Определение экономической эффективности использования теплоизоляционных бинарных смесей в дорожных одеждах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Одним из эффективных способов снижения уровня проявлений негативных криогенных процессов является минимизация теплового взаимодействия линейных инженерных сооружений с мерзлыми грунтами, которая может быть достигнута путем использования теплозащитных материалов. Это подтверждается успешным опытом использования теплозащитных конструкций и теплоизоляционных материалов при строительстве аэродромов, железных и автомобильных дорог в криолитозоне. Главным недостатком данного способа управления тепловым режимом грунтовых оснований является высокая стоимость теплоизоляционных материалов. Одним из возможных вариантов снижения стоимости строительства в таких случаях является использование при возведении теплоизоляционных слоев в дорожных одеждах бинарных теплозащитных смесей, которые представляют собой смесь несущего теплоаккумулирующего связующего (песок, гравий) и теплоизоляционного наполнителя (керамзит, азерит, гранулы пенополистирола, стекольный щебень и т. п.). Целью работы являлось определение области экономической эффективности использования бинарных строительных теплоизоляционных материалов в конструкциях дорожных одежд для криолитозоны. Исследовано влияние теплофизических характеристик связующего и наполнителя на экономическую целесообразность использования бинарных теплоизоляционных смесей в дорожных одеждах. Для общности анализа введены два новых безразмерных симплекса: теплофизический симплекс, характеризующий отношение коэффициентов теплопроводности наполнителя и связующего, и экономический симплекс, характеризующий отношение стоимости единицы объема наполнителя к стоимости единицы объема связующего. Построена в безразмерном виде целевая функция, которая позволяет определить, при каком соотношении стоимости наполнителя к стоимости связующего применение бинарных смесей (по сравнению с однородным эквивалентным по термическому сопротивлению слоем связующего) является экономически эффективным. Получены основные количественные закономерности, характеризующие взаимосвязь концентрации наполнителя с безразмерными симплексами: теплофизическим и экономическим. Выведена зависимость для определения предельного значения безразмерного стоимостного симплекса, позволяющего найти границу экономической эффективности использования бинарных теплоизоляционных смесей с различными теплофизическими свойствами. Исследование целевой функции позволило сделать вывод, что область экономической эффективности использования бинарных теплоизоляционных смесей достаточно обширна. Показано, что бинарные материалы могут быть рекомендованы в качестве экономически эффективной замены однородных строительных материалов при проектировании конструктивных теплоизоляционных слоев дорожных одежд. Построен 3D-график, позволяющий оперативно оценить, при каком значении стоимостного симплекса целесообразно применять конкретную теплоизоляционную бинарную смесь в дорожной одежде.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Ф. Галкин

Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН

Email: afgalkkin@mail.ru

д-р техн. наук, профессор, Professor

Россия, 677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36

Н. А. Плотников

Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН

Email: plotnikov-nikolay96@mail.ru

инженер, аспирант

Россия, 677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36

В. Ю. Панков

Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова

Автор, ответственный за переписку.
Email: pankov1956@gmail.ru

канд. геол.-мин. наук, доцент

Россия, 677027, г. Якутск, ул. Белинского, 58

Список литературы

  1. Wu Q.B., Li M.Y., Liu Y Z. Thermal interaction of permafrost and the Qinghai-Tibet Railway. Journal of Cold Regions Engineering. 2010. Vol. 24, Iss. 4, pp. 112–125. https://doi.org/10.1061/(ASCE)CR.1943-5495.0000016
  2. Галкин А.Ф., Курта И.В., Панков В.Ю. Использование горелых пород при подземной прокладке кабельных линий связи в криолитозоне // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331. № 12. С. 131–137. EDN: LESDKA. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/12/2946
  3. Mu Y.H., Ma W., Wu Q.B., et al. Thermal regime of conventional embankments along the Qinghai-Tibet Railway in permafrost regions. Cold Regions Science and Technology. 2012. Vol. 70, pp. 123–131. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2011.08.005
  4. Wang S J, Chen J B, Zhang J Z, et al. Development of highway constructing technology in the permafrost region on the Qinghai Tibet Plateau. Science in China Series E: Technological Sciences. 2009. Vol. 52, pp. 497–506. EDN: BVIAUU. https://doi.org/10.1007/s11431-008-0355-7
  5. Pankov V.Yu. The problem of mechanical loads on pavement of roads in the cryolithic zone. E3S Web of Conferences. 2022. Vol. 363. 01039. EDN: SSRMJT. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202236301039
  6. Варламов С.П., Жирков А.Ф., Находкин Д.А. Температурный режим почвогрунтов при нарушении покровов в современных климатических условиях Центральной Якутии // Наука и образование. 2017. № 4 (88). С. 65–71. EDN: YUYWZM
  7. Галкин А.Ф., Плотников Н.А., Панков В.Ю. Влияние температуры воздуха на глубину оттаивания дорожного основания // Арктика: экология и экономика. 2023. Т. 13. № 4 (52). С. 529–535. EDN: NLLQGS. https://doi.org/10.25283/2223-4594-2023-4-529-535
  8. Yuncheng Mao, Guoyu Li, Wei Ma, Yanhu Mu, Fei Wang, Jian Miao, Danze Wu. Field observation of permafrost degradation under Mo’he airport, Northeastern China from 2007 to 2016. Cold Regions Science and Technology. 2019. Vol. 161, pp. 43–50. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.03.004
  9. Кондратьев В.Г., Кондратьев С.В. Как защитить федеральную автодорогу «Амур» Чита – Хабаровск от опасных инженерно-геокриологических процессов и явлений // Инженерная геология. 2013. № 5. С. 40–47. EDN: RUXFKT
  10. Шапран В.В., Фазилова З.Т. Факторы, оказывающие влияние на развитие продольных профильных деформаций земляного полотна в криолитозоне // Mир транспорта. 2020. Т. 18. № 2. С. 82–101. EDN: WZNPPP https://doi.org/10.30932/1992-3252-2020-18-82-101
  11. Станиловская Ю.В., Мерзляков В.П., Сергеев Д.О., Хименков А.Н. Оценка опасности полигонально-жильных льдов для линейных сооружений // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2014. № 4. С. 367–378. EDN: SJSXMJ
  12. Бессонов И.В., Жуков А.Д., Боброва Е.Ю., Говряков И.С., Горбунова Э.А. Анализ конструктивных решений в зависимости от типа изоляционных материалов в дорожных покрытиях в многолетнемерзлых грунтах // Транспортное строительство. 2022. № 1. С. 14–17. EDN: UNQHNE
  13. Galkin A., Pankov V.Y. Thermal protection of roads in the permafrost zone. Journal of Applied Engineering Science. 2022. Vol. 20. No. 2, pp. 395–399. EDN: NLYVAN. https://doi.org/10.5937/jaes0-34379
  14. Галкин А.Ф., Курта И.В., Панков В.Ю., Потапов А.В. Оценка эффективности использования слоистой конструкции тепловой защиты при строительстве дорог в криолитозоне // Энергобезопасность и энергосбережение. 2020. № 4. С. 24–28. EDN: WYVNYF. https://doi.org/10.18635/2071-2219-2020-4-24-28
  15. Ma W., Feng G., Wu Q., et al. Analyses of temperature fields under the embankment with crushed-rock structures along the Qinghai Tibet Railway. Cold Regions Science and Technology. 2008. Vol. 53. Iss. 3, pp. 259–270. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2007.08.001
  16. Галкин А.Ф., Плотников Н.А. Выбор строительных материалов для теплоизоляционного слоя дорожной одежды // Строительные материалы. 2023. № 9. С. 57–64. EDN: KKKYBQ. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-817-9-57-64
  17. Mu Y., Ma W., Wu Q., et al. Cooling processes and effects of crushed rock embankment along the Qinghai-Tibet Railway in permafrost regions. Cold Regions Science and Technology. 2012. Vol. 78, pp. 107–114. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2012.01.014
  18. Ашпиз Е.С., Хрусталев Л.Н., Ведерникова М.А., Емельянова Л.В. Использование синтетических теплоизоляторов для сохранения мерзлотных условий в основании железнодорожной насыпи // Криосфера Земли. 2008. Т. 12. № 2. C. 84–89. EDN: JTGMXF
  19. Galkin A.F., Plotnikov N.A., Pankov V.Y. Selection of Construction Materials for a Thermal Insulation Layer of a Road. In: Feng, G. (eds) Proceedings of the 10th International Conference on Civil Engineering. ICCE 2023. Lecture Notes in Civil Engineering. 2024. Vol. 526. https://doi.org/10.1007/978-981-97-4355-1_52
  20. Hanli Wu, Jenny Liu, X. Zhang. Feasibility study on use of cellular concrete for air convection embankment on permafrost foundations in Fairbanks, Alaska. Transportation Geotechnics. 2020. Vol. 22. https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2020.100317
  21. Ma W., Mu Y., Wu Q., et al. Characteristics and mechanisms of embankment deformation along the Qinghai-Tibet Railway in permafrost regions. Cold Regions Science and Technology. 2011. Vol. 67. Iss. 3, pp. 178–186. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2011.02.010
  22. Cheng G.D., Wu Q.B., Ma W. Innovative designs of permafrost roadbed for the Qinghai-Tibet Railway. Science in China Series E: Technological Sciences. 2009. Vol. 52, pp. 530–538. https://doi.org/10.1007/s11431-008-0291-6
  23. Sun Yong-fu. Permafrost engineering in the Qinghai-Tibet Railway: research and practice. Journal of Glaciology and Geocryology. 2005. Vol. 27. Iss. (2), pp. 153–162. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2005.0025
  24. Wu Q., Zhang Z., Liu Y. Long-term thermal effect of asphalt pavement on permafrost under embankment. Cold Regions Science and Technology. 2010. Vol. 60. Iss. 3, pp. 221–229. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2009.10.007
  25. Galkin А.F.,Kurta I.V., Pankov V.Yu. Calculation of thermal conductivity coefficient of thermal insulation mixtures. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 918. VIII International Scientific Conference Transport of Siberia-2020. 22–27 May 2020. Novosibirsk, Russia. EDN: JSYOPJ. https://doi.org/10.1088/1757-899X/918/1/012009
  26. Galkin A., Pankov V., Fedorov Ya. Calculation of thermal conductivity coefficient of a binary mixture. E3S Web of Conferences. International Scientific Conference “Fundamental and Applied Scientific Research in the Development of Agriculture in the Far East” (AFE-2022). 2023. 03020. EDN: YMUQSQ. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202337103020
  27. Галкин А.Ф., Панков В.Ю., Фёдоров Я.В. Расчетный коэффициент теплопроводности бинарной смеси // Арктика и Антарктика. 2022. № 4. С. 11–19. EDN: ZORQDG. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2022.4.39349
  28. Galkin A.F., Zheleznyak M.N., Zhirkov A.F. Increasing thermal stability of the roads in cryolithic zone. X International Scientific Siberian Transport Forum – Transsiberia 2022. Transportation Research Procedi. Vol. 63. 2022, pp. 412–419. EDN: XYMWGU. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2022.06.029

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Значение целевой функции в зависимости от концентрации теплоизоляционного наполнителя для двух симплексов теплопроводности (λо) при различном значении симплекса стоимости (Со) материалов бинарной смеси: 1 – 1; 2 – 2; 3 – 6; 4 – 8; 5 – 10; a – λо=0,05; b – λо=0,5

Скачать (115KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Значение целевой функции в зависимости от симплексов теплопроводности (λо) и стоимости (Со) материалов бинарной смеси: a – при концентрации теплоизоляционного наполнителя m=0,1; b – при концентрации теплоизоляционного наполнителя m=0,4

Скачать (155KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Допустимое отношение (Со) стоимости материалов наполнителя и связующего, при котором применение бинарной теплоизоляционной смеси с концентрацией (m) и безразмерным коэффициентом теплопроводности (λо) является экономически эффективным: 1 – λо=0,05; 2 – λо=0,1; 3 – λо=0,5

Скачать (75KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Допустимое отношение (Со) стоимости материалов наполнителя и связующего, при котором применение бинарной теплоизоляционной смеси с концентрацией (m) и безразмерным коэффициентом (симплексом) теплопроводности (λо) является экономически эффективным

Скачать (100KB)
Метаданные

© ООО РИФ "СТРОЙМАТЕРИАЛЫ", 2025