ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН Российский патент 2004 года по МПК E01C3/06 E02D31/00 

Изобретение относится к области строительства, в том числе земляных сооружений, в частности насыпей для автомобильных дорог, с использованием теплоизолирующих материалов, теплозащиты грунтовых оснований под фундаментами сооружений, грунта вокруг трубопроводов и т.д.

Известен способ возведения насыпи на многолетнемерзлых грунтах, включающий укладку нижнего слоя из торфа либо торфопесчаной смеси с последующим промораживанием и слоя из минерального грунта [1, 2, 3].

Недостатками этого способа строительства насыпи являются увеличение сроков строительства из-за малой скорости промерзания слоя торфа толщиной до 1 м и необходимостью отсыпки слоя насыпи из минерального грунта толщиной более 2 м.

Известна также конструкция насыпи, когда в ее тело в качестве теплоизолирующего материала (теплозащитного экрана) укладывается слой из полистирольных, полиуретановых, поливинилхлоридных и т.д. плит [1].

Недостатками такой конструкции являются необходимость использования примерно такой же толщины теплоизолирующих материалов, как в первом случае, что прежде всего резко ухудшает экономические показатели конструкции насыпи и снижает ее несущую способность.

Считается, что при одинаковой толщине теплоизолятора использование композиции, состоящей из слоев материалов с разными теплоизолирующими свойствами, должно дать некоторый промежуточный результат по теплозащитным свойствам. Однако известен теплоустойчивый материал, используемый в ограждающих конструкциях строительных объектов, позволяющий увеличить тепловую устойчивость объекта за счет того, что выполнен этот материал из гранул теплоемкого материала и связующего в виде пористого материала [4].

Задача изобретения - найти такую конструкцию теплозащитного экрана для использования в строительстве при защите нижележащего грунта от промерзания или протаивания, которая обеспечит повышение эффективности теплозащиты и снижение расхода теплоизолирующих материалов при условии непромерзания или непротаивания грунта под экраном за заданный срок и наименьшей толщине теплозащитного экрана.

Задача решается за счет того, что согласно изобретению теплозащитный экран для защиты грунта от промерзания или протаивания характеризуется тем, что он выполнен двухслойным из материалов для первого слоя, внешнего или вышележащего относительно защищаемого грунта, и второго слоя, внутреннего или нижележащего, расположенного между первым и защищаемым грунтом, коэффициенты теплопроводности которых соответственно λ₁ и λ₂, значения объемной влажности соответственно W₁ и W₂ определены условиями

а толщины h₁ и h₂ соответственно первого и второго слоев при условии их минимальной суммарной толщины при коэффициентах запаса, равных единице, определены зависимостями

где К - коэффициенты запаса: К₁=1-1,1; К₂=1-1,2;

h₁ - толщина первого слоя, м;

h₂ - толщина второго слоя, м;

λ₁ - коэффициент теплопроводности первого слоя, Вт/м·К;

λ₂ - коэффициент теплопроводности второго слоя, Вт/м·К;

W₁ - объемная влажность первого слоя, д.е.;

W₂ - объемная влажность второго слоя, д.е.;

τ - длительность периода с отрицательными или положительными температурами, с;

Т - средняя температура на внешней поверхности экрана за время τ, °С;

L - удельная теплота замерзания воды, равная соответственно 332·10⁶ Дж/м³.

При этом по крайней мере один из слоев может быть заключен в оболочку из гидроизоляционного материала.

Теплозащитный экран может быть расположен:

- в теле земляного сооружения, например насыпи, или на его основании, а его слои размещены вплотную друг к другу;

- на откосе земляного сооружения, например насыпи, а его слои размещены вплотную друг к другу;

- в теле земляного сооружения, например насыпи, а его слои отделены друг от друга грунтовой прослойкой;

- в теле земляного сооружения, например насыпи, при этом первый его слой выполнен по высоте составным из разделенных грунтом частей, суммарная толщина которых равна толщине первого слоя, а второй слой экрана примыкает вплотную к нижней части первого слоя;

- вокруг проложенного в грунте трубопровода, а его слои размещены вплотную друг к другу вокруг трубопровода;

- на поверхности или в грунте по периметру сооружения или его фундамента, а слои экрана образуют ограждающую теплозащитную конструкцию.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью существенных признаков, состоит в том, что уменьшается в несколько раз без снижения теплозащитных свойств суммарная толщина экрана по сравнению с однослойной конструкцией, почти на порядок снижается расход пенополистирола либо подобных дорогостоящих теплоизоляционных материалов, обеспечивается переход к применению более дешевых материалов с невысокими теплоизоляционными качествами совместно с местными материалами (торф, торфопесчаная смесь, глина, суглинок, и т.д.) в расчетном соотношении толщин их слоев, сокращаются сроки строительства и повышается прочность конструкции земляного сооружения за счет уменьшения толщины теплоизоляционного экрана, состоящего обычно из материала с низкой прочностью. Кроме того, при проектировании теплозащиты возможно подобрать материалы с учетом композиционных теплозащитных свойств, эффективнее дополняющие имеющиеся строительные конструкции.

Аналитические зависимости изобретения для расчета толщин слоев h₁ и h₂ в двухслойном теплозащитном экране получены из решения уравнения, составленного на основании метода эквивалентного слоя [5], при условии, что суммарная толщина слоев экрана минимальна. Приведенные зависимости при равенстве коэффициентов запаса единице позволяют получить условие оптимального соотношения толщин слоев в двухслойном экране

при котором суммарная толщина экрана (h₁+h₂) минимальна и равна

где обозначения те же, что и выше.

Для характеристики теплозащитных свойств экранов, выполненных из различных материалов, возможно сравнивать их минимально достаточные толщины, обеспечивающие непромерзание или непротаивание грунта под экраном за заданный срок, если экраны используются в одинаковых условиях, т.е. при равных средних температурах на внешних поверхностях экранов и равных длительностях периода с отрицательными или положительными температурами. Минимально достаточная толщина однослойного экрана Н, выполненного из материала с коэффициентом теплопроводности λ и объемной влажностью W, выражается приближенно зависимостью

Таким образом, соотношение минимально достаточных толщин экранов однослойного Н и двухслойного (h₁+h₂) будет максимально и равно

при условии:

где Н и (h₁+h₂) - минимально достаточные толщины экранов соответственно однослойного и двухслойного;

λ₁ и λ₂, W₁ и W₂ - коэффициенты теплопроводности и объемная влажность материалов первого и второго слоев двухслойного экрана с толщиной h₁ и h₂ соответственно;

λ и W - коэффициенты теплопроводности и объемная влажность материала однослойного экрана с толщиной Н.

В качестве эталонного для выполнения сравнений возможно принять однослойный экран, выполненный, например, из пенополистирола толщиной Н_с, с коэффициентом теплопроводности λ=0,03 Вт/м·К и объемной влажностью W=0,03 д.е., или из пенопласта толщиной Н_п, с коэффициентом теплопроводности λ=0,052 Вт/м·К и объемной влажностью W=0,03 д.е. В этом случае соотношение толщин экранов будет характеризовать теплозащитную эффективность двухслойного экрана по сравнению с эталонным. Данные сравнения приведены в табл.2.

Для расчета толщин слоев двухслойного экрана, находящегося под дневной поверхностью грунта, требуется знать среднюю температуру на внешней поверхности экрана, которая может быть установлена прямыми измерениями или рассчитана. Такой расчет средней температуры, как и расчет минимально достаточной толщины экрана в оптимальном соотношении толщин его слоев в соответствии с установленным и вышеприведенным условием, для многослойной среды выполняется с использованием математических моделей - компьютерных программ расчета температурных полей с протаиванием или промерзанием [5]. Используя данные табл.2 и имеющиеся результаты расчета для установки однослойного экрана, возможно сделать оценку характеристик двухслойного экрана, размещаемого в тех же условиях по температуре и высоте с учетом минимальности его суммарной толщины и выбора характеристик применяемых материалов.

Для подтверждения закономерностей, установленных аналитическими зависимостями, было выполнено экспериментальное лабораторное сравнение теплозащитных свойств материалов и математическое моделирование для двухслойного экрана в реальных условиях.

Экспериментальное сравнение теплозащитных свойств материалов, позволяющих достичь наибольший эффект снижения толщины двухслойного экрана, было выполнено на образцах высотой 2,5 см и площадью 10×10 см². Первый образец состоял полностью из пенополистирола; второй - полностью из торфа; третий, четвертый и пятый - из слоев пенополистирола и торфа в соотношении по толщине 1,5:1; 1:3; 1:2 соответственно. Торф использовался влагонасыщенный, предварительно уплотненный с объемным весом 0,9 т/м³, объемной влажностью 0,54 д.е., плотностью скелета 0,36 т/м³. Характеристики материала слоев, пенополистирола и торфа 1, приведены в табл.1. Образцы помещались в одинаковые теплоизолированные с боков и снизу ячейки контейнера на слой песчаного грунта толщиной 2,5 см и весовой влажностью 0,2 д.е. Между грунтом и аттестуемым образцом теплоизоляции помещался датчик температуры. Температура измерялась компьютеризированным измерительным комплексом LPC (логгером). Контейнер с образцами устанавливался в холодильник, в котором поддерживалась постоянная температура. Верхняя поверхность ячеек контейнера не имела теплоизоляции, и промерзание либо протаивание происходило одномерно - сверху вниз.

На фиг.1 приведены зависимости температуры грунта под разными теплозащитными экранами суммарной толщиной 2,5 см в цикле оттаивания при начальной температуре образца -5°С и температуре среды +5°С. Быстрее всего начинает оттаивать грунт под теплозащитным экраном, состоящим из пенополистирола (5), затем - под теплозащитным экраном, состоящим из торфа (1). Намного медленнее происходит оттаивание под двухслойными теплозащитными экранами с соотношением пенополистирола к торфу по толщине - 1,5:1 (4); 1:3 (3) и 1:2 (2) соответственно.

На фиг.2 данные этого эксперимента приведены в виде зависимости времени до начала оттаивания грунта под теплозащитным экраном с толщиной h_и, равной 2,5 см, от толщины слоя торфа h_т в нем, причем h_т+h_п=h_и, где h_п - толщина слоя пенополистирола в теплозащитном экране. По графику видно, что наиболее эффективная теплозащита (максимум времени до начала оттаивания грунта под экраном) достигается при соотношении пенополистирола и торфа по толщине, равном 0,8-1,0.

Математическое моделирование было выполнено для двухслойного теплозащитного экрана, уложенного в тело насыпи. Теплозащитный экран состоял из слоев пенополистирола и торфа 2. В модельных расчетах варьировалось соотношение толщин слоев, и путем итераций разыскивалась минимальная суммарная толщина слоев (минимальная толщина двухслойного экрана), обеспечивающая в течение года непротаивание мерзлого грунта под экраном. Общая высота насыпи принималась постоянной, равной 1,5 м. Характеристики свойств материалов приведены в табл.1. Расчет выполнен для среднегодовой температуры воздуха, равной -2,4°С, и годовой амплитуды температур воздуха, равной 37°С.

Данные расчета приведены на фиг.3. Графическая зависимость показывает наличие минимума общей толщины теплозащитного экрана, исключающего протаивание грунта под ним в течение года, при соотношении толщин пенополистирола и торфа, равном ≈1,0.

Таким образом, аналитическим расчетом, лабораторным экспериментом и математическим моделированием промерзания-протаивания насыпей, в конструкции которых использован двухслойный теплозащитный экран, установлено явление наличия теплозащитного оптимума, выражающегося в том, что при заданном теплозащитном эффекте (непромерзании или непротаивании грунта под экраном за заданный срок) существует такое соотношение толщин слоев в экране, при котором его необходимая суммарная толщина будет наименьшей.

Согласно изобретению теплозащитный экран для защиты грунта от промерзания или протаивания выполнен двухслойным. Первый слой является внешним или вышележащим относительно защищаемого грунта, а второй слой - внутренним или нижележащим, расположенным между первым и защищаемым грунтом. Коэффициенты теплопроводности материалов слоев λ₁ и λ₂ и их значения объемной влажности соответственно W₁ и W₂ определены условиями

а толщины первого h₁ и второго h₂ слоев, соответствующие условию минимальности их суммарной толщины при коэффициентах запаса, равных единице, определены зависимостями

где К - коэффициенты запаса: К₁=1-1,1; К₂=1-1,2;

h₁ - толщина первого слоя, м;

h₂ - толщина второго слоя, м;

λ₁ - коэффициент теплопроводности первого слоя, Вт/м·К;

λ₂ - коэффициент теплопроводности второго слоя, Вт/м·К;

W₁ - объемная влажность первого слоя, д.е.;

W₂ - объемная влажность второго слоя, д.е.;

τ - длительность периода с отрицательными или положительными температурами, с;

Т - средняя температура на внешней поверхности экрана за время τ, °С;

L - удельная теплота замерзания воды, равная соответственно 332·10⁶ Дж/м³.

При этом по крайней мере один из слоев может быть заключен в оболочку из гидроизоляционного материала. Теплозащитный экран может быть расположен в теле, на откосе или основании земляного сооружения, например насыпи, а его слои размещены как вплотную друг к другу, так и отделены друг от друга грунтовой прослойкой. Первый слой теплозащитного экрана, расположенного в теле земляного сооружения, например насыпи, может быть выполнен по высоте составным из разделенных грунтом частей, суммарная толщина которых равна толщине первого слоя, а второй слой экрана примыкает вплотную к нижней части первого слоя. Теплозащитный экран может быть расположен вокруг проложенного в грунте трубопровода, а его слои размещены вплотную друг к другу вокруг трубопровода. Теплозащитный экран может быть расположен на поверхности или в грунте по периметру сооружения или его фундамента, а слои экрана образуют ограждающую теплозащитную конструкцию.

Теплозащитный экран с двухслойной конструкцией осуществим, если он содержит первый или внешний слой из материала, например, пенополистирола, пенополиуретана, полимерной пены, пенопласта, реже из неуплотненных древесных опилок, сухой глины, свежей древесины и, как часть строительной конструкции, шлакобетона, стиропорбетона, аглопоритового щебня и т.д. и второй или внутренний слой из материала, например, влагонасыщенного торфа, глины, суглинка, уплотненных древесных опилок и т.д.

Характеристики материалов, возможных для применения в двухслойном теплозащитном экране, оптимальное соотношение толщин их слоев, сравнение минимально достаточных толщин двухслойного экрана из этих материалов и однослойного, выполненного из пенополистирола или пенопласта, а также коэффициенты снижения расхода пенополистирола или пенопласта при использовании в двухслойном экране при минимальной суммарной толщине его слоев приведены в табл.2.

Литература

1. Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты. ВСН 84-89. М.: Минтрансстрой СССР, 1990, 272 с.

2. Авторское свидетельство СССР №841418, кл. Е 01 С 3/06, Е 02 D 17/00, 1979 г.

3. Авторское свидетельство СССР №1010889, кл. Е 01 С 3/06, 1981 г.

4. Авторское свидетельство СССР №1604949, кл. Е 04 В 1/76, 1988 г.

5. Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизоляционных слоев дорожной одежды из пенополистирольных плит “Пеноплэкс” (Введены в действие с 01.01.2001 г. распоряжением №00-35 Минтранса РФ). М., 2000, 51 с.

Изобретение относится к области строительства, в том числе земляных сооружений, в частности насыпей для автомобильных дорог, с использованием теплоизолирующих материалов, теплозащиты грунтовых оснований под фундаментами сооружений, грунта вокруг трубопроводов и т.д. Теплозащитный экран для защиты грунта от промерзания или протаивания характеризуется тем, что выполнен двухслойным из материалов, коэффициенты теплопроводности и значения объемной влажности которых определены соотношениями, а толщины слоев соответствуют условию минимальности суммарной толщины двухслойного экрана и определены приведенными зависимостями. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в уменьшении суммарной толщины экрана по сравнению с однослойной конструкцией, снижении расхода дорогостоящих теплоизоляционных материалов, возможности применения более дешевых материалов с невысокими теплоизоляционными качествами совместно с местными материалами в расчетном соотношении толщин их слоев, сокращении сроков строительства и повышении прочности конструкции земляного сооружения. 7 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

1. Теплозащитный экран для защиты грунта от промерзания или протаивания, характеризующийся тем, что он выполнен двухслойным из материалов для первого слоя, внешнего или вышележащего относительно защищаемого грунта, и второго слоя, внутреннего или нижележащего, расположенного между первым и защищаемым грунтом, коэффициенты теплопроводности которых соответственно λ₁ и λ₂, значения объемной влажности соответственно W₁ и W₂ определены условиями:

а толщины h₁ и h₂ соответственно первого и второго слоев при условии их минимальной суммарной толщины при коэффициентах запаса, равных единице, определены зависимостями:

где К - коэффициенты запаса: К₁=1-1,1; К₂=1-1,2;

h₁ - толщина первого слоя, м;

h₂ - толщина второго слоя, м;

λ₁ - коэффициент теплопроводности первого слоя, Вт/м·К;

λ₂ - коэффициент теплопроводности второго слоя, Вт/м·К;

W₁ - объемная влажность первого слоя, д.е.;

W₂ - объемная влажность второго слоя, д.е.;

τ - длительность периода с отрицательными или положительными температурами, с;

Т - средняя температура на внешней поверхности экрана за время τ, °С;

L - удельная теплота замерзания воды, равная соответственно 332·10⁶ Дж/м³.