Особенности строительства и проектирования в условиях вечной мерзлоты
Автор: Шафигуллина Лейсан, Студентка инженерно-строительного факультета Казанского (Приволжского) федерального университета (филиал в г. Наб. Челны)
Территории вечной мерзлоты, как и каждая природно-климатическая особенна по-своему. Но это не означает, что там нельзя строить здания и сооружения. Это возможно при любых климатических условиях. Всего на всего нужно соблюдать определенные требования к строительству и проектированию. И тогда любое здание будет функционировать на том же уровне что и в умеренных широтах.
Какие же требования нужно выполнят при строительстве и проектирование зданий в условиях вечной мерзлоты? По строительным нормам принято выделять два принципа проектирования и строительства в условиях вечной мерзлоты.
По 1 принципу – в основании зданий и сооружений сохраняется вечномерзлое состояние грунтов, как в процессе строительства, так и в течение всего периода эксплуатации.
По 2 принципу – перед строительством грунты предварительно оттаивают или используют грунты, оттаивающие в период эксплуатации. В этом случае вечная мерзлота грунтов не сохраняется.
Что касается сохранения вечномерзлого состояния грунтов, то можно применить следующие приемы…
1. Возводить здание на подсыпках (рис. 14.6,а) и обеспечить теплоизоляцию поверхности и грунта (рис. 14.6,б). Этот прием рассчитан на охлаждение массива грунта основания с боков. В случае если такое охлаждение окажется недостаточным, то массив грунта будет постепенно прогреваться и начнется оттаивание грунтов в основании.
2. Устройство вентилируемых подполий (рис. 14.6,в). Используется при строительстве и проектирование жилых, общественных и промышленных зданий. В этом случае уменьшается застаивание воды подполье.
3. Расположение на 1 этаже неотапливаемых помещений (рис. 14.6,г), что тоже выполняет роль вентилируемого подполья. Для интенсивного охлаждения стены 1 этажа из теплопроводных материалов, а окна – с одинарным остеклением.
4. Устройство под полом вентиляционных каналов (рис. 14.6,д), а в местах выделения большого количества тепла в грунт в результате технологических процессов применять искусственное охлаждение грунтов (рис. 14.6,е) саморегулирующими колонками или специальными холодильниками установками с замораживающими колонками.
5. Устройство свайных фундаментов или фундаментов глубокого заложения, врезаемых в вечномерзлый грунт ниже глубины возможного оттаивания его под зданием. При этом укладка теплоизоляции под полом отапливаемого здания существенно уменьшает глубину оттаивания.
А что касается 2 принципа, то при проектировании и строительстве фундаментов оттаивание грунтов в основании допускается как после возведения здания, так и перед устройством фундаментов при инженерной подготовке территории под застройку.
Нужно учитывать дополнительные просадки фундаментов во время эксплуатации. Поэтому следует возводить здания малочувствительных конструкций. А в некоторых случаях следует регулировать и сам процесс оттаивания.
При проведении бетонных и каменных работ нужно выполнять специальные требования…
Укладка бетона должна производиться на основание, состояние которого полностью исключает замерзание смеси по линии стыка с ним, а также возможность деформаций из-за пучинистости грунтов. С этими целями основание участка бетонирования нагревается до достижения им положительной температуры, а после укладки смеси сохраняется от промерзания до тех пор, пока бетон не наберет критическую прочность.
Непосредственно перед началом работ по бетонированию опалубка и арматура чистятся от наледи и снежных масс. Если диаметр арматуры превышает 25 мм, либо она выполнена из жесткого профилированного проката или содержит металлические закладные элементы значительного размера, то в условиях отрицательных температур менее -10оС следует нагреть арматуру.
Процессы бетонирования в условиях отрицательных температур производятся быстро и непрерывно – каждый нижерасположенный слой бетона следует перекрыть новым прежде, чем его температура упадет ниже расчетной.
Современные технологии выполнения бетонных работ в условиях вечной мерзлоты позволяют достичь высокого качества строительных конструкций при оптимальном уровне затрат. Условно они делятся на три группы:
- технология «термоса», базирующаяся на сохранении начальной теплоты смеси, нагретой в процессе составления или перед укладкой на месте работ, а также на использовании выделений тепла, происходящих из-за реакции цемента с водой во время отверждения бетона;
- технология искусственного прогрева бетонной смеси после выполнения ее укладки в конструкцию;
- технология химического снижения точки замерзания воды в составе бетонной смеси и повышения скорости реакции цемента.
В зависимости от ситуации на строительной площадке, приведенные способы выдерживания бетона при низких температурах можно использовать комбинационно. Окончательный выбор в пользу одной из технологий строится на типе конструкций и ее габаритах, на виде бетона, его составе и проектной прочности, которую он должен набрать, местных климатических условий на момент производства работ, энергетических возможностей на строительном объекте и т.д.
Применяют специальные химические добавки. Некоторые химикаты – поташ К2СО3, хлористый кальций CaCl, нитрат натрия NaNO3 и пр. – будучи введенными в состав бетона в небольшом объеме, как правило, не более 2% от количества цемента, повышают скорость твердения бетона на начальном этапе выдерживания. Химические добавки также обеспечивают смещение точки замерзания воды до -3оС, что позволяет нарастить сроки остывания бетона и тем самым обеспечить ему больший набор прочности.
Составление бетонных смесей, включающих в себя химические добавки, выполняется с использованием горячей воды и нагретых зернах наполнителя. При извлечении из смесителя такой бетон обычно имеет температуру от 25 до 35оС, непосредственно перед укладкой его температура падает до примерно 20оС. Укладку в конструкции химически модифицированных бетонов осуществляют при внешней температуре воздуха от -15 до -20оС, после размещения в утепленной опалубке сверху настилается один-два слоя теплоизоляции. Отвердение бетонной конструкции происходит за счет эффекта «термоса» при одновременном действии дозированных химических компонентов. Технология «термосного» бетонирования наряду с использованием химикатов проста и относительно недорога.
В итоге, можно сказать, что здания и сооружения можно построить при любых климатических условиях, только следует применять нужные меры и соблюдать нормы и правила проектирования и эксплуатации зданий и сооружений.
Строительство на мерзлоте: опыт и новшества
Looking at the map of the Krasnoyarsk area, one can notice that our northern land is endless and … empty. In Evenkiya and at Taimyr the occupancy rate is only 0.03-0.06 people for square kilometer. Nevertheless, this severe land, the extremely Northern one (the Taimyr peninsula owns the northernmost point of the Eurasia), is successfully explored.
Если посмотреть по карте Красноярского края на наши северные пространства, они необозримы… и пустынны! В Эвенкии и на Таймыре показатель населенности составляет всего лишь 0,03-0,06 человека на квадратный километр. И все же эта суровая земля, крайне далекий север (на полуострове Таймыр расположена самая северная точка евразийского континента) сегодня успешно осваивается человеком.
Область вечной мерзлоты, которая занимает две трети площади нашей страны, называют стратегическим тылом России, ее кладовыми, топливно-энергетической базой и валютным цехом. Здесь работают комбинаты, шахты и карьеры, проложены дороги, построены порты и аэродромы. И стоят на вечных льдах целые города, в которых строительство каждого дома можно считать подвигом.
О том, как возводят здания на северных территориях, об особенностях заполярных сооружений и роли энергосберегающих технологий в условиях сурового климата мы побеседовали с заместителем первого проректора СФУ по науке и международному сотрудничеству, доктором технических наук, профессором Рашитом Назировым(Р.Н.) и доктором технических наук, профессором, советником Российской академии архитектуры и строительных наук и преподавателем кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий Юрием Гончаровым(Ю.Г.)
Город на краю Земли
– Рашит Анварович, Юрий Михайлович, можно ли выделить особые принципы строительства в условиях Севера?
Р.Н.: Кардинальных различий в возведении домов на Севере и «на материке» нет. Однако особенности есть. Общие принципы строительства основаны на фундаментальных законах физики. Прежде всего, необходимо обеспечить надёжную теплоизоляцию дома. Это означает применение продуманных конструктивных схем зданий, которые гарантируют отсутствие «мостиков холода», использование эффективных материалов и энергосберегающих технологий. И, конечно, это особенности строительства фундаментов.
Ю.Г.: Строить дом на ледяном панцире, который постоянно меняет свою структуру, очень сложно. Рыхлые грунты – песчаники, галечники и глины – в условиях вечной мерзлоты ведут себя самым непредсказуемым образом. Возведенные на них сооружения нагревают грунт, и он теряет монолитность, начинает подтаивать и смещаться. Известны случаи разрушения неправильно построенных домов в Чите, «плывут» некоторые участки БАМа. А в Канаде, например, жителям пришлось покинуть целых два небольших города, построенных в годы войны: их дома вечная мерзлота буквально вывернула из земли. Так что строить основания зданий на мерзлоте можно, только приняв специальные меры для поддержания постоянной температуры грунта.
– Например, строить на сваях?
Р.Н.: Да. Хотя сегодня на Севере применяются два варианта возведения фундаментов: не только на сваях, когда создается зазор между грунтом и основанием и обеспечивается естественная вентиляция мерзлой поверхности, но и непосредственно на грунте. В последнем случае необходима высокая теплоизоляция, которая позволит сохранять грунт в естественном состоянии.
Ю.Г.: Надо сказать, что сегодня достижения науки позволяют строить дома в любых условиях, даже на льдах. Существует множество видов свай, например, буронабивные – одна из ведущих разработок красноярских ученых. Согласно этой технологии специальная буровая установка высверливает в мерзлоте отверстие, в скважину опускается арматурный каркас и заливается бетоном. Сегодня при строительстве используют бетоны специальных составов, с присадками, которые не успевают замерзнуть в процессе заливки. Если раньше при установке свай грунт оттаивали паром в течение нескольких месяцев, то бурение позволило в разы ускорить этот процесс.
Буронабивной фундамент
– Кто и когда впервые применил свайные технологии строительства на Севере?
Ю.Г.: В Якутии деревянные дома давно уже устанавливали на деревянных чурбанах. Но применение свай при возведении крупнопанельных домов – это изобретение 60-х годов прошлого века. Автором этого способа строительства фундаментов был инженер-строитель Михаил Ким, один из бывших заключенных Норильлага, который изучал свойства вечной мерзлоты еще с 30-х годов.
Строительство будущего Норильска начиналось на скальных породах, где фундаменты можно было ставить обычным способом. И когда в конце 30-х здесь начал работать проектный отдел, собранный из сосланных архитекторов и инженеров, опыта строительства на вечной мерзлоте не существовало нигде в мире! Благодаря идеям Кима, который предложил ставить дома на сваях, жилищное строительство в Норильске в начале 60-х приобрело широкие масштабы. Десяти архитекторам и строителям города, в том числе и Михаилу Киму, в 1966 году была присуждена Ленинская премия «за разработку и внедрение принципиально новых методов индустриального строительства в условиях Крайнего Севера». В их честь названа улица Лауреатов…
– А как в вечной мерзлоте решается проблема коммуникаций?
Ю.Г.: В небольших северных посёлках их прокладывают поверху, а вот в Норильске все трубы уложены под землей на глубине 6 м – в три раза глубже, чем в Красноярске. Коллекторы проходят в отдалении от домов, чтобы уберечь от тепла мерзлые грунты под зданиями. А дорогу, под которой проведены коммуникации, чистят от снега особенно тщательно, чтобы ветер остужал землю.
Строительство города Норильск, 1980-е гг.
– Кстати, о сильных ветрах Норильска. Можно ли бороться с этой стихией градостроительными методами?
Ю.Г.: Сильные ветры и частые метели – это еще одна особенность северного климата, с которой сталкиваются проектировщики и строители. На Таймыре, в Норильске крайне тяжелые погодные условия. Скорость ветра в один метр в секунду, по ощущениям человека, понижает температуру воздуха на два градуса. Например, когда температура - 400 и дует ветер в 18 м/с, мороз получается на уровне – 800! Местный климат по жесткости уступает только антарктическому. Для борьбы с ветром норильские кварталы строили замкнутым контуром, с минимальным числом площадей и узкими разрывами между домами, компактно. Благодаря этому получалось снижать скорость ветра. Фасады и крыши заполярных домов отличаются ровными линиями и простыми профилями – это служит профилактике снежных заносов.
– Какие именно научные учреждения занимались вопросами северного строительства?
Ю.Г.: Большие масштабы строек на Севере в трудных погодных условиях требовали постоянных научных разработок. Еще в 1957 году была организована Якутская комплексная научно-исследовательская станция – специально для изучения строительных технологий, разработки норм и инструкций, накопления опыта работы в мерзлотных условиях. Была в Якутии создана и лаборатория технологии стройматериалов. В 1962 году обе эти организации объединились в Якутский отдел Красноярского НИИ по строительству Академии строительства и архитектуры СССР. Мне довелось несколько лет возглавлять его. Впоследствии Красноярский НИИ по строительству был переименован в ПромстройНИИпроект, где, без преувеличения, объединились лучшие силы страны в области заполярного строительства. Наши научные разработки востребованы до сих пор!
P.Н.: К сожалению, надо признать, что сегодня в вопросе возведения зданий на северных территориях во многом утрачена преемственность поколений. Очень немногие люди по-настоящему владеют практикой подобного строительства. Организации, которые ведут работы сегодня, строят по СНиПам, разработанным еще в советское время. А вот новых научных и теоретических разработок почти не ведется. Часто проект делает организация, которая имеет об объекте весьма смутное представление.
– Как активно идёт строительство на Севере в наши дни? Народ сейчас оттуда скорее уезжает…
Р.Н.: Динамика строительства городов на вечной мерзлоте будет расти благодаря разработкам новых месторождений на севере края. Например, освоение Ванкорского месторождения способствует развитию Игарки. Всего один факт: пассажиропоток в городе за последние полтора года увеличился почти в три раза! В связи с проектами освоения Нижнего Приангарья активно развиваются Богучаны… Это, безусловно, положительные моменты.
Строительство БАМа
Точка отсчета
-Так или иначе, все сегодняшние масштабные промышленные проекты на Севере имеют отношение к энергетической отрасли. А недавно в стране был принят закон «Об энергосбережении». С чем это связано в широком смысле?
– Анализ климатических параметров населенных пунктов, расположенных на территории нашего края, показывает: Красноярск является наиболее «благоприятным» городом с точки зрения проектирования тепловой защиты (упрощенно говоря, именно в нашем городе с наименьшими затратами можно построить дом, в котором жильцам будет тепло).
Р.Н.: Все началось с энергетического кризиса 70-х годов. Но если вспомнить, нефть тогда стоила 17 долларов за баррель. Сейчас — около 80-100. И эта цифра будет только расти. В США, например, проблему энергосбережения рассматривают в числе основных, ее решение способствует обеспечению национальной безопасности. Несмотря на все меры по сбережению энергии, ее потребление, скажем, в жилищно-коммунальной сфере, будет увеличиваться на 1,5 – 2% ежегодно, причем в структуре потребления энергоносителей, по западной статистике, снизится доля потребления нефти, а использование энергии, вырабатываемой ГЭС и АЭС, останется примерно на прежнем уровне.
– Есть ли такие прогнозы в России?
Р.Н.: Должны быть, но они пока не стали всеобщим достоянием. Разработка программ по энергосбережению ведется на всех уровнях: федеральном, региональном, муниципальном. Уже с 1 января 2010 года вступили в силу требования Закона об обеспечении снижения потребления энергии и воды в государственных или муниципальных организациях. А до 1 января 2011 года органы государственной власти и местного самоуправления должны обеспечить завершение мероприятий по оснащению зданий, строений, сооружений приборами учета потребляемой воды, природного газа, тепловой и электрической энергии.
Предприятия будут обязаны принимать меры по дополнительной теплоизоляции помещений, утилизации и рекуперации тепла. Государство поставило в деле энергосбережения «точку отсчета». Наш университет, как бюджетное учреждение, должен по сравнению с прошлым годом уменьшить потребление энергии на 3%, а в течение пяти лет — на 15%. Деньги, которые выделяет на энергетические расходы федеральный бюджет, будут соответственно уменьшаться. При размещении заказов на поставку товаров и оказание услуг должны учитываться требования энергетической эффективности этих товаров.
Якутия, трубопровод
– В чем именно заключаются энергосберегающие технологии?
Р.Н.: Это, во-первых, автоматическое регулирование теплового режима зданий и применение альтернативных, в том числе возобновляемых источников энергии (солнечные батареи, тепловые насосы и др.). Если взять административно-бытовые здания, то в нерабочие часы и дни, например, можно экономить на их освещении и отоплении. Во-вторых, это использование нового техрегламента по освещению с отказом от традиционных ламп накаливания – оно позволит сэкономить до 40% электроэнергии. В-третьих, утилизация тепла. Мы впустую тратим тепло, сливая горячую воду в канализацию. По строительным нормам в большей части помещений должен быть обеспечен один воздухообмен в час, а это значит, зимой нужно нагреть воздух, к примеру, от минус 40 до 21 градуса. Принимая во внимание объем здания, можно представить, сколько требуется энергии только на отопление. Эту тепловую энергию можно использовать. Если будет реализовано все, что предписывает закон, в ближайшие 2-5 лет можно будет сэкономить (по разным оценкам) от 15 до 40% энергии.
Продиктовано Севером
– Есть ли конкретные мероприятия по энергосбережению для районов Крайнего Севера?
Р.Н.: Все перечисленное имеет прямое отношение к северным территориям. Ну а в связи с тем, что Север потребляет намного больше энергии, мероприятия по ее экономии здесь приобретают еще большее значение. Например, расчетная температура при проектировании зданий в Москве – минус 28, в Красноярске – а это еще не север – показатель уже минус 40, в Богучанах дома строят, рассчитывая на минус 46, в Игарке – на минус 49, в Эвенкии – минус 55. Этот показатель рассчитывается по средней температуре самой холодной пятидневки. Помимо этого существует такая характеристика, как градусо-сутки отопительного периода, показывающая длительность отопительного периода и его среднюю температуру. Так вот, если для Москвы этот показатель составляет 4943 градусо-суток, то в Красноярске он равен 6575, а в поселке Ессей – 11532, почти в три раза больше, чем в столице.
– Как тогда там сэкономить?
Р.Н.: Только благодаря применению новых технологий. Развивая сырьевые отрасли, мы должны тратить полученную прибыль на разработку и внедрение новых способов энергосбережения. Необходимо вкладывать деньги в науку, в проекты. Не надо «стесняться» и заимствовать то хорошее, что есть в других странах. В Красноярском крае институт «Пром-стройНИИпроект» разрабатывает концепцию «Сибирского дома». К сожалению, СФУ пока не участвует в этом проекте, хотя есть предложение от института заняться разработкой эффективного жилья совместно. Реализация такого социального проекта, несомненно, даст толчок к развитию кластера специальных и энергоэффективных технологий, затраты на которые в условиях неослабевающего спроса на жилье должны быстро окупиться.
– Как, по-вашему, стоит ли вообще жить на Севере? Не проще ли добывать полезные ископаемые вахтовым методом, как это уже практикуется сегодня?
Ю.Г.: Я считаю, что жить на Севере можно. А к морозу привыкаешь быстро. Я, например, приехал туда с юга, из Дагестана, в январе 1959 года – и остался на десятилетия. В Норильске мы с женой год жили в бараке, с «удобствами» во дворе, потом в течение 11 лет – в доме, где бытовые условия тоже были трудными. Но Север проверяет людей, и в этом его особая прелесть.
Р.Н.: Надо использовать имеющийся у нас уникальный опыт возведения городов на Крайнем Севере. Университет может предложить комплексные решения всех основных проблем Заполярья, тем самым улучшая жизнь северян. На севере Сибири есть все полезные ископаемые, необходимые человеку. Глубокое освоение этих территорий неизбежно. И мы должны быть готовы к этому.
инженерные коммуникации, крайний север
Строительство на территории вечной мерзлоты
Автор: Ушаков Виктор Александорович, Худякова С.В. — преподаватель ГБПОУ АО АТСиЭ
Область вечной мерзлоты, которая занимает две трети площади нашей страны, называют стратегическим тылом России, её кладовыми, топливно-энергетической базой и валютным цехом. Здесь работают комбинаты, шахты и карьеры, проложены дороги, построены порты и аэродромы. И стоят на вечных льдах целые города, в которых строительство каждого дома можно считать подвигом. Мерзлота создаёт особые условия для освоения территорий: для сельского хозяйства, добычи полезных ископаемых, строительства, то есть возникает масса практических вопросов, которые необходимо решать, опираясь на знания о закономерностях распространения, залегания мёрзлых пород, их связи с климатом и деятельностью человека. На сегодняшний день вечномёрзлые грунты занимают до 70% территории России. Поэтому решению проблем строительства на мерзлоте всегда придавалось и придаётся особое внимание, т. к. вечномёрзлые грунты чрезвычайно многообразны и, учитывая их недостаточную изученность, очень опасны.
Разновидность грунтов простирается от мелкодисперсных осадочных до мелко- и крупнообломочных, спаянных льдом.
Строительная глубина оснований и фундаментов большинства сооружений составляет, как правило, 10-15 м. Для специфических объектов (мосты, плотины, скважины) она существенно больше. На этой глубине встречаются самые различные типы грунтов как по составу, так и по мерзлотному состоянию, в т. ч. чистые льды, твердомёрзлые грунты, пластично-мёрзлые и талые.
Последнее при отсутствии сквозного «талика» означает заглублённую кровлю вечномёрзлых грунтов. Весьма существенно, что всё это многообразие может существовать на одной строительной площадке и даже в пределах одного здания или сооружения, причём в «через полосицу» по глубине.
Здания и сооружения строятся в основном с сохранением мёрзлого состояния грунтов оснований на весь период эксплуатации, т.е. по I принципу строительства зданий и сооружений на вечномёрзлых грунтах.
При этом применяются два основных технических решения: проветриваемые подполья и холодные этажи, которые действуют в качестве охлаждающего инструмента, компенсирующего теплопритоки от зданий и сооружений; здания и сооружения на подсыпках, охлаждаемых трубами и каналами. Во избежание восстановления мерзлого состояния оттаявших грунтов в рабочих чертежах проекта должны быть приведены указания о немедленном уплотнении грунта после его оттаивания и о предохранении от промерзания оттаявшего слоя вечномерзлых грунтов в процессе строительства.
При больших нагрузках и малопрочных грунтах основания применяются фундаменты в виде сплошной подушки или железобетонной плиты под всем зданием.
Железобетонная плита распределяет нагрузку от здания на большую площадь, уменьшая давление на основание и выравнивая осадки. При укладке плиты следует учитывать однородность грунтов по сжимаемости, так как при неоднородных грунтах возможны неравномерные осадки, что может вызывать перекос фундаментной плиты. Во избежание деформаций несущих конструкций здания необходимо плиту и конструкцию здания разделить осадочными швами на отдельные части, оседающие равномерно.
В редких случаях на предпостроечно оттаявших грунтах применяются свайные фундаменты, опираемые на коренные породы. Различные способы, применяемые в центральных районах страны для повышения несущей способности талых грунтов, применимы и в условиях Севера для оттаявших грунтов.
Покуда вечна мерзлота: почему для строительства в Арктике нужны новые правила — Общество
МОСКВА, 20 апреля. /ТАСС/. Глобальное потепление климата и таяние вечномерзлых грунтов — одна из причин, по которым Минстрой РФ к 2020 году намерен создать новые регламенты для строительства в Арктике. Другая причина — необходимость введения новых правил эксплуатации зданий на территориях вечной мерзлоты, так как техногенные факторы непосредственно влияют на устойчивость фундаментов.
Отрицательная температура — вечная мерзлота
Есть мнение, что существующие нормы строительства в Арктике становятся неэффективными из-за глобального потепления. «Есть действующие нормативы, но они не отвечают современным требованиям безопасности в контексте климатических изменений. Считается, что мерзлота вечная, но это не так. Должны быть разработаны новые подходы», — рассказал ТАСС директор норильского научно-исследовательского центра изучения мерзлоты «Экофундамент» Али Керимов. Эта компания занимается проектированием зданий для арктических условий с 1950-х годов (когда началось строительство современного Норильска).
Другие эксперты говорят, что климат в Арктике меняется уже на протяжении полувека, и за это время ничего страшного со зданиями не произошло — только если строения неправильно эксплуатировались. По словам заведующего лабораторией инженерной геокриологии Института мерзлотоведения СО РАН Дмитрия Шестернева, на территории вечной мерзлоты в России температура повышается с 1960-х годов — рост в зависимости от района составляет до 0,02 градуса Цельсия, среднегодовая температура грунта колеблется от минус 13 до минус 3 градусов.
«Глобальное потепление климата мало сказывается на изменении качества зданий, построенных на сваях. Если здание начинает разрушаться, то это либо ошибки в проектировании и изысканиях, либо неправильная эксплуатация», — сказал Шестернев.
По словам заведующего лабораторией геоэлектрики Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН Владимира Оленченко, за последние 30 лет температура вечной мерзлоты уже поднялась на 1,5-2 градуса, но проблемы с грунтами зачастую обусловлены человеческим фактором. «В Забайкальском крае, например, в Чите, мерзлота деградировала. Но это не привело к массовому разрушению домов. Обнаруженные деформации оказались связаны с ошибками в эксплуатации — мерзлоту растопили утечки воды», — сказал Оленченко.
Как сообщил ТАСС заместитель генерального директора по проектно-изыскательским работам АО «Фундаментпроект» Александр Рязанов, сооружения обычно рассчитываются на 30-50 лет эксплуатации, и за этот срок грунты не растают. «Даже при потеплении климата в ближайшие десятилетия температура останется в отрицательном диапазоне. Потепление произойдет не единовременно. Мы проводили расчеты для месторождения в Новом Уренгое, и увидели, что через 30 лет потепление может только начать сказываться на сооружениях, при этом техногенный фактор оказался гораздо сильнее», — сказал Рязанов.
Технологии на страже мерзлоты
Эксперты сходятся во мнении, что существующие строительные технологии способны защитить здания и сооружения от аварийных ситуаций, связанных с таянием грунтов. Потепления надо опасаться куда менее серьезно, чем техногенных воздействий на мерзлоту.
По мнению эксперта «Фундаментпроекта», важно ответственно подходить к выбору мест под застройку — мерзлота не сплошная, а чередуется с талыми участками. «Обычно на Севере строят сооружения с вентилируемым подпольем на сваях, чтобы сохранить мерзлоту. Если такое здание поставить на талый участок, то сваи начнет выталкивать пучением из грунта из-за промерзания. Бывают случаи, когда строить надо без вентилируемого подполья — с полами по грунту, и тогда тепло идет прямо в грунт. Если строить здание на мерзлоте, то, конечно, возникает опасность, что грунт деформируется в процессе оттаивания и появятся просадки», — рассказал Александр Рязанов.
Специалисты считают, что основные проблемы строительства на Севере — расчет поведения вечно мерзлых грунтов и эксплуатация сооружений. «Меняется тепловой баланс поверхности, где-то происходит растепление вечно мерзлых грунтов, где-то их переохлаждение. Есть примеры масштабной деформации грунтов, например, при добыче нефти. Скважины очень существенно воздействуют на мерзлоту, и в итоге они выходят из строя, возникают аварии», — отметил Рязанов.
Для сохранения мерзлоты существуют специальные установки, замораживающие грунт, которые защищают фундамент от деформации, пояснили ТАСС в «Фундаментпроекте». Также в тундре для строительства применяют насыпи, которые обдуваются ветрами.
В «Заполярной строительной компании» (входит в группу «Норникель») ТАСС рассказали о решениях, которые применяются для строительства в Арктике. «Мы делаем фундаменты с опорой на скальное основание или свайные фундаменты с опорой на вечномерзлые грунты, при этом состояние мерзлоты обязательно сохраняется. Конструкции изготавливаются из стали, устойчивой к низким температурам, и в последнее время для ограждения конструкций предпочтение отдается облегченным сэндвич-панелям, которые сохраняют тепловой контур здания. Для улучшения эксплуатации зданий компания ежегодно ремонтирует значительный объем фондов», — сказал представитель «Заполярной строительной компании».
Новые требования — новые регламенты
Арктические регионы — стратегически важные территории для России, и масштабные проекты требуют новых регламентов в строительства. По предложению Минстроя РФ Минэкономразвития включило в госпрограмму по развитию Арктики проект по созданию обновленных правил для строителей. Эксперты Минстроя говорят о том, что техногенные воздействия коренным образом изменяют тепловое состояние пород Арктической зоны, и это приводит к развитию опасных процессов, которые увеличивают риск деформации или полного разрушения несущих конструкций зданий. Новые регламенты должны быть разработаны к 2020 году, Минстрой готов провести для работы комплекс научных исследований.
«Мы предложили в рамках госпрограммы по развитию Арктики провести ряд научно-исследовательских работ, подготовить базу для разработки нормативно-технической документации. К 2020 году мы должны получить определенные результаты испытаний и начать выпуск документации. Научных кадров сейчас достаточно, они готовы принимать участие в этой работе. Той нормативной базы, которая существует еще с советских времен, явно недостаточно для решения тех серьезных и стратегически важных проектов, которые сейчас уже начинают развиваться в Арктике», — сказала ТАСС заместитель министра строительства РФ Елена Сиэрра.
Как сообщил ТАСС замглавы Минэкономразвития Александр Цыбульский, инициатива Минстроя уже включена в проект госпрограммы по развитию Арктики. «В программе есть целый раздел, посвященный проведению научно-исследовательских работ по организации строительства в условиях вечной мерзлоты», — сказал он.
Подготовительные работы включат в себя изучение мерзлых грунтов. «Мы предлагаем провести исследовательскую работу по изменению температуры грунтов, в первую очередь, в крупных городах арктической зоны. В последние годы происходят изменения климата, что может спровоцировать таяние мерзлоты. Также в регионах нет постоянного мониторинга состояния грунтов, мы предлагаем обеспечить его на постоянной основе для составления карты грунтов, а также возможности прогнозирования ситуации с перспективной на 50 лет», — рассказала Сиэрра.
В плане технологий у других стран России заимствовать нечего. Многие государства не имеют такого опыта работы с мерзлотой, как в России. Плюс в странах Скандинавии, Канаде, на Аляске — другие условия, не такие тяжелые, как у нас
Александр Рязанов
заместитель гендиректора по проектно-изыскательским работам АО «Фундаментпроект»
Минстрой в рамках подготовки регламентов также изучит российский и международный опыт применения строительных материалов в Арктике. «Планируется, что инновационные материалы будут в большинстве своем нашими (российскими — прим. ТАСС) разработками, хотя мы используем и наработки других стран из арктической зоны. У нас уже есть композитная арматура, композитные сваи — этим наши передовые компании занимаются достаточно давно», — отметила Елена Сиэрра.
Александр Рязанов считает, что России достаточно собственного опыта для создания новых технологий и стройматериалов для Арктики — более половины территорий страны занимает мерзлота, и опыт работы здесь составляет десятки лет.
«В плане технологий у других стран России заимствовать нечего. Многие государства не имеют такого опыта работы с мерзлотой, как в России. Плюс в странах Скандинавии, Канаде, на Аляске — другие условия, не такие тяжелые, как у нас», — подчеркнул эксперт.
«– 40 С° — это ещё тепло». Об особенностях строительства в вечной мерзлоте
Якутск — самый крупный город в зоне многолетней мерзлоты. Суровый климат вынуждает местных учёных и архитекторов придумывать нестандартные решения для комфортной и безопасной жизни. Главный архитектор Якутска Ирина Алексеева рассказала Strelka Mag о том, как строить на сваях, использовать национальные узоры в качестве подсветки и развивать общественные пространства при экстремальных температурах.
Ирина Алексеева / фото: Ольга Алексеенко
«Кишки наружу» и дома на сваях
В Якутске все дома стоят на глубоко вбитых сваях, чтобы тепло от построек не подтапливало мерзлоту. Решая одну проблему, мы сталкиваемся с другой: как сделать вход в здание доступным, если он поднят на несколько метров от земли? Электрические подъёмники перестают работать на холоде. Пандусы — слишком массивные и тяжёлые, но ставят именно их, потому что при типовом строительстве никто не пытается изобрести новую удобную лестницу.
В Якутске нет ливневой канализации, только наружное водоотведение, потому что под землёй всё замёрзнет. У нас даже есть такое понятие, как «пропарка»: мы пропариваем лотки на улицах, по которым стекает вода, чтобы могли пройти весенние стоки.
А ещё у Якутска, можно сказать, кишки наружу: все коммуникации проходят над землёй. И тонкие, и магистральные трубы под два метра диаметром. Так как это сфера ЖКХ, ни один дизайнер к оформлению труб руку не прикладывал. Сейчас хотя бы появились новые изоляционные материалы, а раньше они обматывались тряпками для утепления.
Коммуникации могли бы однажды стать элементом дизайна. Например, как в Центре Помпиду. Для этого нужно понимание проблемы и видение решения, а также деньги. Пока этим никто не занимается.
Сейчас мы благоустраиваем канал, который пролегает по центру Якутска. Вдоль него проложены магистральные сети, но мы не можем с ними ничего сделать или строить что-то рядом с ними, потому что это охранная зона. Под этим предлогом в этом месте даже мусор не убирают. Но ведь это часть инфраструктуры — там даже дети играют.
Некоторые изгибы труб, в местах, где они проходят по общественным пространствам, мы закрыли декоративными панелями. Было предложение сделать на трубах смотровые площадки, но сетевики сказали, что это небезопасно.
Задача якутских архитекторов в том, чтобы связать все эти, казалось бы, случайные элементы в инфраструктуре города.
Слишком холодно для машин
Зимой машины у нас практически не ездят: оставить автомобиль на улице невозможно, иначе уже через полчаса его придётся размораживать. Кто-то использует утеплённые чехлы, но они работают только при – 30 °C, ниже уже бесполезно. Некоторые просто не выключают двигатели. Самое логичное — заморозить автомобиль и пересесть в такси: это выгоднее, чем тратить бензин на прогрев своей машины.
Из-за вечной мерзлоты у нас нет подземных парковок. Это большая проблема, так как для наземных места мало. Поэтому мы рекомендуем застройщикам надземные решения, которые и прорабатываем.
Многоквартирный жилой дом с тёплой автостоянкой по ул. Пирогова, 9А в квартале 48 г. Якутска
Стилобат с теплой парковкой увеличивает стоимость строительства, но позволяет компактно хранить автомобили
Например, уже построен первый дом с многоуровневым стилобатом: первый уровень — открытый, второй уровень — тёплые парковки, третий — нежилые помещения. А выше уже идут квартиры. Для жителей такая конструкция удобна: можно сразу спуститься на парковку. Даже, например, домостроительные комбинаты, которые возводят типовое жильё, внесли в последний проект стилобат с парковкой, хотя это и увеличивает стоимость строительства.
Строительство на экспериментальном уровне
Якутск — единственный столь крупный город, построенный на вечной мерзлоте. Есть города меньшего размера или с более мягкими условиями. В Канаде, например, тоже есть мерзлота, но там другие климат и грунты, и её влияние не такое, как у нас.
Решением инженерных задач занимаются наши учёные. Всё на экспериментальном уровне. При этом мы часто торопимся построить что-то, потому что бывает так, что денег на научное обоснование нет. Всё на уровне эксперимента и русского авось.
Из-за оттайки грунтов сейчас все основания фундаментов в сложном состоянии. Как двигаться дальше, если из-за климата большой процент износа? Надо развивать науку, делать усиление фундаментов, вкладываться во всё это. В контексте такого климата сложно планировать дальнейшее развитие города. На нас, архитекторах, большая ответственность.
Гулять, пока не стукнет – 40 °C
Как ни удивительно, но зимой общественные пространства используются очень активно. В Якутске люди отдыхают на площадях вплоть до минус сорока — пока тепло. Полно лыжников, бегунов и фанатов скандинавской ходьбы.
В ноябре ставим ледовые фигуры, начинаются фестивали. В декабре приходят морозы и густой туман, который не сходит два месяца. Потом где-то месяц в январе надо переждать 50-градусные морозы. И в феврале приходит тепло, появляется солнце, люди снова выходят отдыхать на площади и на замёрзшие протоки.
А ещё бывают актированные дни: когда температура ниже 45–47 °C. Тогда дети не ходят в школу и на радостях высыпают на улицу.
На пощади «Ворота Якутска» появится инсталляция из медных трубок в виде острога, исторически расположенного на этом месте
Мы делаем новую площадь — «Ворота Якутска». В 2012 году молодой архитектор Геннадий Попов выиграл премию Татлина за Башню Тыгына — инсталляцию в виде острога из латунных труб с подсветкой. Мы доработали проект арт-объекта, так что башня появится в городе вместе с новой площадью, детскими площадками, скейт-парком и местами для павильонов. Мы возводим «Ворота Якутска» возле аэропорта, так что это будет общественное пространство для встречи гостей, ярмарок выходного дня и праздников. Напротив строится центр современного искусства.
Национальная архитектура и хрущёвки
Нам говорят, что в городе нет уникальности и национальной архитектуры. Дело в том, что авторская архитектура и первые нетиповые объекты в Якутске появились лишь на рубеже двухтысячных: «Саха-театр», например. Раньше были только хрущёвки и сталинки.
В городе активное сообщество краеведов, с которыми мы плотно сотрудничаем. У нас есть восстановленный исторический квартал «Старый город». Архитекторы критиковали его за то, что там нет настоящей старины — всё новодел. Но есть ещё одно уникальное место, где сохранились замечательные объекты деревянного зодчества XIX века. Мы хотим сделать там историко-архитектурный комплекс. Всё осложняет то, что территория находится в частной собственности, и город должен её выкупать. И, конечно, собственник может заломить любую цену.
Многоквартирный жилой дом в квартале 94
В новых микрорайонах застройщики показывают новое качество городской среды. Появилась тенденция: застройщики делают подсветку в виде национальных узоров на глухих торцах домов. Это хорошая инициатива, потому что любой такой торец рискует быть завешенным каким-нибудь баннером. Даже обычные унылые дома получаются со своей айдентикой и каким-то смыслом.
Поиск идей в других городах
В Якутске не так много архитекторов, но мы стараемся перенимать тенденции и прокачивать профессиональное сообщество, не только архитектурное.
Мы придумали практикум, в котором участвуют реальные заказчики, проектировщики и подрядчики. Они собираются в команды — как в реальной практике, — и мы вывозим их в разные города, чтобы перенять опыт. Цель практикума — разработать техническое задание на новый проект. Первый практикум мы провели в феврале в Сеуле и умном городе Сонгдо — мощном мегаполисе, где очень много интересных парков, набережных. Потом мы поехали туда снова в апреле, взяв с собой представителей ЖКХ. В этот раз мы приехали в Москву, а потом планируем съездить в Татарстан посмотреть более бюджетные варианты.
Двор по ул. Каландарашвили
Двор по ул. Каландарашвили
Двор по ул. Каландарашвили
Мы стараемся менять подходы к строительству, начали делать интересные дворы и новые общественные пространства. У нас богатая культура, и я хочу, чтобы наши дизайнеры и архитекторы нашли что-то своё в малых архитектурных формах и городском дизайне.
ОСОБЕННСОТИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗДАНИЙ НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ
С целью эффективного строительства объектов в условиях вечной мерзлоты, в каковых следует принимать во внимание мерзлотный либо геокриологический мониторинг — это сохранить в целости мерзлотный грунт под объектом для того, чтобы не произошло оседание здания.
Вечная мерзлота — основная и отличительная черта Севера. По этой причине в отсутствии приукрашивания возможно отметить, то, что с целью оптимального изучения естественных ресурсов сфере вечной мерзлоты необходимо хорошо понимать свойства мерзлых толщ и возможности их применения. Осваивание местности постоянно связано с строительством.
В создании поверхности территории огромную важность имеет подземный лед. Вечная мерзлота предельно хитра. Стоит только незначительно внести изменения в её термическое состояние, снять хотя бы легкий слой торфа, возникают овраги. И действие уже, к огорчению, необратим. Ключевой метод строительства буквально на всей местности вечной мерзлоты – это свайные фундаменты. При строительстве в мёрзлых грунтах наиболее опасным действием для сооружений считается таяние вечномёрзлых грунтов в основании, что приводит к их деформации.
Грунты называются вечномерзлыми, если они имеют отрицательную или нулевую температуру, содержат в своем составе лед и находятся в мерзлом состоянии в продолжение многих лет. [1]
Конструктивные решения основных элементов зданий, возводимых на вечномерзлых грунтах, определяются особенностью их работы в условиях Севера. В связи с этим особое внимание при проектировании уделяется наружным ограждающим конструкциям, от решения которых зависит жесткость зданий, стабильность температурного режима вечномерзлых грунтов в их основании (цокольные перекрытия с проветриваемыми подпольями), температурный режим помещений и теплопотери зданий. [2]
Две проблемы строительства в области вечной мерзлоты. 1-ая — это оседание при оттаивании мерзлых грунтов, насыщенных льдом оснований под фундаментами зданий. 2-ая — это выпучивание свай, фундаментов. Особенно опасны для сооружений неравномерные осадки и пучение мерзлого основания. Несложно представить себе, какие бывают потери от деформаций и разрушений зданий и промышленных сооружений. Главная фактор разрушений — непостоянность качеств мерзлой толщи.
Строить на вечной мерзлоте трудно ещё потому, что её особенности, в первую очередь температура и механические свойства, теснейшим образом связаны с естественной средой. Стоит только уплотнить либо убрать снег в зимнее время, снять растительный слой, либо осушить местность, как свойства вечной мерзлоты начинают существенно меняться. Сооружения будут устойчивыми, в случае если сохранять стабильность вечной мерзлоты и по возможности не тревожить её.
При капитальном строительстве нужно принимать во внимание возможность протаивания мерзлоты и вспучивания грунтов под строительными объектами и при несоблюдении растительного покрова в ходе строительных работ.
В ходе эксплуатации толщу можно или сохранить мёрзлой и абсолютно всеми силами стремиться сохранять это состояние, или удерживать постоянно талой, что даст возможность в целом уйти от трудностей, связанных с промерзанием грунтов. Однако и этот, и иной подходы обладают своими минусами. Обычно в местах вечной мерзлоты строятся сооружения с проветриваемыми подпольями (здания в сваях) либо используется «принудительное охлаждение» с помощью охлаждающих скважин. Проветриваемое подполье – это эффективный вариант строительства, однако заведомо дорогостоящий. Помимо этого, в двух вариантах активно управлять температурным режимом никак не выходит. То есть необходимо предварительно проектировать здания, принимая во внимание возможные колебания температуры, и при этом учитывать вероятность всё-таки сохранять толщу всегда мёрзлой.
Долговечность строений в условиях Крайнего Севера пребывает в зависимости от точного знания абсолютно всех особенностей атмосферного климата определенного района строительства и правильного учета их характеристик при проектировании и строительстве. Основным климатическим воздействием, оказывающим большое влияние на долговечность конструкции, является температура, учитываемая в расчете на термическое сопротивление ограждений.
Рисунок 1. Жилой дом на свайном фундаменте
При строительстве зданий и сооружений промышленного типа в регионах севера главной акцент производится на многоэтажные здания сблокированного типа с более легкими объемно-планировочными решениями. Данные сооружения обладают небольшой площадь застройки, который приводит к значительному уменьшению фундаментов, при этом также крайне ощутимо снижается единая расстояние коммуникаций, тем самым делая легче защиту грунта в его первоначальном состоянии, кроме того, позитивно воздействуя на эксплуатационные условия. При строительстве зданий более 5 этажей используют жесткую конструктивную схему, а одноэтажные сооружения рекомендуется строить, применяя укрупненную сетку колонн.
Рисунок 2. Свайный фундамент под зданием, протечка трубы отопления
При проектировании сооружений применяя первый способ строительства, крайне нежелательно выполнять подвалы либо устраивать этажи на нулевом уровне.
Учитывая все без исключения негативные условия, с которыми можно встретиться в период строительства в районах севера, возможно прийти к заключению, то, что оптимальной применимой технологией с целью строительства зданий и сооружений в таких условиях считается строительство из готовых модулей. Основной плюс этого состоит в том, что сооружения, обладающие модульную конструкцию, строятся на порядок активнее нежели какие-либо другие. Невозможно не отметить также о невысокой трудоемкости процесса, что существенно уменьшает стоимость вопроса. Не будем выпускать из виду и о доставке, а кроме того, и о массе использованных материалов из которых строим, ведь чем меньше весит конструкция, тем нам её легче перевозить.
Не столь значительным, однако все же важным пунктом при строительстве зданий и сооружений в регионах Крайнего Севера считается внешний вид. Отсутствие ниш и выступающих элементов весьма нежелательны. Цветовое решение может быть разнообразно. Предпочтительно, чтобы доминировали красочные расцветки, такие как желтый, зеленый и таким образом затем. Во-первых, благодаря этому можно выделить ориентиры в пространстве, а во-вторых, усовершенствовать настроение у людей там проживающих.
Подводя итог всему ранее сказанному, хочется выделить, во-первых, перед началом строительства следует осуществить все подготовительные работы и выбираем метод согласно которому будем проектировать объект. Во-вторых, стремиться использовать новые технологии и инженерные решения. Важность данной проблемы на данный момент состоит в том, что строительство и проектирование жилых зданий и сооружений — это то, без чего нельзя будет освоить Крайний Север.
Список литературы:
- Ю.Я. Велли, В.И. Докучаева, Н.Ф. Федорова: Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах — Ленинград: Стройиздат, 1977, 552 с. [1].
- Васильковский А. П., Шкляров Н. Д. Конструкции гражданских зданий для строительства на Севере.-Л.: Стройиздат, Ленингр. Отд-ние, 1979. — 136 с., ил. [2].
Строительство на Вечной Мерзлоте
Влияние низких температур на нарастание прочности бетона и его качество является одним из принципиальных вопросов теории и практики зимнего бетонирования. Главный обобщающий вывод многочисленных работ, посвящённых этому вопросу, заключается в том, что замораживание бетонных смесей до возникновения капиллярно-пористой структуры определённой зрелости приводит к необратимому ухудшению конечных свойств материала. Степень зрелости бетона определяется комплексом факторов, влияющих на структурообразование в процессе твердения цемента, и условно определяется как «критический возраст», «критическая прочность». Результаты исследований этих процессов, полученных разными авторами, существенно отличаются.
Центральная лаборатория специальных высотных сооружений и конструкций ВНИПИ Теплопроект в течении нескольких лет проводила работы по исследованию влияния раннего замораживания на нарастание прочности бетона.
Исследования проводили на стандартных образцах бетона размерами 10х10х10 см в морозильной камере института при температурах : минус 20 градусов, минус 40 градусов и минус 60 градусов Цельсия, используя бетон марки 30 МПа изготовленный из портландцемента марки 40 МПа Старо-Оскольского завода с Нг-23%, минералогический состав клинкера : С3S – 55%, С2S – 19%, С3А – 7%, С4AF – 13% ; песок Академического карьера с модулем крупности 2,4 ; щебень гранитный фракции 5 – 10 и 10 – 20 мм по 50%.
В качестве добавки применяли практически самый дешёвый, безвредный, распространённый по всей стране и не имеющий ограничений в применении универсальный комплекс : поверхностно-активное вещество ПАВ — технические лигносульфонаты ЛСТ и электролит — сульфат натрия Na2SO4 . Необходимо отметить, что другие исследованные электролиты : нитраты натрия и кальция пожароопастны так как выделяют кислород при нагревании, а все хлориды вызывают и интенсифицируют коррозию бетона и арматуры. Подвижность бетонной смеси составляла 9-10 см осадки стандартного конуса.
Состав бетона в кг/м3 :
- Без добавки : цемент – 480, песок – 700, щебень – 1030, вода – 192, объёмная масса 2390 кг/м3 ;
- С добавкой : цемент – 450, песок – 750, щебень – 995 , вода – 180, 0,15% ЛСТ+1,0% Na2SO4, объёмная масса – 2320 кг/м3.
Методика исследований — после бетонирования металлические формы с бетонной смесью герметически закрывали крышками и загружали в морозильные камеры с различной продолжительностью выдержки в нормальных условиях :
- без предварительной выдержки (сразу после изготовления) и
- в возрасте 8, 12, 24 час, 3 суток,
и выдерживали при отрицательной температуре ( минус 20, минус 40, минус 60 градусов Цельсия ) в течении 24 час. Прочность бетона определяли через 4 часа после распалубки форм и в возрасте 28 суток после последующей выдержки в нормально-влажностных условиях.
Полученные данные показывают :
- при температуре замораживания -20, -40, -60оС без предварительной выдержки перед замораживанием, прочность образцов бетона после замораживания находится в пределах от 6 до 12% от прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях в течении 28 суток;
- предварительное выдерживание образцов бетона в течении 8, 12, 24 час и замораживание при -20оС и -40оС и выдержка 8 и 12 час с замораживанием при -60оС повышает прочность бетона от 16 до 36 %;
- предварительное выдерживание при нормальной температуре образцов бетона в течении 3 суток с последующим замораживанием их при -40оС и -60оС прочность бетона достигает марочной или близка к ней, а при температуре замораживания -20оС прочность незначительно снижается.
Таким образом, увеличение времени предварительной выдержки до замораживания приводит к увеличению прочности бетона. При этом наибольшую прочность имеют образцы бетона, предварительно выдержанные при положительной температуре 3 суток, то есть имевшие перед замораживанием более высокую прочность и сформировавшуюся структуру. Анализ испытаний показывает, что однократное замораживание бетона с предварительной выдержкой в течении 24 час при -20, -40 и -60оС приводит к увеличению по сравнению с марочной, и только замораживание при -20оС без предварительной выдержки снижает прочность бетона : без добавки на 28%, с комплексной добавкой на 10% по сравнению с прочностью бетона твердевшего в нормальных условиях все 28 суток. Замораживание бетона с комплексной добавкой 0,15%ЛСТ + 1,0%Na2SO4 при -40 и -60оС без предварительной выдержки практически не снижает прочности бетона в 28-суточном возрасте.
Прочность образцов бетона при предварительной выдержке 8, 12, 24 часа и 3 суток и замораживании при -40 и -60оС с последующим выдерживанием в течении 28 суток в нормальных условиях, больше прочности бетона, твердевшего сразу после изготовления в нормальных условиях. При этом наибольшее увеличение прочности ( на 36 – 49% ) показали образцы, замороженные при -40оС, наименьшее увеличение ( на 9 – 16 % ) показали образцы, замороженные при -60оС. Итак, степень упрочения бетона при его замораживании зависит от температуры замораживания, продолжительности предварительной выдержки и состава бетона.
Для выяснения влияния условий замораживания образцов бетона на эффект упрочнения были поставлены дополнительные опыты. С этой целью образцы бетона без добавок предварительно выдерживали 12 час, затем подвергали однократному замораживанию при -20оС в течении 24 час. Прочность образцов бетона при сжатии после оттаивания в течении 8 час была следующая :
Условия замораживания образцов Прочность при сжатии, МПа:
- Распалубленные на поддоне 15.
- В металлической форме 20.
Результаты исследований показывают, что условия замораживания и хранения при -20оС оказывают влияние на последующий рост прочности бетона, причём прочность образцов хранившихся распалубленными на 20-25% ниже прочности образцов замороженных в металлических формах.
Все эти процессы можно объяснить замедленной гидратацией и стабилизацией гидростатического давления воды и её фазового перехода в лёд на относительно непрочную капиллярно-поровую структуру бетона. Однако микродеформации в структуре бетона не носят необратимого характера и при последующем выдерживании в условиях теплового воздействия и при нормальном твердении происходит не только восстановление, но и рост прочности бетона, подвергавшегося воздействию низких температур, по сравнению с бетоном, твердевшим сразу после изготовления в нормальных условиях 28 суток.
Возникновение и развитие при замораживании деструктивных процессов в бетоне связано с переходом свободной и связанной воды в лёд. Однако положительное влияние на нарастание прочности бетона оказывает замедленные гидратация и кристаллизация минералов цемента на начальных стадиях твердения после оттаивания, изменение состава и свойств жидкой фазы и пептизация новообразований в результате физико-химического обжатия структурных элементов.
Циклические замораживания и оттаивания при прочности бетона ниже критической приводят к его разрушению.
ВЫВОДЫ:
1. Расширение области строительства на нашем Крайнем Севере, в Сибири при длительной зиме и в условиях низких отрицательных температур на Вечной Мерзлоте занимающей 65% территории России, и в зоне переменного уровня воды предполагают необходимость точных инженерных Знаний и умение прогнозировать все характеристики и свойства бетонной смеси и бетона.
2. В результате исследований установлена общая тенденция для бетонов, подвергнутых однократному замораживанию после завершения периода схватывания, к превышению марочной прочности при хранении в нормальных условиях.
3. Степень проявления «эффекта упрочения при замораживании» зависит от состава бетона, условий выдерживания образцов при замораживании и температуры замораживания. При использовании в зимнем бетонировании технологии однократного замораживания оптимальным временем предварительной выдержки ( то есть в теплоизолирующей опалубке ) следует считать 8 – 12 час. Введение ПАВ ( ССБ, СДБ, ЛСТ, ЛТМ ) и электролитов ( СН ) значительно увеличивает прочность бетона.
4. Подтверждена перспективность направления разработки низко-температурных режимов выдерживания бетонов ( с использованием естественного охлаждения ) на ранних стадиях процесса твердения при зимнем бетонировании.
Фото 1. Бетонные работы при строительстве самой северной в мире Колымской ГЭС на Вечной Мерзлоте, 1976 год.
Фото 2. Самая северная в мире Колымская ГЭС была успешно построена и начала работать в ХХ веке на Вечной Мерзлоте и в зоне переменного уровня воды
Фото 3. Лауреат Государственной премии СССР 1969 года заведующий центральной лабораторией высотных и специальных сооружений и конструкций ВНИПИ Теплопроект Минмонтажспецстроя СССР к.т.н. Б.Д.Тринкер, 1946 – 1992 годы.
Библиография:
1. Тринкер, Б. Д. Морозостойкость бетона и методика его испытания, Сб. трудов «Бетоны и растворы», НИИЖБ, Госстройиздат, вып. 12, 1959.
2. Тринкер Б.Д. Инструкция по обогреву бетона паровыми калориферами при возведении железобетонных монолитных дымовых труб в зимних условиях, Министерство строительства РСФСР, Техн. упр. Науч.-исслед. ин-т по строительству, Москва, ЦБТИ, 1961, 23 стр.
3. Тринкер Б.Д. Бетонирование крепи шахтных стволов, пройденных по замороженным породам, журнал «Шахтное строительство», № 3, 1962, 7 – 10.
4. Тринкер, Б. Д. Вопросы морозоустойкости бетона высотных сооружений, журнал «Специальные работы в промышленном строительстве», ЦБТИ Госмонтажспецстроя, 1/13, 1963.
5. Скрамтаев, Б. Г., Тринкер Б. Д. О повышении долговечности железобетонных башенных градирен. Журнал «Бетон и железобетон», N 1, 1967.
6. Миронов С.А., Малинина Л.А. Ускорение твердения бетона, Москва, Стройиздат, 1967.
7. Тринкер, Б. Д. Исследование прочности сцепления, морозостойкости и водопроницаемости бетона с рабочими швами бетонирования. Журнал «Гидротехническое строительство», 9, 1967.
8. Мчедлов-Петросян О.П., Ушеров-Маршак А.В., Чернявский В.Л. Структурообразование цементных бетонов при замораживании, сборник «Совершенствование методов бетонирования монолитных конструкций зданий и сооружений, в том числе в зимний период», Красноярск, 1967.
9. Москвин В.М. Деформации цементного камня, раствора и крупного заполнителя при раннем замораживании бетона, журнал «Бетон и железобетон», № 12, 1969.
10. Шестоперов, С. В., Тринкер, Б. Д. Опыт применения пластификаторов и пластифицированных цементов при производстве сборных железобетонных изделий, «Пути снижения расхода цемента в промышленности сборного железобетона», МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1970.
11. Тринкер Б.Д. Опыт подводного бетонирования свай методом ВПТ в условиях Крайнего Севера, журнал «Транспортное строительство» № 2, 1971, стр. 17 – 118.
12. Тринкер Б. Д. Инструкция по выбору состава бетона и технологии бетонирования при креплении шахтных стволов, проходимых в сложных гидрогеологических условиях, ВСН 326-74, Минмонтажспецстрой СССР, Москва, 1972, стр. 1-32.
13. Тринкер Б. Д., Заседателев И. Б., Демина Г. Г. Исследование влияния однократного замораживания на нарастание прочности бетона, ВНИПИ Теплопроект, сб. Трудов «Специальные бетоны и сооружения», № 41, 1976, стр. 14-21.
14. Тринкер Б. Д. Инструкция по бетонированию конструкций тяжёлых морских причалов, возводимых в условиях низкотемпературной среды, ВСН 336-76, Минмонзтажспецстрой СССР, Москва, 1977, стр. 1-60.
15. Тринкер Б.Д. Вопрос влияния раннего замораживания на последующее нарастание прочности бетона после оттаивания, RILEM, «Второй международный симпозиум по зимнему бетонированию. Генеральные доклады» Москва, Стройиздат, 1978, стр. 239 -241.
16. «Руководство по зимнему бетонированию с применением метода термоса», Стройиздат, НИИЖБ, Москва, 1976, стр. 1 – 194.
17. Тринкер Б.Д., Лазутина Т.В. Безусадочные морозостойкие бетоны для замоноличивания стыков железобетонных конструкций сборных башенных градирен, Сб. Трудов «Специальные бетоны и сооружения», Москва, ВНИПИ Теплопроект, 1986, cтр. 3 — 6.
18. Тринкер А.Б. От минус 40 до плюс 50 градусов Цельсия, журнал «Технологии бетонов», № 1 – 2, 2012, стр. 28 – 31.