CC BY
21
The definition of asphalt - concrete highways durability
I. A. Kholmyansky
The results of the experimental research of asphalt - concrete squared beam deformation up to destruction are given hire. The is explained that the use of energetic kind of creep theory gives the possibility to define the durability of asphalt - concrete structures with due regard for temperature influence, different values of alternative loads, different resistibility of material depending upon the defor-
mation kinds and other conditions of loading on the base of summing the corresponding deformation works. It is necessary to continue the experimental works of maximum considering the conditions of real maintenance for the definition of creep parameters to calculate the durability.
Холмянский Игорь Антонович - доктор техн. наук, профессор каф. «Проектирование дорог» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - вопросы качества в дорожном строительстве. Имеет 106 опубликованных работ.
УДК 625.855.2
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО ДИОДА НА МОЩНОСТЬ ПОДСТИЛАЮЩИХ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
А.М. Завьялов, М.А. Завьялов, Е.А. Бедрин
Аннотация. Рассмотрено одномерное нестационарное температурное поле вечномерзлых грунтов, формирующееся под влиянием теплового диода. Предложен математический аппарат для прогнозирования изменения мощности массива вечномерзлых грунтов.
Ключевые слова: мощность вечномерзлых грунтов, граница фазовых переходов, температурное поле, условие задачи Стефана.
Проблемы устойчивости земляных сооружений, возведенных на вечномерзлых грунтах, равно как и вопросы повышения прочностных свойств грунтов, становятся все более актуальными по мере интенсивного освоения холодных районов мира.
Предметом исследования, представленного в данной статье, являются закономерности влияния теплового диода на мощность подстилающих вечномерзлых грунтов. Под тепловым диодом будем понимать конструктивно-технологическое решение [1], технический результат которого заключается в повышении прочности и устойчивости (термической и сейсмической) основания земляного сооружения на вечной мерзлоте. Достигается этот результат тем, что в земляном сооружении на мерзлых грунтах, на поверхности грунтового основания устроен слой из водонасыщенного и водоудерживающего материала (грунта). Материал обеспечивает впитывание и удержание слоя воды, под которым в природных условиях начинает образовываться вечная мерзлота. По сути, указанный слой материала
(грунта) выполняет функции теплового диода, реализующего кондуктивный теплообмен:
- теплоизолятора-охладителя мерзлого основания летом;
- проводника холода в более длительный, чем летний, зимний период.
Причем в зимний период тепловой диод усиливает «подзарядку» холодом, за счет увеличения температуропроводности в 6 - 8 раз после промерзания. В результате нулевая изотерма смещается вниз на толщину теплового диода, чем и достигается сохранение поверхности грунтового основания в мерзлом состоянии в течение всего года (рис. 1). Одновременно обеспечивается понижение среднегодовой температуры, как поверхности, так и всей толщи вечномерзлого грунта основания, что позволяет значительно укрепить мерзлое основание сооружения.
Рассмотрим изменения в установившемся процессе теплообмена вечномерзлых грунтов с атмосферой в результате устройства теплового диода на поверхности рассматриваемых грунтов. Эти изменения влияют, прежде всего,
на две важнейшие характеристики теплового обмена:
- температурное поле;
- мощность вечномерзлого грунта.
Рис. 1. Земляное сооружение: 1 - грунтовая насыпь; 2 - слой водонасышенного водоудерживающего материала (грунта, диода); 3 - поверхность многолетнемерзлого грунтового основания; А -положение высокотемпературной (неустойчивой) вечной мерзлоты до возведения земляного полотна; Б - положение высокотемпературной (неустойчивой) вечной мерзлоты после начала эксплуатации сооружения
При изменении установившегося процесса теплообмена на глубине нулевых амплитуд начнут формироваться новые значения температуры. В зависимости от конструктивнотехнологического исполнения теплового диода, его архитектуры и структуры, может иметь место плавное и скачкообразное изменение этой температуры во времени.
Но в обоих случаях температурное поле вечномерзлого грунта определяется при краевых условиях, которые в общем виде можно записать в виде
т(х, °) = /(х); т (°,t) = Р(і); Т(¿, t) = 0,
(1)
легМ - Г=„„«
дх dt
(2)
Однако решение задачи при совместном учете изменения температурного поля и мощности вечномерзлого грунта весьма затруднительно в силу нелинейности условия Стефана.
Анализ работ по решению аналогичных задач показал, что в известных условиях можно рассматривать независимо друг от друга [2] изменение температурного поля вечномерзлого грунта и динамику подвижной границы фазовых переходов (при X = £). Принимая эту предпосылку, рассмотрим случай скачкообразного изменения температуры во времени после устройства теплового диода.
Краевые условия (1) запишем в виде
Т (х,0) = Т (1 - х/Н 2), Т (0, і) = Т2,
Т (Н„ і ) = 0,
(3)
где Т и Т2 - соответственно значения прежней и новой температуры на поверхности вечномерзлого грунта; Н2 - мощность толщи, которая определяется из условия стационарного состояния при новой температуре
АТ
Г
(4)
При скачкообразном изменении температуры на границе х = 0 температурное поле при реализации краевых условий (3) определяется следующим выражением [3]:
1 —
Н
2
2(Т -Т21 аППі
где Т, х, t - соответственно температура, координата, время; £(і) - координата нижней подвижной поверхности вечномерзлых грунтов; f и ф - некоторые задаваемые функции.
Мощность вечномерзлого грунта определяется посредством известного условия Стефана
-X - ехр
(5)
22
Н
• sгn
2 У
^ ПП ^
V Н2 У
Находим величину теплового потока через единичную площадь при х = Н2, то есть
е=-ддТ. Н
е сх |х=Н2
(6)
Или для температурного поля (5) О будет иметь вид
здесь А - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта; о - удельная теплота плавления льда; № - объемная влажность (льди-стость грунта); Г - постоянный геотермический поток тепла.
Т
Є = 1—+1 Н 2
2 (Ті - Т2)
цц і
£(-1)п ехр|-
22 ап п і
Н
(7)
Первое слагаемое в первой части равенства представляет собой стационарный тепловой поток, а второе слагаемое - нестационар-
х
2
п=1
п=1
ный. Для оценки величины и продолжительности действия нестационарного теплового потока определим значения второго слагаемого через 5, 10 и 20 лет при следующих исходных данных: а = 2,510-3 м2/час; Н2 = 50 м.
Через 5 лет значение второго слагаемого будет равно 0,0986; через 10 лет - 0,016; через 20 лет - 0,0014. Иначе говоря, через 5 лет значением нестационарного члена, меньшем
0,1, можно пренебречь. Это означает, что температурное поле массива вечномерзлых грунтов после устройства теплового диода достигает нового стационарного состояния и это происходит довольно быстро. Определим теперь изменение мощности вечномерзлого грунта с учетом действия теплового диода как динамику движения нижней границы вечномерзлых грунтов. В случае скачкообразного изменения температуры во времени (а, именно, этот случай рассматривается) условие Стефана (2) на границе фазовых переходов можно записать в виде
d%
X-2 — Г = aW— . % dt
Проинтегрировав, найдем
(8)
t =
aW
Г
„ XT2 XT2 — H1 Г
-%+ H +-------2 ln----2----—
1 Г XT2 — %Г
(9)
здесь Н1 - начальная мощность массива вечномерзлых грунтов.
Применяя численные методы по формуле (9) можно определить динамику движения нижней границы массива вечномерзлых грунтов, то есть получить зависимость
% = %(t) ,
(10)
которая задается таблично, графически (рис. 2), либо аппроксимируется аналитическим выражением. Формулу (9) можно применять для определения времени промерзания - оттаивания теплового диода, полагая ^ равным значению его толщины.
Выводы
1. Влияние теплового диода на массив вечномерзлых грунтов выражается в изменении установившегося процесса теплообмена рассматриваемых грунтов с атмосферой, что приводит к нестационарности температурного поля.
2. В сравнительно непродолжительный период времени формируется новое стационарное состояние.
3. Реализация условия Стефана в форме (8) позволяет проследить динамику изменения мощности вечномерзлых грунтов.
Рис. 2. Динамика движения нижней границы вечномерзлых грунтов
Библиографический список
1. Бедрин, Е.А. Заявка на изобретение «Земляное сооружение на многолетнемерзлых грунтах и способ его возведения с укреплением основания в районах распространения вечной мерзлоты, от 09.06.2010, рег. № 2010123570/(033557) / Е.А. Бедрин, В.Н. Лон-ский, А.М. Завьялов, В.П. Попов.
2. Редкозубов, Д.В. Геотермический метод исследования толщ мерзлых пород / Д.В. Редкозубов. - М.: Наука, 1966. - 327 с.
3. Фельдман, Г.М. Методы расчета температурного режима мерзлых грунтов / Г.М. Фельдман. - М.: Наука, 1973. - 254 с.
Effect of heat diode on underlying permafrost soils power thickness
A.M. Zavjalov, M.A. Zavjalov, E.A. Bedrin
The one-dimensional unsteady temperature field of permafrost, formed under the influence of the thermal diode. Proposed a mathematical tool for predicting changes in the power of the array of permafrost
Завьялов Александр Михайлович - д-р техн. наук, проф., академик РАЕН, проректор по научной работе Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - динамика рабочих процессов строительных и дорожных машин. Имеет 255 опубликованных работ, в том числе 3 монографии. е-mail: [email protected]
Завьялов Михаил Александрович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Высшая математика» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований - транспортное строитель-
ство. Имеет более 50 опубликованных работ. е-таИ: zavyalov_ma@sibadi. огд.
Бедрин Евгений Андреевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Экономика и управление дорожным хозяйством» Сибирской государственной
автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - разработка ресурсосберегающих технологий в дорожном строительстве. Имеет более 35 опубликованных работ. e-mail: [email protected]
УДК 625.85:666.9
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСИ НА СВОЙСТВА ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
В.С. Прокопец, В.Д. Галдина
Аннотация. Изучены физико-механические свойства органоминеральных материалов на основе местного сырья, белитового шлама и добавок - побочных продуктов промышленности. Разработаны оптимальные составы и рациональная технология приготовления органоминеральных смесей.
Ключевые слова: белитовый шлам, гудрон, добавки, органоминеральная смесь.
Введение
Существующая сеть автомобильных дорог Сибири отстает от современных требований как по протяженности и плотности сети, так и по транспортно-эксплуатационным показателям. Одним из путей увеличения объемов строительства дорог является снижение их стоимости за счет использования местных дорожно-строительных материалов и техногенных отходов. Это дает возможность значительно расширить ассортимент дорожностроительных материалов и создать энерго-и ресурсосберегающие технологии.
Выполненные исследования и практические работы показали эффективность применения белитовых шламов для укрепления каменных материалов и грунтов при строительстве оснований и покрытий автомобильных дорог. Однако такие материалы (вследствие содержания в белитовом шламе медленнотвердеющего р-двухкальциевого силиката) обладают невысокой начальной прочностью, низкой водостойкостью и высокой истираемостью дорожного покрытия в процессе эксплуатации [1, 2].
Постановка и решение задачи
С целью повышения физикомеханических и эксплуатационных свойств материалов на основе белитовых шламов разработаны составы и технология приготовления органоминеральных смесей (ОМС), представляющих собой разновидность дорожных смесей, приготавливаемых и укладываемых в холодном состоянии [3, 4]. Для изготовления ОМС применяют песок природный, белитовый шлам Павлодарского алюминиевого завода (ПАЗ), нефтяной гудрон,
воду и добавки, ускоряющие твердение белитового шлама.
Фазовый состав белитового шлама ПАЗ характеризуется содержанием р- C2S (40 -55 %), гидросиликатов кальция, гидроалюмината, кальцита, магнетита, гиббсита и кварцита. Белитовый шлам даже в тонкомолотом состоянии весьма слабо проявляет вяжущие свойства, что обусловлено медленным ростом объема гидратных новообразований, характерных для гидратации p-C2S [1, 2, 5, 6].
Для ускорения образования гидратной фазы в системе «шлам - минеральный материал - вода» целесообразно введение в ОМС добавок, ускоряющих твердение бели-тового шлама. В качестве таких добавок были взяты техногенные отходы нефтехимической промышленности: сульфатные сточные воды (добавка СС) и шлам производства катализаторов (добавка Щ). С целью улучшения адгезионных свойств гудрона в ОМС применена структурообразующая добавка -коксовая крошка после помола в виде коксовой пыли (добавка КП).
Добавка СС является бесцветной жидкостью, имеет кислотное число 3 - 8 мг КОН/10 г, рН среды 2 - 3,5 и следующий химический состав, мас. %: сульфат натрия 9 - 15; водорастворимые органические кислоты С1 - С4 0,3 - 0,6; свободная серная кислота 0,2 - 0,8; нелетучие органические соединения (кислоты, кетоны, эфиры) 0,6 - 0,8; марганец 0,01 -0,02; железо 0,003 - 0,005; вода - остальное.
Добавка Щ представляет собой суспензию, содержащую продукты разварки силикатной глы-
