ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА ПРИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОМ УТЕПЛЕНИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В ОГРАЖДАЮЩИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ И ДОРОЖНЫХ ОДЕЖДАХ

Для обеспечения требований норм СНиП [71] и снижения расхода тепловой энергии необходимо осуществлять дополнительную тепло­изоляцию наружных стен реконструируемых зданий и применение многослойных ограждающих конструкций с использованием эффек­тивных утеплителей для вновь строящихся.

В странах Европы очень много делают для энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве. Там эта проблема является одной из приоритетных, и решение её возведено в ранг государственной по­литики. Возникла даже специальная подотрасль, занимающаяся утеп­лением зданий. За последние 20 лет расходы на отопление за рубежом сократились на 40 ... 50% и составляют около 45 ... 50 кВт ч/м2 в год. В России этот показатель равен 80 ... 120 кВт ч/м2 в год. Из них теп - лопотери через стены составляют 42 ... 49%, через окна - 32 ... 35%, через подвальные и чердачные перекрытия - 11 ... 18%, через двери - 5 ... 8% [81, 89].

Крепление утеплителя возможно как с внутренней стороны стены, так и с наружной. Тепловые свойства стены в обоих случаях будут очень разными. При установке теплоизоляционного слоя с внутренней сторо­ны наружная стена находится в зоне холодного воздуха, не прогревается и подвергается переменным циклам замораживания и оттаивания.

Утеплитель значительно легче камня и свободно пропускает пар, что приводит к скапливанию влаги в толще стены на границе с утепли­телем, т. е. выпадает конденсат, который неблагоприятно воздействует на стену и на утеплитель. Это приводит к сокращению срока службы всей конструкции. Резко снижаются теплосберегающие свойства утеп­лителя [84] (рис 19, а).

При расположении теплоизоляционного слоя снаружи стена име­ет лучшие характеристики. Паропроницаемый утеплитель не даёт ска­пливаться влаге и обеспечивает естественную просушку стены, так как конденсат образуется внутри него. Несущая стена остаётся сухой и тёплой - утеплитель надёжно защищает её от переменных температур­ных циклов. Сам утеплитель не увлажняется (если защищён снаружи). Тёплая стена плюс естественная диффузия водяных паров существен­но сказываются на долговечности всей конструкции.

Достоинства и недостатки обоих способов указаны в табл. 14 [82, 84, 88, 97]. В целом в строительной практике широко применяется наружный способ утепления стен.

При соблюдении технологии производства работ и обеспечени необходимого качества система утепленного фасада будет служить в течение 25 - 30 лет.

При выборе утеплителя важно учесть показатель водопоглоще - ния. К сожалению, не все утеплители (особенно отечественные) имеют достаточную стойкость по этому важнейшему показателю. При увели­чении влажности утеплителя на 3 ... 4% теплотехнические свойства всей стены уменьшаются до 50%, и они плохо удерживают тепло.

Система наружной теплоизоляции позволяет экономить расход энергоносителей на 25 . 50%, обеспечивает защиту фасада и дополни­

Тельную звукоизоляцию. В России ежегодно утепляется 200 тыс. м2 по­верхности. Для сравнения: в Г ермании эта цифра превышает 30 млн. м2 в год [93].

В целом технические решения теплозащиты можно классифици­ровать по трём основным признакам: по месту расположения тепло­изоляции (снаружи, внутри или комбинированный метод), по виду материала утеплителя и по виду материала защитного слоя (мокрая отделка - штукатурные растворы или сухая - облицовочные плиты и панели).

Расчёт толщины утеплителя в таких конструкциях производится согласно [69, 72]. При расчёте учитываются в первую очередь тепло - физичекие свойства утеплителя (его теплопроводность и термическое сопротивление), а уже затем его прочностные и деформационные свойства. Согласно [91] по теплофизическим качествам лидирующие позиции занимает пенополистирол: при одинаковом термическом со­противлении он имеет наименьшую толщину (рис. 20).

Утепление наружных конструкций. Наиболее перспективным способом повышения теплозащиты как вновь строящихся, так и рекон­струируемых зданий является наружная теплоизоляция стен. Как было отмечено выше, этот вариант обладает существенными достоинства­ми: отсутствие "мостиков холода"; возможность защитить стыки круп­нопанельных зданий от протечек; не требуется устройство пароизоля­ционного слоя; не уменьшается площадь помещений; отсутствует не­обходимость вскрытия полов; возможность создания нового архитек­турно-художественного облика здания; защищает стену от переменно­го замерзания и оттаивания и других атмосферных воздействий.

Существуют два основных способа утепления стен с наружней стороны: "вентилируемый фасад" и "мокрая технология". Пример тех­нологии производства работ и требования к материалам "мокрого" способа изложены в [73]. "Мокрый" способ означает облицовку фасада плитами утеплителя с последующим оштукатуриванием. Вначале сте­ну подготавливают специальными очищающими и грунтовочными составами, потом приклеивают плиты утеплителя, укрывают арми­рующей сеткой и оштукатуривают в несколько слоёв. Стены одевают­ся в своеобразную "шубу". У такого типа утепления стен несколько названий (вариантов устройства): "HECK", "TexColor" (Германия), "Dryvit", "Senergy" (США), "Ceresit" (Польша), "Шубаплюс" (Россия) и т. д. В каждом из этих методов выполняется крепление на поверхно­сти стены эффективного утеплителя и его защита от внешних воздей­ствий. Применение "вентилируемого фасада" означает устройство осо­бой конструкции, состоящей из материалов облицовки (панелей, плит или листовых материалов), утеплителя и несущей конструкции, кото­рая, в свою очередь, крепится к стене таким образом, чтобы между защитно-декоративным покрытием и стеной оставался воздушный промежуток. В ряде случаев для дополнительного утепления наруж­ных конструкций между стеной и облицовкой фасадной системы пре­дусматривают установку теплоизоляционного слоя - в этом случае зазор оставляется между облицовкой и теплоизоляцией. Сама воздуш­ная прослойка оказывается настолько эффективной в защите от скоп­ления конденсата, приводящего к ухудшению теплоизоляции и гриб­ковым заболеваниям стен, что долговечность ограждающей стены су­щественно возрастает. Кроме того, нет необходимости в периодиче­ском обновлении и ремонте её поверхности. А частоту обслуживания фасада определяют фасадные панели, долговечность которых служит основой сроков эксплуатации всей конструкции, причём возможность замены облицовки делает вентфасад ещё более долговечным.

Закрепление утеплителя на стенах при устройстве дополнитель­ной теплозащиты может осуществляться следующими способами: на­вешиванием (на установленные заранее анкеры или с креплением его
дюбелями по месту); закреплением на направляющих (установка теп­лоизоляционного материала между направляющими, прижатие к на­правляющим, постановкой на направляющие); клеевым креплением (полимерными клеями или растворами); клеевым креплением с наве­шиванием. При наклеивании плитного утеплителя клеевой состав должен обладать хорошей адгезионной способностью, как для поверх­ности утепляемой стены, так и для плитного утеплителя.

При устройстве дополнительной теплоизоляции с наружной сто­роны стены возможно применение в качестве защитного слоя по утеп­лителю облицовочных плит (рис. 21, а). В таких системах в качестве защитно-декоративного слоя используют различные листы и панели на основе гипса, дерева (ДВП, ДСП), пластика, магнезитовые плиты, ке- рамогранитиные плиты и т. д.

Рис. 21. Примеры теплозащиты стены комплексными системами фирмы ”Тиги - Knauf” [61]:

А - с помощью облицовочных плит; б - с помощью штукатурных растворов; в - промежуточная теплоизоляция наружных стен: 1 - утеплитель;

2 - клеящий состав; 3 - армирующая стеклосетка; 4 - дюбель винтовой;

5 - декоративная штукатурка; 6 - рассечка из минеральной ваты;

7 - профиль для защиты углов; 8 - опорный профиль; 9 - облицовочная кладка из кирпича; 10 - конструктивная наружная стена; 11 - проволочный анкер; 12 - прижимная шайба; 13 - влагозадерживающая прокладка

Крепление этого слоя осуществляется к кронштейнам или на­правляющим, между которыми укладывается теплоизоляция. Устрой­ство системы утепления осуществляется с воздушным вентилируемым зазором между утеплителем и облицовочным слоем.

Наиболее дешёвым является вариант наружного утепления с ош­тукатуриванием фасадных поверхностей. Система дополнительного утепления в зависимости от толщины фасадных штукатурных слоёв бывает с жёсткими и гибкими крепёжными элементами, с помощью которых закрепляют плиты утеплителя к существующей стене. Систе­му утепления с жёсткими крепёжными элементами используют при малых толщинах штукатурных слоёв (8 ... 12 мм). Такая система пре­дусматривает следующую технологию устройства: наклеивание плит утеплителя; механическое закрепление плит крепёжными элементами; нанесение базового слоя штукатурки, с втапливаемой в него армирую­щей полимерной сеткой или стеклосеткой из щёлочестойкого стекла; устройство промежуточного грунтовочного и отделочного слоёв. При значительных толщинах штукатурных слоёв (20 ... 30 мм - для обеспечения необходимой пожаробезопасности) применяют гибкие крепёжные элементы. Такая система включает следующую техноло­гию устройства: плиты утеплителя с горизонтальным смещением швов закрепляются насухо к утепляемой стене, путём накалывания на гиб­кие кронштейны; фиксация с помощью армирующей металлической сетки с размером ячеек 20x20 мм (из стали с гальваническим оцинко - ванием поверхности) и шпилек (из коррозионностойкой стали); нане­сение штукатурных слоёв за три раза. Пример показан на рис. 21, б. Как вариант может использоваться промежуточная изоляция наруж­ных стен (рис. 21, в). При этом полистирольные плиты крепятся к внешней поверхности несущей стены с помощью металлических дюбелей. Облицовочным слоем служит кладка из пустотелого кирпича [9, 21, 35, 38, 60, 61, 83].

Фирма "Сармат" Республики Беларусь разработала технологию те­плоизоляции наружных стен зданий - "Термошуба" (утеплитель наклеи­вается на наружную стену и закрепляется дюбелями) [9, 22, 23, 59]. В [13] проводилось комплексное натурное обследование шести жилых зданий, эксплуатировавшихся 1 - 4 года после теплоизоляции фасадов по данной системе. По результатам обследования делается вывод, что вопрос о долговечности данной системы остаётся открытым, и можно будет делать окончательные выводы после 10 - 15 лет эксплуа­тации [13].

Особый интерес представляет система навесных фасадов "Иааске ЬоНегЮшкег" (рис. 22) разработанная специалистами фирмы "ИААСКЕ+ ИААСКЕ вшЬИ+Со Кв" (Г ермания) как материал высоких энергосбере­гающих технологий, который по своим конструктивным и технологиче­ским особенностям не имеет себе равных среди изоляционно-облицо­вочных материалов. Основу элементов системы "Иааске ЬоНегЮшкег" составляет гранулированный пенополистирол (стиропор) и керамический клинкер, а также специальные буксы для крепления, заформованные в пенополистирол. Пенополистирол, составляющий основу элемента "Иааске ЬоНегЮшкег", является трудновозгараемым теплоизоляционным материалом (коэффициент теплопроводности 1 = 0,032 Вт/м2 °С, фирмы "БА8Р" высокой плотности более 45 кг/м3), который в процессе произ­водства формуется в специальных технологических формах одновремен­но с керамическими плитками (клинкером) и крепёжными буксами. Полученный материал составляет единое целое и после двухнедельной технологической выдержки готов для применения в строительстве. Отсутствие при производстве клеевых процессов обеспечивает высокую морозостойкость элементов. Особая зубчатая форма материала, а также высокая точность сопрягаемых панелей, специальные угловые и оконные элементы обеспечивают идеальную тепло-, шумо - и влагоизоляцию.

Известно, что слабым местом практически всех навесных теплоизоляци­онных панелей является их крепление к несущей конструкции, будь то стена или каркас, по причине возникновения механических напряжений внутри изоляционного материала. В системе "Иааеке ЬоІіегКІіпкег" ис­пользуются специальные крепёжные буксы, которые заформованы в элементы ещё при производстве и позволяют не только надёжно крепить материал к стене, не создавая механических напряжений, но и устранить "мостик холода", так как после крепления панели, головки шурупов за­крываются специальными пробками из пенополистирола (рис. 22, б).

После окончания монтажа стыки между клинкерными плитками затираются специальным минеральным раствором на цементной осно­ве, что дополнительно усиливает наружную поверхность панели и придаёт вид высококачественной кирпичной кладки [92, 97].

Внутреннее утепление стен. Расположение теплоизоляционно­го материала на внутренней поверхности наружной стены сущест­вующих здания часто является единственно возможным, так как теп­лоизоляция может быть произведена не во всех, а лишь в некоторых помещениях здания; производство работ по устройству теплозащиты может производиться в любое время года; не меняется облик зданий. Данный способ утепления часто применяют в зданиях со сложными в архитектурном плане фасадами, представляющими художественную или историческую ценность.

К сожалению, утепление стен с внутренней стороны имеет два весьма существенных недостатка. Один из них - это уменьшение пло­щади помещения за счёт увеличения толщины стены. Другой недоста­ток связан с тем, что массивная, хорошо аккумулирующая тепло часть стены (например, из кирпича) в результате оказывается в зоне низких температур. Это резко снижает тепловую инерцию ограждающей кон­струкции, что в значительной степени ухудшает климат в помещении. Как уже говорилось выше, температура ограждающей конструкции за слоем утеплителя значительно снижается. Поэтому в зимнее время водяной пар, образующийся в помещении, и благодаря разности пар­циальных давлений диффундирующий наружу, неизбежно конденси­руется за слоем утепления на внутренний поверхности массивной сте­ны (рис. 20, а).

Сконденсировавшаяся и накопившаяся за зимний период влага не может быть выведена наружу даже летом, что приводит к прогресси­рующему отсыреванию стен и развитию микроорганизмов (ухудше­нию санитарно-гигиенических показателей помещения). При этом "точка росы" блуждает на внутренней границе стены и теплоизоляции.

Если между ними есть хоть малейший зазор, то туда будет поступать влага из помещения и, замерзая, будет разрушать клеевой слой, увели­чивая зазор. Применение в этом случае водопроницаемых утеплителей недопустимо. В этом плане примечателен опыт Финляндии. Всем из­вестны легкие финские домики, в которых тонкая несущая стена из дерева утепляется изнутри плитами из минерального волокна. В про­цессе эксплуатации это приводит к переувлажнению дерева, зараже­нию его грибками, плесенью, а также повышению влажности в жилых помещениях даже в летний период [92].

У жителей этих домиков резко возрастает количество астматиче­ских заболеваний. Эти проблемы привели к тому, что в Финляндии бы­ли снесены миллионы квадратных метров подобного жилья. Другой недостаток связан с тем, что перегородки и перекрытия, жёстко связан­ные с несущей стеной и обычно не имеющие отсекающих теплоизоли­рующих вкладышей, образуют по каркасу здания многочисленные теп­ловые мостики. Поэтому, чтобы теплопотери с единицы площади при утеплении изнутри были равны теплопотерям при утеплении снаружи, толщина плиты должна быть не менее 50 мм. Очевидно, что при этом теряется часть полезной площади внутренних помещений. Таким обра­зом, на утепление изнутри можно идти только тогда, когда невозможно это сделать снаружи (исторические памятники со сложным архитектур­ным рельефом), или когда это экономически целесообразно.

В [71, п. 7.2.2] записано: "Внутреннее утепление наружных стен допускается выполнять в отдельных квартирах многоэтажных зданий, к сохранности фасадов которых предъявляются особые требова­ния органов государственного управления архитектуры и градострои­тельной деятельности. При этом должны быть разработаны конструк­тивные мероприятия, исключающие выпадение конденсата на стыке утепляющих слоёв и материала стены, в местах пересечения утепляю­щего слоя с плитами перекрытий и внутренними поперечными стенами, а также на гранях проёмов, что должно подтверждаться расчётом температур­ных полей".

В этом случае возможно применить эффективную конструкцию утепления с использованием экструзионного пено - полистирола. Примером такой конст­рукции является TN-CLINKER inside - система утепления фасада здания изнут­ри помещения (рис. 23) [94].

При устройстве данной системы теплоизоляционные плиты экс­трузионного пенополистирола прижимаются к стене деревянными брусками, пространство между брусками тоже заполняется экструзи­онным пенополистиролом. Затем крепится пароизоляционная плёнка. Очень важно проклеить все нахлёсты плёнок между собой и примыка­ние плёнки к ограждающим конструкциям. Плёнка дополнительно прижимается рейками, по которым выполняется внутренняя отделка помещения.

Достоинства системы:

- возможность работы в любых погодных условиях;

- высокая скорость монтажа;

- удобная технология проведения работ;

- низкая стоимость строительства.

Слоистые огражадающие конструкции. Помимо дополнитель­ного утепления стен разрабатываются также эффективные слоистые (двух-, трёх - и четырёхслойные) ограждающие конструкции с утепли­телями из пенополистирольных плит для вновь строящихся зданий. Создание таких конструкций может осуществляться следующими тех­нологическими приёмами: изготовлением изделий в заводских услови­ях; возведением стен в условиях строительной площадки в монолит­ном варианте с несъёмной опалубкой; кладкой стен из мелкоштучных элементов.

Примером такой конструкции служат дома, построенные по тех­нологии "СтройТермо" (рис. 24) [9, 30, 90]. Стена дома по строитель­ной технологии "СтройТермо" состоит из четырёх слоёв: 1 - свех - прочный бетон - служит облицовкой дома; 2 - пенополистирол - выполняет функцию утеплителя и несъёмной опалубки; 3 - железо­бетон - создаёт монолитную конструкцию дома; 4 - цементно-стру­жечная плита (ЦСП) - является второй стороной несъёмной опалубки и внутренней стеной дома.

В заводских условиях изготавливают трёхслойные железобетонные панели со средним слоем из пенополистирола различ­ной кажущейся плотности с жёсткими (в виде сплошных армированных рёбер или в виде дискретных связей - армированных бетонных шпонок) или гибкими связями (в виде арматурной стали с антикоррозион­ным покрытием). Трёхслойные бетонные панели применяются в жилищном строи­тельстве приблизительно с конца 1970-х гг. вплоть до настоящего времени.

Трёхслойные панели имеют: внутренний несущий слой из желе­зобетона толщиной 80 ... 100 мм; наружный слой из тяжёлого или лёг­кого бетона толщиной 70 ... 100 мм; утепляющий внутренний слой из эффективного жёсткого утеплителя (как правило - жёсткого пенопо- листирола).

Лицевая сторона таких панелей может включать в себя фактур­ную фасадную отделку (например, мелкой керамической плиткой), формуемую вместе с панелью в заводских условиях. Толщина утеп­ляющего слоя принимается в соответствии с теплотехническим расчё­том, согласно [71, 73]. Пример такой панели приведён на рис. 25 [87].

Изготовление конструкций в несъёмной опалубке из пенополи - стирола осуществляется на строительной площадке. Возведение мо­нолитных трёхслойных стен в вертикальной опалубке состоит из сле­дующих технологических операций: монтаж опалубки; установка и закрепление блоков утеплителя в ней; бетонирование одновременно внутреннего и наружного слоёв лёгким или тяжёлым бетоном. Слои между собой скрепляют гибкими (устраивают в виде стержней, прохо­дящих сквозь утеплитель) или жёсткими (сплошные - вертикальные и горизонтальные или дискретные - в уровне перекрытий из монолитно­го железобетона) связями [33, 57, 58].

Возможно изготовление двухслойных стен, которые состоят из несущего монолитного бетонного слоя и слоя утеплителя, который навешивается на наружные опалубочные щиты до укладки бетона и после формования бетонного слоя оказывается связанным с ним за счёт адгезии к бетону.

В качестве наружной оставляемой опалубки возможно использо­вать сборные железобетонные плиты высотой на этаж (скорлупы) с декоративной отделкой, которые после набора необходимой прочно­сти перевозят на стройплощадку и монтируют в проектное положение. Затем с внутренней стороны наклеивают утеплитель, устанавливают арматуру стен и инвентарную опалубку, которую соединяют со скор­лупой болтами и скобами и бетонируют стену. После набора прочно­сти бетона внутреннюю опалубку вынимают. Примеры таких конст­рукций приведены ниже.

Технология бетонирования в несъёмной опалубке "Уе1ох" пришла к нам из Австрии [57]. Она используется для реконструкции и нового строительства жилых домов и зданий различного назначения. Опалубка состоит из двух цементно-стружечных панелей, размером 2000x500 мм, толщиной 25, 35 или 50 мм, скреплённых между собой проволочными хомутами (рис. 26). Опалубка вручную выставляется на высоту этажа. Затем на временные стойки и балки из обрезной доски укладываются пустые короба и устанавливается арматура. Вся конструкция заполня­ется бетоном. В качестве наружного элемента опалубки используется плита из ЦСП, с приклеенным на цементном растворе утеплителем - пенополистиролом, который остаётся между наружной плитой опа­лубки и бетоном [33, 57, 59].

"ТЬегто^т" - в Г ермании, в России - "Изодом-2000" - это сис­тема строительства из монолитного бетона с применением стационар­ной (несъёмной) опалубки из полых пенополистирольных блоков плотностью 25 ... 35 кг/м3 (термоблоков), в которые заливается бетон (рис. 27, а) [33, 53, 59]. Первый ряд пенополистирольных блоков укла­дывают непосредственно на слой гидроизоляции по всему периметру будущего здания, пропуская через полости блоков скреплённую с фундаментом вертикальную и горизонтальную арматуру. Второй слой блоков кладётся со смещением вертикальных швов. Заполнение пустот блоков бетоном производится обычно сразу на 2-3 ряда по высоте. Блоки выпускают различных размеров, но обычно 250x250 мм и длиной 1000 ... 2000 мм. Кроме того, поперечные вставки могут изго­тавливаться из ударопрочного полистирола, металлическими и т. д. (рис. 27, б). Стена снаружи облицовывается плиткой или кирпичом, либо штукатурится. При этом по теплосбережению стена "ТЬегто^т" толщиной 0,25 м эквивалентна стене из железобетона толщиной 2 м, кирпича - 1,5 м, сосны 0,6 м [90].

В России фирма "Зеленоградстрой" разработала систему "Пласт - бау-3". Это технология производства несъёмной опалубки из пенопо - листирола [35, 59]. Она состоит из изготовленных на заводе опалубоч­ных элементов стен, объединяющих в себе функции опалубки и утеп­лителя, а также основания для нанесения отделочных (фактурных) слоёв. Размеры стеновых панелей шириной 1200 мм и высотой на этаж (рис. 28, а, б).

В пенополистирол запрессованы стальные оцинкованные профи­ли, которые расположены вертикально, и воспринимают нагрузку от бетонной смеси, а также позволяют увеличить длину пролётов опа­лубки. В качестве утеплителя используется пенополистирол ПСБ-С, плотностью не менее 15 кг/м3. Наружная поверхность утеплителя может иметь заводскую отделку в виде декоративного покрытия.

Между листами опалубки на строительной площадке устанавлива­ются арматурные каркасы, и заливается бетонная смесь (рис. 28, в, г) [59, 61].

Инверсионные кровли и чердачные перекрытия. В современной архитектуре плоские или инверсионные кровли занимают значитель­ное место, так как позволяют рационально использовать пространство в условиях современного города: здесь можно расположить автостоян­ки, пешеходные зоны, зелёные площадки.

Как правило, в дополнение к обычной плоской кровле многие проекты зданий содержат зимний сад, кафе на террасе, многоуровне­вую автостоянку и т. д.

При традиционном устройстве плоской кровли верхним слоем является гидроизоляция. При таком расположении она оказывается
подвержена воздействиям, которые могут привести к разрушению всей кровли:

- суточные перепады температур (вызывают трещины);

- механические повреждения;

- ультрафиолетовое облучение (ускоряет процесс старения гид­роизоляции).

Чтобы избежать воздействия таких вредных факторов необходи­мо устраивать инверсионные кровли. Инверсионной (от латинского туегяго - переворачивание, перестановка) называется кровля, конст­рукция которой "перевернута" по сравнению с традиционной, т. е. гидроизоляционный слой располагается под слоем утеплителя непо­средственно на поверхности бетонного перекрытия (основания кров­ли). В конструкции такой кровли применяется экструзионный пенопо - листирол, представляющий собой теплоизоляционный материал с рав­номерно распределёнными закрытыми (замкнутыми) ячейками, кото­рый не впитывает воду, не набухает и не даёт усадки, обладает высо­кой механической прочностью, химически стоек и не подвержен гние­нию [см. гл. 4]. Эти свойства утеплителя позволяют расположить его над гидроизоляцией, для которой он является ещё и защитой от внеш­них воздействий.

Слой гидроизоляции при таком расположении утеплителя не ис­пытывает существенных температурных перепадов, так как постоянно, и зимой, и летом, находится в зоне положительных температур, а так­же надёжно защищён от непосредственных механических воздействий и ультрафиолетового излучения.

Высокая прочность материала на сжатие защищает гидроизоляци­онную мембрану от механических повреждений, а низкая теплопровод­ность обеспечивает превосходную защиту от перепадов температур. Простейшее исполнение инверсионной кровли - это кровля с гравийной засыпкой по дренирующему слою из геотекстильного материала, уло­женного по плитам (рис. 29) - метод, предложенный в [74]. Благодаря этому, как показал опыт, значительно увеличивается долговечность гид­роизоляционного слоя. Инверсионный тип кровли незаменим при строительстве зданий с эксплуатируемыми кровлями. В этом случае вместо гравийной засыпки используются тротуарные плиты на подушке из мелкого гравия, асфальтовое или бетонное покрытие. В связи с тем, что в настоящее время озеленение городов не развивается из-за дефици­та свободных площадей, зелёные насаждения на кровлях и террасах зда­ний и сооружений, несомненно, украшают внешний вид городов.

Пенополистирол активно применяется в качестве теплоизоли­рующего слоя в такой отрасли строительства, как аэродромное и до­рожное строительство.

5

...........

Строительство автомобильных дорог. Основные причины, по которым дороги быстро приходят в негодность, давно известны. К ним в первую очередь относятся:

- слабая прочность основания и верхнего слоя покрытия дороги;

- достижение предельного напряженно-деформированного со­стояния конструкции дороги в результате механических и температур­ных воздействий;

- плохое качество строительства и эксплуатации дорог.

- локальное или обширное механическое воздействие на конст­рукцию дороги со стороны основания в результате образования ледя­ных линз или пучинистости грунта, что приводит к разрушению до­рожной конструкции.

Остановимся подробнее на последней причине. Сильное разру­шение покрытия наблюдается, когда в основании имеются пучинистые грунты, которые при увлажнении и последующем замерзании увели­чиваются в объёме и давят на конструкцию дороги. Увеличение объё­ма пучинистых грунтов по длине и ширине дороги неравномерное. Поэтому на поверхности появляются трещины: продольная - в середи­не и множество поперечных. Нередко возникает местное поднятие по­верхности дороги, разрушение и выкрашивание покрытия.

Источниками возникновения ледяных линз и увеличения объёма пу - чинистых грунтов являются повышенная влажность и отрицательная тем­пература в основании земляного полотна. В условиях России пучины серьезно осложняют эксплуатацию дорог. На отдельных участках дороги их протяжённость достигает 30% и более. В некоторых развитых странах с целью недопущения образования пучин основание дорог высшей кате­гории отапливают с помощью электричества [85, 94]. Мероприятие чрез­вычайно дорогое и не нашедшее понимания у россиян.

Однако предотвратить увлажнение грунта и его промерзание можно путём устройства дополнительных слоёв основания: морозоза­щитного, дренирующего, капиляропрерывающего. Эти меры требуют значительных капиталовложений, трудозатрат и, как правило, мало­эффективны для предотвращения процессов пучинообразования. Вы­ходом из данной ситуации является введение в конструкцию дорожно­го покрытия специального материала, обладающего одновременно гидроизоляционными и теплоизоляционными свойствами. Естествен­но, он должен иметь хорошие прочностные и деформативные характе­ристики. К таким материалам относится экструзионный пенополисти - рол. Для использования в дорожной одежде пенополистирол должен обладать характеристиками не ниже приведённых в прил. 2.

При использовании пенопластов в строительстве автодорог мож­но успешно решить следующие проблемы:

- снижение толщины морозозащитного слоя;

- уменьшение высоты насыпи и глубины выемки;

- использование грунтов повышенной влажности;

- повышение долговечности и ровности покрытия за счёт устра­нения пучинообразования.

Рассмотрим эти проблемы подробнее на примере экструзионного пенополистирола Styrofoam [51 - 53].

Снижение толщины морозозащитного слоя. В районах с се­зонным промерзанием грунтов их пучение под дорожной одеждой не должно превышать допустимых значений [68]. Для обеспечения этого требования устраивают морозозащитные слои из кондиционных пес­ков, песчано-гравийной смеси, гравия, укреплённых грунтов и из дру­гих непучинистых материалов. Расчёт толщины морозозащитного слоя ведётся согласно [67, 68]. На участках с неблагоприятными грунтово­гидрологическими условиями толщина морозозащитного слоя может достигать 1 м и более. На таких участках трудно обеспечить необхо­димое количество кондиционных грунтов и материалов для устройства морозозащитных слоёв. Во многих районах таких грунтов и материа­лов нет. Дальность перевозки кондиционных песков составляет десят­ки и сотни километров.

Устройство теплоизолирующего слоя из пенопласта позволяет резко уменьшить толщину или полностью исключить морозозащитный слой. На рисунке 30 представлены конструкции дорожной одежды

Рис. 30. Конструкции дорожной одежды, равноценные по морозоустойчивости, в условиях Москвы:

1 - покрытие и основания дорожной одежды; 2 - песок; 3 - пенопласт Styrofoam

С морозозащитным слоем из песка (тип А) и с теплоизолирующим сло­ем из пенопласта (тип В), которые удовлетворяют требованиям по прочности и морозоустойчивости в условиях Москвы [68].

Уменьшение высоты насыпи. При проектировании автодорог высоту насыпи назначают исходя из двух условий [70]:

- высота насыпи должна быть такой, чтобы не происходило пе­реувлажнение грунтов рабочего слоя земляного полотна;

- высота насыпи должна быть такой, чтобы дорогу не заносило снегом во время метелей.

Высота насыпи зависит от грунтов, которые входят в рабочий слой земляного полотна. Толщина рабочего слоя принимается равной 2/3 глубины промерзания, но не менее 1,5 м от поверхности покрытия. Теплоизолирующий слой из пенопласта позволяет уменьшить толщи­ну рабочего слоя благодаря снижению глубины промерзания, а также уменьшить высоту насыпи и сократить толщину морозозащитного слоя. Приведём примеры.

На рисунке 31 представлены минимальные значения высот насы­пи, которые нужно устраивать в Архангельской области на участках с грунтовыми водами на уровне поверхности земли. В случае устройства традиционной дорожной одежды высота насыпи из мелкого песка или супеси песчанистой должна быть не менее 2,0 м (тип А). В случае уст­ройства конструкции с теплоизолирующим слоем, предотвращающим промерзание грунтов ниже поверхности земли, высота насыпи должна быть не менее 1,5 м (тип В) [51].

Уменьшение глубины выемки. При неблагоприятных грунтово­гидрологических условиях в районах с сезонным промерзанием устраивают в выемках толстые морозозащитные слои (тип А).

Рис. 31. Минимальные значения высот насыпи в Архангельской области при устройстве традиционной конструкции дорожной одежды (тип А) и конструкции с пенопластом, предотвращающим промерзание грунтов ниже поверхности земли (тип В):

1 - дорожная одежда; 2 - песок мелкий или супесь песчанистая;

3 - супеси и суглинки пылеватые; 4 - пенопласт Styrofoam

Ту же морозоустойчивость можно обеспечить устройством тонких теплоизолирующих слоёв из пенопласта (тип В). В результате умень­шается толщина дорожной одежды, снижается глубина выемки, уменьшается объём земляных работ и облегчаются условия их прове­дения, особенно в период выпадения дождей.

На рисунке 33 представлены конструкции земляного полотна в выемках на дороге Омск - Новосибирск от км 38 + 500 до км 76 + 515. Дорога запроектирована по нормативам I технической категории. В конструкциях типа А и В дорожная одежда удовлетворяет требова­ниям по прочности и морозоустойчивости [67, 68]. Благодаря устрой­ству теплоизолирующего слоя сокращается количество кондиционного песка и уменьшается объём земляных работ.

Использование грунтов повышенной влажности. При устрой­стве дорожной одежды с асфальтобетонным или цементобетонным покрытием плотность грунта рабочего слоя должна быть не ниже со­ответственно 0,98 и 1,0 максимальной плотности по методу стандарт­ного уплотнения [66]. Такое уплотнение возможно только при влажно­сти грунта, близкой к оптимальной ^опт). Обеспечить стройку грун­тами с такой влажностью бывает сложно, особенно весной после тая­ния снега и осенью в период выпадения дождей. Применение тепло­изолирующих слоёв из пенопласта позволяет использовать грунты повышенной влажности для устройства рабочего слоя земляного по­лотна при выполнении трёх условий: 1) тип увлажнения рабочего слоя земляного полотна должен быть 1-м или 2-м; 2) грунт надо уплотнять до плотности не ниже 0,95 от максимальной; 3) толщина пенопласта должна быть такой, чтобы не происходило промерзание грунтов под дорожной одеждой. При таких условиях не происходит морозное пу­чение грунта, а происходит только его усадка в летний период. В ре­зультате этого грунт доуплотняется до максимальной плотности и да­же более [66].

На рисунке 34 указаны максимальные значения влажности тяжё­лого пылеватого суглинка, при которых можно применять этот грунт для устройства рабочего слоя земляного полотна в случае традицион­ного решения дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием (тип А) и в случае включения в конструкцию теплоизолирующего слоя из пенопласта (тип В) [51, 52].

Повышение долговечности и ровности покрытия. В процессе эксплуатации дороги в районах с сезонным промерзанием происходит круглогодичный процесс изменения плотности и влажности пучини - стых грунтов. В результате осадки и усадки грунтов в весенне-летний период может происходить или не происходить восстановление их начальной плотности, достигнутой при строительстве дороги. В по­следнем случае имеет место разуплотнение грунтов при многократном пучении в течение целого ряда лет, пока их плотность в летний период не станет равной "бытовой плотности" [51].

Указанные процессы поднятия и опускания дорожной одежды происходят неравномерно по площади проезжей части. Особенно это имеет место весной, когда под действием транспорта усиливается не­равномерность осадки разуплотнёного и водонасыщенного грунта. При этом, чем больше размер пучения грунта, тем более неравномерно происходит поднятие и опускание проезжей части. Такое ежегодное воздействие на дорожную одежду влияет на её долговечность и ров­ность покрытия.

Для повышения ровности и долговечности покрытия необходимо устранить морозное пучение заменой пучинистых грунтов на всю глу­бину промерзания кондиционным песком, песчано-гравийной смесью, гравием, укреплённым грунтом и другими непучинистыми материала­ми. Практически сделать это невозможно в районах, где глубина про­мерзания достигает 3,0 м и более.

Применение теплоизолирующих слоёв из пенопласта позволяет предотвратить промерзание пучинистых грунтов под дорожной одеж­дой. В результате этого устраняется основной фактор разуплотнения грунтов рабочего слоя земляного полотна. Плотность ненабухающих и слабонабухающих грунтов почти не меняется в процессе эксплуатации дороги. Влажность грунтов, уплотнённых до нормативных значений, также меняется мало. При таких условиях несущая способность грун­тов рабочего слоя не меняется по сезонам года. Только благодаря это­му фактору долговечность покрытия увеличивается примерно на 30% по сравнению с традиционным решением дорожной конструкции. Продолжительность срока службы конструкции с пенопластом значи­тельно больше указанного значения, так как не происходит ежегодного неравномерного поднятия и опускания дорожной одежды, которое во многом определяет долговечность сооружения [51 - 53].

На рисунке 35 приведены данные о соотношении между сроками службы покрытия (Т, лет) при традиционном решении дорожной одеж­ды (тип А) и устройстве конструкции с пенопластом, предотвращающим промерзание грунтов рабочего слоя земляного полотна (тип В). Приве­дены данные о ровности покрытия на дороге Омск - Новосибирск. Замеры проводились после 12 лет эксплуатации дороги [51].

Тип В

Tb > 1,3 TA

Решения, возможные только с использованием пенопласта.

В ряде случаев борьба с пучинами или малоэффективна, или просто невозможна. На рисунке 36 показан один из таких случаев. Дорога проходит в насыпи высотой 1 м. Местность равнинная, поверхностный сток не обеспечен. Под насыпью залегает супесь пылеватая. Имеются подземные воды (верховодка), уровень которых совпадает с поверхно­стью земли. Глубина промерзания в открытом поле более 1,5 м. На дороге имеются пучины. Реконструкция пучинистого участка предусматривает устройство дорожной одежды толщиной 0,5 м.

В случае устройства дополнительного морозозащитного слоя его тол­щина должна быть более 0,5 м (тип А). При таких условиях низ до­рожной одежды располагается ниже поверхности земли в зоне верхо­водки. Для обеспечения требуемой долговечности конструкции нужно отводить воду из слоёв дорожной одежды и верхних слоёв земляного полотна, что выполнить нельзя.

Не представляется возможным отвести воду и в равнинной мест­ности, когда часть морозозащитного слоя находится ниже уровня под­земных вод. В указанных условиях нельзя устраивать морозозащитный слой для устранения пучин. Ниже поверхности земли он будет запол­нен водой, в результате чего снижается его несущая способность. Мо­розозащитный слой, заполненный водой, не устраняет пучение, так как в нём происходит льдообразование [52].

Конструкция с теплоизолирующим слоем из пенопласта (тип В) не имеет указанных недостатков и позволяет устранить пучины на до - рогах. Таким образом в районах с вечномёрзлыми грунтами при уст­ройстве земляного полотна в низкой насыпи применение теплоизоли­рующего слоя из пенопласта позволяет предотвратить оттаивание грунтов и разрушение дороги [51].

Отмечается, что до 1998 г. в качестве теплоизоляционного слоя использовались импортные пенополистирольные плиты Styrofoam, позже дорожники перешли на использование отечественного экстру­зионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС (рис. 37). Экономические расчёты показывают, что во многих случаях строительство дороги с применением плит ПЕНОПЛЭКС обходится дешевле, чем строитель­ство традиционным способом [86].

В качестве примеров успешной защиты дорожной конструкции от воздействия неравномерного пучения грунтов основания уместно привести соединительную автомобильную дорогу между автодорогами Москва - Киев и Калуга - Тула (Калужская область); автодороги Чита -

Хабаровск "Амур" (Амурская область), М-2 "Крым" на участке Серпухов - Тула, М-4 "Дон" в районе г. Кашира Московской области. ПЕНОПЛЭКС был успешно при­менен и в Северо-Западном регионе - при реконструкциях дороги М-10 "Россия" на объезде г. Тосно Ленинградской области.

В условиях вечной мерзлоты тепло­изоляционные слои из плит ПЕНОПЛЭКС использовались при строительстве феде­ральной дороги Сургут - Салехард на уча­
стке Пуровск - Ягенетта, участке автодороги Коротчаево - Пуровск (Ямало - Ненецкий АО), применялись при строительстве автодороги в Республике Саха (Якутия).

В 2003 г. ФГУП "СОЮЗДОРНИИ" было проведено обследование на опытных участках, построенных с применением плит ПЕНОПЛЭКС, автодорог МКАД - Кашира и Серпухов-Тула, которое показало целе­сообразность применения данного материала.

Промерзания земляного полотна под теплоизолирующим слоем не произошло. Отсутствие деформаций в виде сетки трещин позволило судить об обеспечении прочности и несущей способности конструкции.

На основании сопоставления показателей различных материалов был сделан вывод о том, что в конструкции дорожного полотна 1 см материала ПЕНОПЛЭКС по теплозащитной функции эквивалентен 30 см песка [83]. В течение 12 лет проводились наблюдения за участ­ком дороги Омск - Новосибирск, при возведении которого использо­вался экструзионный пенополистирол толщиной 50 и 100 мм [86]. Экспериментальный участок оборудовали постами наблюдения за водно-тепловым режимом дорожного покрытия и основания с гидро­теплоизолирующим слоем и без него. Район строительства характери­зуется сезонным промерзанием грунтов, морозными зимами и жарким летом. В результате исследования экспериментального участка выяс­нилось, что при толщине теплоизолирующих плит 100 мм промерзание грунта по оси проезжей части не наблюдалось, в то время как на обо­чине дороги промерзание составило 1800, 2500 мм. На участке дороги без теплоизолирующего слоя промерзание грунта по оси проезжей части составило 2500 мм. Результаты нивелирования осадочных марок показали, что пучение грунтов под проезжей частью с теплоизоляцией составило 5 ... 20 мм, а на обочине этого участка - 130 мм. За 12 лет эксплуатации дороги материал не изменил свои свойства.

Применение плит ПЕНОПЛЭКС позволяет снизить высоту насы­пи до 0,9 м по сравнению с типовым решением. Анализ работы дорог показывает, что при толщине плит 100 мм оседание дороги за 3 года эксплуатации практически не наблюдается, тогда как на контрольном участке обычной конструкции оседание достигало 30 см. Пример та­кой конструкции приведён на рис. 38.

Теплоизоляционные плиты также выполняют функцию раздели­тельного слоя и обеспечивают равномерное распределение нагрузки. В этом случае необходимость капитального ремонта дорог возникает значительно реже. Результатом применения данного материала в каче­стве теплоизолирующего и разделительного слоёв является повышение ровности покрытия при эксплуатации и отсутствие разрушений дорож­ной одежды от неравномерных деформаций в земляном полотне [86, 95].

Помимо рассмотренных выше плит Styrofoam, ПЕНОПЛЭКС из экструзионного пенополистирола, в современном дорожном строитель­стве применяют плиты из экструзионного пенополистирола следующих производителей: ТЕХНОПЛЕКС, СТИРОПЛЕКС, ГРИНПЛЕКС, ТЕП - ЛОИЗОПЛИТ, ЭКСТРОЛ и многих других [77, 79, 83, 85, 86, 88, 95].

Строительство высоких насыпей и подходов к мостам на сла­бых основаниях. Как известно, при проектировании и строительстве дорожных насыпей на слабых основаниях требуют решения вопросы, связанные с недостаточной несущей способностью основания, воз­можностью больших осадок и длительным сроком их прохождения. Уменьшение нагрузки на слабое основание возможно за счёт умень­шения веса насыпи, которое может быть достигнуто применением для её устройства материалов, имеющих значительно меньшую плотность, чем грунт [76].

Существует множество лёгких материалов, которые потенциаль­но могут использоваться в дорожных насыпях. Наибольшее распро­странение получил жёсткий пенопласт - пенополистирол, обладающий уникально низкой удельной плотностью (20 ... 65 кг/м3), достаточной прочностью и долговечностью. Наряду с геосетками, геотекстилем и геомембранами пенополистирол относится к категории геосинтетиче - ских материалов. В дорожном строительстве применяются изделия из пенополистирола в виде плит толщиной до 100 мм, изготавливаемых методом экструзии (XPS плиты), и в виде блоков (EPS блоки) [76].

За рубежом и в России XPS плиты используются в основном для устройства теплоизолирующих прослоек. Их применение в облегчён­ных насыпях считается экономически и технологически нецелесооб­разным.

Мировая практика свидетельствует о том, что из всех легких ма­териалов для устройства облегчённых насыпей наибольший эффект даёт применение БР8 блоков. Широкое внедрение насыпей из БРв блоков за рубежом началось в середине 80-х гг. прошлого века. С тех пор применение БР8 блоков ежегодно расёт, особенно в Японии, а также в Скандинавских странах, США, Г ермании, Англии, Франции, других странах. По имеющимся данным, в мире к 2004 г. построено более 3000 дорожных объектов с применением БР8 в объёме более 2,5 млн. м3. Более 50% объёма приходится на Японию, для которой харак­терно широкое распространение слабых грунтов и высокая сейсмиче­ская активность [76, 82].

Основные области применения облегчённых насыпей из БРв блоков:

- линейные участки автомобильных дорог на слабом основании;

- подходы к мостовым сооружениям на слабом основании;

- уширение насыпей на слабом основании;

- строительство автомобильных дорог на участках возможных оползней;

- устройство заполнения за подпорными стенками.

Высота насыпей от 1,5 до 16 и более метров. Для засыпки боко­вых откосов могут применяться традиционные типы грунта. Толщина засыпки должна быть не менее 0,25 м. Вертикальные откосы из БР8 блоков могут защищаться сборными железобетонными панелями, гоф­рированной сталью и другими материалами.

Так как полистирол не обладает стойкостью к нефтепродуктам, то верхние и откосные поверхности БРв блоков рекомендуется защищать от возможного контакта с нефтепродуктами укладкой герметичной (полиэтиленовой) мембраны.

Крепление силовых ограждений, опор дорожных знаков, мачт на­ружного освещения и других систем обустройства дороги производит­ся к железобетонной плите, укладываемой по поверхности верхнего ряда БР8 блоков. При достаточной толщине земляного полотна над облегчённой частью насыпи системы обустройства дороги могут заде­лываться в грунт.

Строительство облегчённых насыпей с применением БРв блоков по сравнению с обычными насыпями имеет следующие основные пре­имущества:

- значительное сокращение величины и времени прохождения осадки;

- простота технологии и сокращение сроков строительства;

- производство работ в неблагоприятных погодных условиях;

- отсутствие методов предварительной нагрузки на слабое осно­вание, отсыпки насыпи с перегрузкой и стадийного строительства;

- значительное снижение затрат на содержание автомобильных дорог при неравномерных осадках и длительной вторичной консоли­дации основания, характерных для обычных насыпей;

- снижение требуемой ширины полосы отвода благодаря воз­можности устройства более крутых или вертикальных откосов;

- снижение боковой нагрузки на мостовые устои и подпорные стенки;

- снижение неравномерности относительной осадки мостового сооружения и примыкающей насыпи;

- снижение относительной осадки при уширении насыпей на слабом основании;

- полное исключение или уменьшение объёма перекладки ин­женерных сетей, проходящих под насыпью;

- снижение нагрузки на сооружения, расположенные под насы­пью, например тоннели метрополитена;

- высокая долговечность;

- значительное снижение гравитационных нагрузок на основа­ния насыпей и инерционных сил, возникающих при землетрясениях.

Уникально низкая удельная плотность материала БРв блоков, со­ставляющая около 1% от плотности грунта, применяемого в традици­онных насыпях, в сочетании с достаточной прочностью позволяет не­сти нагрузки от автотранспорта, железнодорожных составов, самолё­тов, легких зданий и сооружений, опорных элементов мостов.

Вместе взятые кратковременные и долговременные преимущест­ва с меньшей стоимостью строительства насыпей с применением БР8 блоков могут компенсировать разницу между единичной стоимостью БРв (среднемировая цена 1 м3 - 40 ... 50 долларов США) и традици­онным грунтом.

На рисунке 39 показан пример конструкции облегчённой насыпи из БР8 блоков на подходе к путепроводу на федеральной автомагист­рали 1-15 в городе Солт-Лейк-Сити, штат Иллинойс, США.

Одной из первых попыток внедрения облегчённых насыпей в России явился разработанный в 2004 г. ЗАО " Петербург-Дорсервис" вариант проектно-технологического решения подхода к путепроводу на одном из участков КАД (кольцевой автодороги). Участок строи­тельства характеризовался залеганием в основании насыпи до глубины

21,5 м чрезвычайно слабого грунта - супеси текучей консистенции.

Геометрические параметры насыпи: высота до 12,5 м, ширина поверху

44,5 м. Технико-экономическое сравнение вариантов конструктивного решения показало, что рассмотренные варианты безосадочной насыпи на свайном основании оказались наиболее дорогостоящими. Кроме того, рассматривалась осадочная насыпь "плавающего" типа, армиро­ванная геосинтетическим материалом и облегчённая насыпь с приме­нением пенополистирола. Расчётная величина осадки "плавающей" насыпи составила 60 см. Время прохождения осадки до нормативной степени консолидации основания составила до 7 лет, что не укладыва­лось в директивные сроки строительства КАД. Для облегчённой насы­пи эти показатели составили 7,5 см и 50 дней соответственно, что да­вало возможность укладки асфальтобетонной дорожной одежды без технологического перерыва сразу после возведения насыпи.

В связи с отсутствием отечественного производства качественных БР8 блоков проектом было предусмотрено применение составных блоков из ХРв плит, т. е. материала значительно более дорогого, чем БР8. Даже в этом случае стоимость строительства оказалась в 1,2 - 1,3 ниже стоимости строительства безосадочной насыпи на свайном осно­вании.

Состоящие из блоков пенополистирола основания позволяют вы­полнять равномерное распределение нагрузки для насыпей и мостов в регионах с плохо выдерживающей нагрузку почвой. Высота складиро­вания блоков из пенополистирола может достигать 8 м и более. Лёгкая насыпь такого состава предотвращает оседание и образование рытвин в дорожной структуре, особенно в зонах критического доступа для структур с глубокими фундаментами, например, мостов (рис. 40) [86, 93, 95].

Железные дороги. Российские железнодорожники также активно переходят на использование экструзионного пенополистирола, ведь проблемы на железных дорогах схожи с автомобильными. Повреждение полотна железной дороги также возникает из-за проникновения и замер­зания воды в холодовосприимчивых слоях несущих грунтов.

В настоящее время одним из вариантов усиления основной пло­щадки земляного полотна под железнодорожными колеями был выбран метод устройства защитного слоя из экструзионного пенополистирола (рис. 41) [86]. Этот метод реконструкции железнодорожных путей был признан как наиболее эффективный в неблагоприятных условиях: при затруднённом поверхностном водоотводе и в зонах повышенных сило­вых воздействий. Будучи уложенными на глубине не менее 0,4 м теплоизоляционные плиты в дождливый осенний период предотвраща­ют накопление воды в несущих слоях насыпи, а в зимний период

Уменьшают глубину промерзания грунта. Толщина теплоизоляционного слоя зависит от климатических условий, глубины распо­ложения уровня грунтовых вод, состояния водоотводных сооружений и определяется теплотехническим расчётом [68] из усло­вия полного выведения пучинистых грун­тов из зоны промерзания (исключение промерзания грунтов). Применение плит ПЕНОПЛЭКС качественно меняет процесс промерзания земляного полотна.

В [86] доказано, что при замене традиционной дорожной одежды с применением песка на конструкцию со слоем из экструзионного пе - нополистирола и песка снижение стоимости строительства составит около 17 долларов США на 1 м проезжей части дороги. Приведённый ниже эскиз (рис. 42) показывает схематическое устройство утеплённой с помощью плит ПЕНОПЛЭКС дороги без защитного щебёночно­песочного слоя. Укладка теплоизоляционных плит осуществляется при капитальном ремонте железнодорожного полотна при помощи специ­альной ремонтно-строительной техники РМ-80 (рис. 43) [86, 94, 96].

Аэродромные покрытия. Следует также сказать о применении плит экструзионного пенополистирола для теплоизоляции аэродром­ных стоянок и взлётно-посадочных полос. При строительстве, расши­рении и реконструкции сооружений аэропортов в целях недопущения превышения предельных вертикальных деформаций [72] предусматри­вается ряд мероприятий по исключению или уменьшению вредного воздействия природных и эксплуатационных факторов, устранению неблагоприятных свойств грунтов под аэродромными покрытиями, в том числе устройство термоизолирующих прослоек из экструзионного пенополистирола (рис. 44).

X 1

На стоянке колёса шасси самолёта оказывают высокое давление на поверхность. Это предъявляет крайне высокие требования к покры­тию и изоляции под ним. Они должны выдерживать высокие нагрузки от давления колёс, в сочетании с динамической нагрузкой при движе­нии, особенно во время посадки и взлёта воздушных судов [76, 81, 86, 92, 94, 97].Толщина слоя изоляции определяется климатической зоной и вычисляется согласно [68, 71].

Пенополистирольные плиты вполне могут использоваться на аэ­родромах в районах с холодным климатом, на которых даже в летний период в почве под взлётно-посадочной полосой сохраняется постоян­ная мерзлота.

Применение плит из экструзионного пенополистирола при строительств городских улиц. Первыми объектами применения дан­ного теплоизоляционного материала стали реконструируемые улицы в историческом центре Санкт-Петербурга [86].

В 1999 г. плиты фирмы ПЕНОПЛЭКС применялись для устройства пешеходной зоны на Малой Садовой улице. По проекту она должна бы­ла быть подогреваемой. Перед проектировщиками встал вопрос умень­шения теплопотерь и, как следствие, сокращения эксплуатационных расходов. В конструкции был предусмотрен теплоизоляционный слой из плит ПЕНОПЛЭКС, снижающий тепловой поток в грунт основания.

В том же 1999 г. проводилась реконструкция Малой Морской улицы. Её расположение обусловило наличие в основании дороги множества инженерных коммуникаций. Применение экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС позволило уменьшить глубину про­мерзания и исключить влияние коммуникаций на температурный ре­жим в несущих слоях основания дороги.

В 2000 г. началась реконструкция 6-й и 7-й линий Васильевского острова (рис. 45). Проходящая под улицей магистральная теплотрасса всегда осложняла её эксплуатацию. На этапе проектирования было решено устроить теплоизоляционный слой из плит ПЕНОПЛЭКС для уменьшения глубины промерзания и, следовательно, для защиты от неравномерных деформаций морозного пучения.

Сенная площадь в Санкт-Петербурге частично расположена над вестибюлем станции метрополитена. В 2002 г. при реконструкции площади для обеспечения равномерного пучения дорожной конструк­ции над вестибюлем станции и прилегающими к нему участками были применены плиты ПЕНОПЛЭКС.

Ещё одна область применения пенополистирольных плит - обог­реваемые тротуары и площадки (рис. 46, а). В северных европейских странах и Канаде уже давно применяют подогреваемые дорожные по­крытия, например, пешеходные переходы или дорожки вокруг коттед­жей для борьбы с гололёдом и не только. Системы снеготаяния служат для растапливания снега и предотвращения образования льда на от­крытых площадках в зимнее время. Данные системы применяются для поддержания внешних территорий в незамерзающем состоянии в зим­ний период с целью повышения безопасности, облегчения чрезвычай­но трудоёмких работ по очистке территорий от снега и льда.

При прокладке обогреваемых тротуаров и дорог возникает проблема более рационального использования тепла, выделяемого нагревательными элементами. В таких случаях под ними укладывают теплоизоляционные плиты, которые снижают теплопотери в основание, сокращая энергоза­траты, т. е. используя тепло более эффективно (рис. 46, б) [86, 94].

А) б)

Рис. 46. Пример конструкции обогреваемого тротуара:

А - общий вид; б - конструкция; 1 - камень мощения;

2 - пескоцементная смесь; 3 - песок с нагревательными элементами;

4 - пенополистирольные плиты; 5 - песок; 6 - щебень; 7 - грунт

Основой системы является экранированный низкотемпературный нагревательный кабель. Нагревательные кабели наиболее эффективны в системах антиобледенения и снеготаяния для взлётно-посадочных полос, сложных участков дорог, пандусов, лестниц, тротуаров и подъ­ездов к гаражам, а также нашли применение для обогрева стадионов, беговых дорожек, спортивных площадок с целью увеличения периода эксплуатации. Эти системы отличаются высокой надёжностью и дол­говечностью работы, полной автоматизацией управления (включение системы в зависимости от текущих погодных условий).

Одним из элементов обогреваемого тротуара являются плиты из экструзионного пенополистирола.

Одними из первых тёплые тротуары появились в 1998 г. в фин­ской столице Хельсинки (Финляндия). Сегодня подогрев дорожного покрытия, автобусных остановок и железнодорожных платформ при­меняется в США, Канаде, Японии и странах Скандинавии. Впрочем, в массовую практику тёплые дороги пока не вошли, и это притом, что мировой опыт показал: посыпать улицы песком или другими реаген­тами затратнее, чем подогревать их. Ведь это избавляет не только от закупки реагентов или щебня, но и от грязи, облегчает уборку улиц.

Полы в промышленных сооружениях и ледовых аренах. Пре­имущество плит экструзионного пенополистирола особенно очевидно при устройстве полов по грунту промышленных зданий и торговых комплексов, а также других зданий и сооружений, в которых полы укладываются непосредственно на специально подготовленное осно­вание. Такое утепление эффективно даже при эксплуатации в самых экстремальных условиях: воздействии влаги, низких температур и ме­ханических нагрузок, а также при наличии в районах строительства водоносных слоёв и грунтовых вод. Температура на поверхности пола является основным фактором, определяющим степень комфортности помещения. Из этого следует, что полы зданий должны быть тепло -

Изолированы. Полы производственных зданий несут на себе большие статиче­ские и динамические нагрузки, поэтому для их теплоизоляции необходим мате­риал, имеющий высокую прочность на сжатие и малую степень деформации.

Экструзионный пенополистирол не­заменим в тех случаях, когда наряду с высокими теплоизоляционными свойст­вами необходимы высокие прочностные свойства материалов, а часто и химическая стойкость материала утеп­лителя.

Также незаменим экструзионный пенополистирол при устройстве нагружаемых полов по грунту. Такие полы используют в промышлен­ных зданиях. Как правило, полы в таких зданиях устраиваются с учё­том проезда автотранспорта (рис. 47) [80, 86, 92, 94, 95]. Плиты экс­трузионного пенополистирола при этом включаются в состав конст­рукции пола и выполняют несущую функцию, воспринимая и переда­вая нагрузку на основание.

Рационально использовать пенополистирольные плиты в конст­рукции обогреваемых полов, используя как теплоизолирующие, так и несущие свойства материала утеплителя, а также в составе покрытий ледовых арен, где плиты пенополистирола защищают подстилающие грунты от промерзания (рис. 48) [86, 94]. В этом случае наиболее актив­но используются теплофизические и прочностные свойства утеплителя.

1 2

Теплоизоляция трубопроводов. Актив­но развивающимся направлением является применение экструзионного пенополистиро - ла в качестве теплоизоляции газонефтепро - водов в условиях крайнего Севера (рис. 49) [86, 94, 96, 97].

Применение трубной изоляции позво - ляяет заменить надземную и полузаглублен - ную прокладку трубопровода на заглублен­ную (траншейную), что минимизирует тепловое воздействие трубо­провода на вечномёрзлые грунты в условиях крайнего Севера.

Следует отметить, что при этом в два раза сокращается объём земляных работ по созданию песчаной подсыпки, уменьшается срок строительства газопровода и увеличивается его рабочий ресурс.

Изоляция нефтепроводов значительно снижает затраты по их экс­плуатации, так как сводит к минимуму возможность временного выхо­да из строя нефтепровода из-за влияния низких температур на нефть (особенно в случаях высокой парафинизации).

Защита трубопроводов от механических повреждений. Высо­кие прочностные характеристики экструзионного пенополистирола обеспечивают надёжную защиту трубопроводов от механических по­вреждений, в том числе острых скалистых пород. Примером может служить строительство газопровода "Г олубой поток" между Россией и Турцией, где сегменты из экструзионного пенополистирола примене­ны для защиты газопровода на участках активных тектонических раз­ломов [85, 96, 97].

Теплоизоляция тоннелей. В своды и в донную часть тоннелей часто просачивается вода. При этом, чем ближе тоннельный вход к воде, тем выше риск, что она замёрзнет с образованием ледяных

Наслоений.

В связи с высоким давлением воды ко­личество воды и льда может быть значи­тельным и стать причиной проблем с безо­пасностью. Под действием не только воды, но и ветра, оползней, в тоннель начинает проникать мороз.

В течение всего расчётного срока служ­бы тоннеля должны сохраняться такие свой­ства теплоизоляционного материала как вы­сокая прочность на сжатие, низкая абсорбция воды при диффузии, стойкость к промерза­нию и оттаиванию. Идеально здесь подходит экструзионный пенополистирол (рис. 50).

Защищённый от морозов тоннель обладает следующими техниче­скими характеристиками:

- полотно для движения транспорта защищено от действия мерзлоты;

- дренаж защищён от действия мороза;

- свод тоннеля - от действия мороза и воды [86, 95, 97].

Фундамент и цоколь коттеджей. Надёжность дома и срок его

Службы во многом зависит от того, насколько грамотно спроектирован и насколько качественно выполнены работы по устройству фундамента.

Однако массивный фундамент - это ещё не гарантия его долго­срочной службы и беззаботной жизни домовладельцев. Довольно час­то после зимы дом "проседает" с одного края, появляются трещины по стенам. Причина - морозное пучение грунтов. Возникающие при этом деформации ведут к дорогостоящим ремонтам, и иногда даже к разру­шению дома, поэтому крайне важно при проектировании малозаглуб - ленных фундаментов предусмотреть мероприятия, направленные на снижение вызванных морозным пучением грунтов деформаций до предельно допустимых величин.

Рост стоимости строительства и цен на землю вынуждают за­стройщиков и архитекторов рассматривать подземные части здания как полезные эксплуатируемые площади. Для создания комфортного климата, сокращения энергопотребления (до 20% теплопотерь проис­ходит через подземную часть коттеджа) и предотвращения конденса­ции, например, обусловленной наличием грунтовых вод, эти помеще­ния должны иметь надёжную тепловую изоляцию [71, 95].

Учитывая, что для решения этой задачи теплоизоляционный мате­риал будет находиться в постоянном контакте с влагой и испытывать воздействие сжимающих нагрузок, трудно найти достойную альтерна­тиву экструзионным пенополистирольным плитам. Замкнутая ячеистая структура материала делает его нечувствительным к влаге, а устойчи­вость к деформации - нечувствительным к механическим воздействиям.

Плиты ХР8 устанавливаются поверх гидроизоляционной мембра­ны и могут окружать всю несущую конструкцию сооружения (рис 51.) Теплоизоляционный контур дополнительно защищает гидроизоляци­онную мембрану от механических повреждений.

Поверх утеплителя монтируется специальная дренажная мембра­на, что позволяет избежать давления грунтовых вод на теплоизоляци­онный материал. Также в случае устройства теплоизоляции только на глубину промерзания грунтов дренажная мембрана будет защищать от повреждения гидроизоляцию.

Бывает так, что дом построен без теплоизоляции фундамента или она не эффективна. Есть решение и для этого случая. Теплоизоляци­онные плиты ХРв укладывают под отмостку по периметру дома в грунт от подвальной стены и на расстояние, равное глубине промерза­ния грунта плюс 500 мм [95].

Практический опыт. Исходя только из лабораторных исследо­ваний, нельзя в полной мере сделать выводы относительно характери­стик материалов при долговременных воздействиях. Для этого фирма БАвБ длительный период времени проводила испытания эксплуатаци­онных характеристик пенопласта в естественных условиях, в том чис­ле в строительстве. В частности, термоизоляционные характеристики испытывали на плоских крышах сооружений производственных пло­щадок фирмы БАвБ. Пенополистирольные листы были смонтированы в 1955 г. и демонтированы для исследований в 1986 г. Анализ показал, что места соединений между отдельными изоляционными листами были надёжно герметизированы. Не было замечено никаких измене­ний линейных размеров листов, которые могли бы возникнуть из-за сжатия или усадки. Также не было замечено деформационных измене­ний или искривлений, которые могли бы произойти из-за теплового воздействия. Листы из пенопласта находились в отличном состоянии (рис. 52, а, б).

Таким образом, с середины 1960-х гг. пенопласт обеспечивает прекрасную защиту от мороза фундаментов, трубопроводных систем и оснований автомобильных и железных дорог (рис. 53).

Существенным недостатком пенополистирола является его высо­кая деформативность и низкая прочность. Устранить эти недостат­ки можно путём модифицирования пропиткой мономерами. В [64] отмечается, что в результате пропитки пенополистирола ПСБ-С 50 олигомером до полного заполнения всех пор, прочность пенополи - стирола при поперечном изгибе увеличивается примерно на 20%.

А) б)

Рис. 52. Удаление покрытия крыши для изучения состояния панелей из пенопласта, установленных 31 год назад (а); образец, взятый с плоской крыши (б)

Это связано с образованием плотного каркаса в объёме образца, кроме того, меняется и механизм разрушения: разлом проходит не ме­жду гранулами, а по чистой гладкой поверхности.

Правильное использование пенополастов в строительных конст­рукциях существенно повышает их долговечность.

Как правило, значительные изменения теплотехнических свойств плит происходят в результате нарушения технологического регламента при производстве строительных работ. Например, на втором году экс­плуатации торгового подземного комплекса, построенного на Манеж­ной площади в Москве, при вскрытии покрытия было обнаружено зна­чительное разрушение материалов [96]. В конструктивном решении покрытия предусматривалось устройство гидроизоляционного ковра из гекопреновой мастики. Основой этой мастики является битум и синтетический хлоропреновый каучук, растворённые в органических

Растворителях. Полученная гидроизоляционная мастика при нанесе­нии на железобетонное покрытие активно выделяла летучие химиче­ские вещества. По гидроизоляционному слою без выдержки установ­ленного срока были уложены пенополистирольные плиты. При вскры­тии покрытия было обнаружено на большинстве пенополистирольных плит значительное число раковин и трещин. Основной причиной их разрушения следует считать активное выделение и воздействие на утеплитель летучих веществ из мастики. Несоблюдение сроков уклад­ки теплоизоляционных плит привело к ускорению деструкционных процессов пенополистирола. В результате толщина плит изменилась с 77 до 14 мм и отклонение от проектного значения составило от 4 до 470%. При этом плотность пенополистирола в зоне самой тонкой час­ти плиты увеличилась до 120 кг/м3, т. е. более чем в 4 раза, что вызвало изменение коэффициента теплопроводности материала в сухом со­стоянии с 0,03 до 0,07 Вт/(м °С). Термическое сопротивление тепло­изоляционного слоя покрытия в зоне чрезмерной деструкции пенопо - листирольных плит стало составлять 0,32 м2°С/Вт, что отличает его от проектного значения, равного 2,7 м2°С/Вт, более чем в 8 раз [96].