τ по формуле
