Страница 6: Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизолирующих слоев на пучиноопасных участках автомобильных дорог (46155)

При проектировании конструкций для полного предотвращения промерзания земляного полотна расчетные характеристики принимают для талого грунта.

Приложение 2

Особенности проектирования составов теплоизоляционных композиций

Ниже приведены особенности проектирования составов стиропорбетона, бетонов и битумоминеральных смесей с легкими заполнителями и теплоизоляционных укрепленных грунтов.

Стиропорбетон

В настоящее время состав стиропорбетона подбирают методом последовательных приближений. Варьируя соотношение компонентов, постепенно приближаются к получению материала заданной марки или объемной массы. Метод этот не является совершенным. Он трудоемок, и для подбора состава требуется продолжительное время. Чтобы упростить и облегчить процесс проектирования состава стиропорбетона, в МАДИ (Б.В. Дряшкаба) на основании результатов спланированных методом математической статистики экспериментов разработаны специальные диаграммы, позволяющие сравнительно несложным путем подобрать смесь с заданными свойствами (рис. 1). Диаграммы построены применительно к цементу марки «500» и подвижности бетонной смеси до 1,0 см по конусу СтройЦНИЛ.

Последовательность операций по подбору состава стиропорбетона с помощью диаграммы рис. 1 может быть проиллюстрирована на следующем примере.

Допустим, что необходимо запроектировать состав стиропорбетона с пределом прочности при сжатии 50 кгс/см2.

Рис. 1.

Диаграммы «Состав - свойство» стиропорбетона

Получение стиропорбетона (рис. 1, а) требуемой прочности могут обеспечить разные смеси, крайние из которых характеризуются следующим соотношением песка и цемента: смесь I - расход песка - 600 кг/м3 и цемента - 300 кг/м3; смесь II - расход песка - 300 кг/м3 и цемента - 400 кг/м3. По рис. 1, б находят, что в смесь I необходимо добавить гранулы пенополистирола в количестве 825 л/м3, а в смесь II - 1170 л/м3. Для затворения смеси I потребуется 167 л воды на 1 м3 стиропорбетона, а смеси II - 170 л/м3 (рис. 1, в). Объемная масса находящегося в сухом состоянии стиропорбетона, запроектированного на основе смеси I, равна 975 кг/м3 (рис. 1, г), а на основе смеси II - 775 кг/м3. Водопоглощение стиропорбетона (рис. 1, д) смеси I равно 10 % (по массе), а смеси II - 17 %. Коэффициент размягчения (рис. 1, е) соответственно составляет 0,90 и 0,85. Начальный модуль упругости стиропорбетона на основе смеси I равен 36500 кгс/см2, а на основе смеси II - 35000 кгс/см2 (рис. 1, ж).

Оптимальный состав стиропорбетона устанавливают на основании технико-экономического сравнения вариантов с учетом расхода наиболее дефицитных материалов.

Легкие бетоны и битумоминеральные смеси

Состав бетона с легкими заполнителями на цементном, цементо-известковом или силикатном вяжущем подбирают тем же методом, что и бетоны с естественными минеральными заполнителями.

Расход портландцемента марки «300» на 1 м3 легкого бетона назначают по табл. 1.

Таблица 1

При проектировании состава крупнопористого бетона следует учитывать рекомендации табл. 2.

Состав битумоминеральных смесей с искусственными пористыми заполнителями подбирают таким же способом, каким пользуются при проектировании пористых смесей с естественными минеральными заполнителями. Количество легких заполнителей назначают с таким расчетом, чтобы получить теплоизоляционный материал с заданным значением коэффициента теплопроводности (см. п. 3 приложения 3).

Таблица 2

Обычно вместо определенной части щебня из естественных пород в смесь вводят щебень тех же фракций из искусственного пористого материала.

Чаще всего это щебень фракций 5 - 10 и 10 - 20 мм.

Укрепленные грунты и золошлаковые смеси с легкими заполнителями

При проектировании составов смесей из грунтов и золошлаковых смесей, укрепленных вяжущими, определяют оптимальное количество вяжущих, воды и добавок, при которых обеспечивается получение требуемых показателей физико-механических свойств (см. табл. 1 и 2 СН 25-74) и расчетное значение коэффициента теплопроводности.

Ориентировочный расход цемента назначают по табл. 8 СН 25-74, а битумной эмульсии и цемента - по табл. 15 СН 25-74. Примерный расход цемента при укреплении золошлаковых смесей составляет 5 - 8 % массы сухой смеси. Ориентировочный расход золы уноса составляет 15 - 25 % массы сухой смеси.

Добавки керамзита, вспученного перлитового песка и гранул полистирола назначают в количестве, обеспечивающем получение материала с хорошими теплоизоляционными свойствами (с коэффициентом теплопроводности не более 0,5 ккал/м∙ч∙град). При этом учитывают также необходимость обеспечения требуемых физико-механических показателей укрепленных грунтов, стоимость и дефицитность основных материалов.

Ориентировочное количество добавок составляет (% массы сухой смеси) керамзита - 20 - 40, вспученного перлитового песка - 20 - 30, гранул полистирола - 0,5 - 0,7.

Расход вяжущих материалов уточняют по результатам определения показателей физико-механических свойств образцов 3 - 5 смесей.

Количество же легких добавок уточняют по результатам определения коэффициента теплопроводности образцов с разным содержанием добавок (2 - 3 смеси).

Для смесей, приготовленных из грунтов, укрепленных битумной эмульсией совместно с цементом, определяют оптимальную влажность в соответствии с рекомендациями пп. 11 - 13 приложения 4 СН 25-74.

До начала приготовления материала из грунта, битумной эмульсии, цемента и вспученного перлитового песка определяют оптимальную влажность смеси грунта, цемента и перлитового песка стандартным методом в соответствии с пп. 1 - 4 СН 25-74.

Затем в соответствии с данными табл. 15 и п. 8 приложения 4 СН 25-74 назначают количество цемента и битумной эмульсии.

При приготовлении смеси для образцов в лабораторной лопастной мешалке в грунт с водой добавляют битумную эмульсию и цемент и перемешивают смесь в течение 3 мин. Затем вводят вспученный перлитовый песок и вновь перемешивают в течение 3 мин.

При подборе составов смесей определяют прочность при сжатии и на растяжение при изгибе, коэффициент морозостойкости, водонасыщение, пользуясь методиками приложений 3 и 4 СН 25-74, а коэффициент теплопроводности смесей определяют по методике приложения 3 или по табл. 1 - 6 приложения 1 настоящих «Методических рекомендаций».

Приложение 3

Определение теплофизических характеристик материалов и грунтов

В настоящее время лаборатории проектных, строительных и научно-исследовательских дорожных организаций еще не оснащены оборудованием и приборами, позволяющими выполнить теплофизические испытания и исследования материалов и грунтов. Одной из причин этого является отсутствие общепризнанных методов определения теплофизических характеристик. Кроме того, сложность методов и применяемой специальной аппаратуры привела к тому, что проектировщики охотнее обращаются к нормативным и справочным данным /10/ - /12/, чем прибегают к эксперименту, позволяющему получить более дифференцированные и точные значения теплофизических характеристик применительно к проектируемому объекту. На данном этапе еще нельзя рекомендовать только экспериментальные методы определения теплофизических характеристик, поэтому в приложении 1 настоящей работы приведены их расчетные значения. Но наряду с этим весьма полезными окажутся указания по экспериментальному определению теплоемкости и коэффициентов теплопроводности и температуропроводности, приведенные в работах /12/ - /15/. В дополнение к данным, приведенным в работе /12/, ниже изложены методы, проверенные в последние годы и нашедшие применение в ряде ведущих, смежных с дорожными, научно-исследовательских организаций.

1. Определение теплофизических характеристик по методу Института оснований и подземных сооружений Госстроя СССР (НИИ ОСП)

Метод основан на закономерности охлаждения (нагревания) тела в среде с постоянной температурой. Погруженное в жидкую среду тело стремится с течением времени принять температуру среды. Можно различить три стадии охлаждения (нагревания) тела: первая - стадия чисто нестационарного режима, вторая - стадия упорядоченного охлаждении (нагревания), режим которой называют регулярным, третья - стадия стационарного режима, при которой наблюдается равенство температур всех точек тела и окружающей среды. В результате одного опыта можно получить значения теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности. Метод позволяет исследовать теплофизические характеристики грунтов, укрепленных грунтов и материалов при различной их влажности (от сухого до текучего состояния).

Основным прибором является сосуд Дьюара, помещенный в пенопластовую оболочку с толщиной стенок не менее 100 мм. Такая толщина обеспечивает достаточную теплоизоляцию прибора от окружающей среды. Скорость охлаждения или нагревания калориметрической жидкости не должна превышать 0,002 - 0,003 С в минуту.

Прибор закрывается крышкой из пенопласта. По верху пенопластовой крышки приклеивают пластину из оргстекла. В крышке закреплены пропеллерная мешалка для перемешиваний калориметрической жидкости и жесткая металлическая сетка для образца. В крышке имеются отверстие для нормального ртутного термометра с ценой деления 0,1 С и интервалом температур от - 30 до + 20 С и отверстие для метастатического термометра Бекмана с рабочим интервалом температур 5 С и ценой деления 0,01 С. Кроме того, в крышке есть отверстие, через которое образец на нити опускают в калориметрическую жидкость. Во время опыта это отверстие закрывают пробкой. На верху крышки установлен электрический привод пропеллерной мешалки.

В качестве калориметрической жидкости используют керосин или спирт. Объем ее составляет 1000 мл. Для этого объема жидкости определяют тепловое значение прибора.

Испытание проводят на образцах цилиндрической формы размером 4040 мм.

Приготовление и водонасыщение образцов из укрепленных грунтов и материалов выполняют по методикам СН 25-74. Режим хранения образцов устанавливают по этой же Инструкции.

Перед испытанием образцы взвешивают (с точностью до 0,01 г), закрепляют на капроновой нитке и покрывают с помощью кисточки тонким слоем (до 1 мм) шеллака.

Естественные (неукрепленные) грунты заданной плотности и влажности помещают в специальные латунные бюксы с крышками (рис. 1). Бюксы предварительно взвешивают. Затем их взвешивают с грунтом. К бюксам привязывают капроновую нитку, а стык крышки и бюксы герметизируют нитрокраской, после чего вновь взвешивают. При обработке опытных данных учитывают теплоемкость шеллака, нитрокраски и латуни (табл. 1).

Таблица 1

При определении теплофизических характеристик талых укрепленных грунтов и материалов, а так же естественных грунтов образцы из них охлаждают до 0 С и выдерживают при этой температуре в течение суток в ультракриостате или термостате с тающим льдом из дистиллированной воды.

Опыты проводят в помещении с положительной температурой (18 - 22 С). Во время опыта не допускаются резкие колебания температуры в помещении.

Рис. 1. Бюкс для грунта:

1 - бюкс; 2 - верхняя крышка с дужкой; 3 - нижняя крышка

Перед началом испытания включают мешалку для выравнивания температуры калориметрической жидкости и деталей прибора. Устанавливают положение ртути в термометре Бекмана на нужный интервал температур (не ниже 4 С). Для этого термометр Бекмана переворачивают вниз и легким постукиванием переводят ртуть из нижнего резервуара в верхний до соприкосновения с ртутью верхнего резервуара. Затем осторожно переворачивают термометр и помещают в калориметрическую жидкость. При этом необходимо следить, чтобы столбик ртути не разорвался. Выжидают несколько минут и резко встряхивают, чтобы ртуть в верхнем резервуаре упала вниз, после чего проверяют положение ртути в термометре.

Испытание в калориметре можно начинать, когда ход температуры, т.е. изменение температуры за минуту, составит 0,002 - 0,003 °С. Отсчеты делают через каждые 5 мин в течение 15 - 20 мин.

Перед началом опыта температуру отсчитывают по лабораторному термометру и термометру Бекмана.

Процесс испытания разделяют на три периода: начальный, главный, конечный. Эти периоды соответствуют упомянутым ранее стадиям. В течение этих периодов через каждую минуту отсчитывают температуру по термометру Бекмана с точностью до 0,002 С (с помощью лупы).