Лед как строительный материал
Ледовая тематика частая гостья на страницах Интернет-изданий и СМИ. Но в силу устоявшихся традиций лед представляют исключительно в негативном плане – как грозного и неуправляемого разрушителя. Почему то все ледоходы на реках происходят «неожиданно», морские суда сталкиваются с неизвестно откуда-то появившимися айсбергами, а ледники сходят на города и поселения «не с того ни чего». О том что лед еще и созидатель – упоминается крайне редко и скупо.
Лед представляет собой прочное, доступное и весьма распространенное в природе вещество. Уже сегодня при освоении ресурсов Севера нашей страны, этот с материал находит все более и более широкое применение в строительстве.
Льдом иногда называют некоторые вещества в твёрдом агрегатном состоянии, которым свойственно иметь жидкую или газообразную форму при комнатной температуре; в частности, сухой лёд, аммиачный лёд или метановый лёд.
Сегодня мы представим нашим читателям малоизвестные старые и новые разработки, связанные с использованием льда и льдо-композитов в качестве конструкционного и строительного материала при возведении различных построек, дорожном строительстве и смежных направлениях деятельности человека.
Лед-строитель
Лед представляет собой материал с небольшим пределом упругости. Его упругие свойства обычно проявляются при кратковременных нагрузках. Под действием постоянных нагрузок (даже небольших) происходит пластическая деформация льда, лед медленно «течет». Этим объясняется движение ледников в горах.
Основные особенности льда как строительного материала обобщены в работах К.Ф. Войтковского, 1954, 1999, И.С. Песчанского, 1967, монографии «Инженерная гляциология», 1971 и др.
Основным ограничением для использования льда при возведении инженерных сооружений является то, что при повышении температуры окружающей среды выше 0°С они тают и, следовательно, теряют качество строительных материалов.
Разрушение льда происходит при деформации изгиба, начиная примерно с 15 кг/см2, и при сжатии от нагрузок порядка 30 кг/см2 и более.
Впрочем, прочность льда можно и повысить. Еще в середине XIX века ученые заморозили мыльные пузыри и выяснили, что тонкие пленки закристаллизованной воды весьма прочны: в них нет термоусадочных раковин и трещин.
Принцип «тонких пленок» ныне применяют в Якутии, когда возводят сооружения из монолитного льда: на вершину надувной опалубки в форме арки быстро намораживают слой за слоем. Прочность такой конструкции не уступает бетону.
Главная беда льда в другом — этот материал хорош только зимой. С наступлением весны он разрушается. Поэтому устойчивость сооружений изо льда и снега может быть обеспечена лишь в случаях, когда ледяные и снежные конструкции защищены от таяния или когда возможная степень их протаивания не превышает величины, допускаемой по условиям эксплуатации сооружения.
Но быстрые разумом ученые уже изобрели «нетающий лед».
Это химически инертное вещество, которое может: многократно плавиться и застывать; иметь температуру плавления около 150°С; сохранять прочности и твердости до 70°С (максимальная температура на солнце в жарком климате); плохо проводить тепло; быть безвредным для человека.
В основу данного строительного материала – кроме обычной воды, положен серополимерный цемент или элементарная сера с большой долей ее полимерных аллотропов и небольшой долей различных добавок-стабилизаторов. Полимерные аллотропы серы играют роль связующего в этом композиционном материале.
Кратко об истории «ледяного строительства»
Ежегодно во всем мире сносят сотни тысяч зданий и на их месте строят что-то новое. Как правило, при этом надо вывезти миллионы тонн мусора и завезти новые строительные материалы. Строители давно мечтали создать «вечный» материал, из которого можно строить новое сооружение, разрушая при этом старое.
Аналог такого материала есть, на циркумполярном пространстве им пользуются с незапамятных времен. Это лед.
В России довольно объемные потешные здания строили по крайней мере со времен Анны Иоанновны. В 1740 году русская императрица забавы ради решила отпраздновать женитьбу шута на одной из придворных приживалок. Для этого в Петербурге на Неве был выстроен ледяной дом с площадью основания около 80 м2 и высотой до 6 м. Стены и пол дома были выложены ледяными плитами и скреплены водой. Дом получился добротным и красивым, соответствующим церемонии, для которой был предназначен.
В Якутии до сих пор и повсеместно создают «ледяные хижины». Для этого деревянные жилые строения обильно поливают на морозе водой. Образующаяся после замерзания воды довольно толстая корка льда способствует лучшему сохранению тепла в помещениях.
Современные эскимосы, населяющие арктическое побережье Северной Америки искусно строят хижины из льда. В большинстве своем это небольшие строения «иглу» на семью из четырех человек . Эти постройки имеют куполообразную форму. Внутренний диаметр обычной хижины составляет около 3 м при высоте от пола до потолка до 2 м. Куполообразная форма придает хижине повышенную прочность и сводит до минимума тепловые потери через внешнюю поверхность.
Для постройки хижины заготавливается около 60 снежных кирпичей размером 60х60х20 см3. При кладке кирпичи скрепляются водой. Вход в хижину ориентируется под углом 90° к направлению господствующих ветров. При горении жировых светильников температура в хижине поддерживается около 2°C. Если же в хижине развести очаг и стены покрыть шкурами животных или тентом, температура в ней на высоте 1,5 м над полом может быть поднята до 25°C.
Немалую роль в истории нашей страны сыграли ледяные переправы. Еще во время войны со шведами по льду Финского и Ботнического заливов переправлялись русские войска. В гражданскую войну ледяная переправа действовала на Азовском море (между Керчью и Таманским полуостровом). В северных районах Советского Союза в прежние времена железнодорожное полотно нередко прокладывалось непосредственно по льду рек и озер Это длительно существовавшая переправа через Байкал длиной в 45 км, переправа через Волгу у Саратова в 1928 году и через Северную Двину в Архангельске в 1943-1944 годах.
Во время Великой Отечественной войны по льду Ладожского озера к осажденному Ленинграду проходила автомобильная дорога протяженностью в 27 км известная в истории как «Дорога жизни». Чтобы ледяной покров под влиянием проходившего по нему потока автомашин не пришел в резонансные колебания и не разрушился, принимались специальные меры. Для этого груз автомашин подбирался таким образом, чтобы частота свободных колебаний ледяного покрова отличалась от частоты, с которой воздействовали на ледяной покров подходившие автомашины.
Когда союзники готовились к высадке в Европе, они всерьёз рассматривали проект постройки флота огромных авианосцев изо льда. До сих пор немало тех, кто считает, что эта затея была чистым безумием, как и тех, кто полагает её оригинальной и разумной технической идеей.
Не вполне ясно, кто первый это придумал, но известно, что идею айсбергов-аэродромов обсуждали в 1942 году премьер Уинстон Черчилль и лорд Луи Маунтбаттен (Louis Mountbatten), глава «Объединённых операций», британской организации отвечающей за развитие наступательного вооружения.
Чуть позднее идея трансформировалась в конструкцию. Британский инженер и учёный Джеффри Пайк (Geoffrey Pyke), сотрудник ведомства Маунтбаттена, предложил собирать боевые корабли из замороженных ледяных блоков, встраивая в конструкцию трубы холодильных установок.
Пайк экспериментировал с любопытным материалом, названным коллегами-учёными в его честь пикрит (Pykrete), и представлявшим собой замороженную смесь воды и целлюлозы (фактически мелких опилок). Оказалось, что этот лёд был многократно прочнее обычного, да ещё в несколько раз медленнее таял.
Довольно подробно об этом историческом факте написано группой ученных (д.т.н., проф. Юрий Семёнов, д.т.н., проф. Сергей Филин и другие) в обширном труде «Инновационные технологии использования льдо-композитных материалов в строительстве и эксплуатации плавучих объектов» в июне 2011года.
Всем знакомый холодильник
Применение льда в народном хозяйстве России многообразно. Но наиболее часто лед использовался, используется и будет в перспективе использоваться в естественных холодильниках.
В настоящее время мировая экономика так и не вышла из кризиса, который характеризуется повышенным спросом на энергоносители и другие сырьевые ресурсы.
Проект модернизации промышленности может иметь успех только в том случае, если предусмотренные в нем инновационные решения завоюют признание потенциальных инвесторов-производителей, т.е. этап внедрения играет одну из ключевых ролей в инновационном процессе. Всё это в полной мере относится и различным проектам, связанным с использованием специфических свойств льда.
Так вот, пользу возвращения к стратегии массового использования естественного охлаждения даже обсуждать не надо, ибо она очевидна. Любой владелец индивидуальной усадьбы и дачного участка с уверенностью подтвердит, что за счет хорошо обустроенного погреба с запасом льда он сможет экономить 20% от затрат на электроэнергию. А в районах вечной мерзлоты просто бурят скважину на глубину 3-4 метров и получают бесплатный круглогодичный холодильник.
На рубеже 19 и 20 веков коммерческая заготовка льда была процветающим бизнесом. Процесс заготовки льда был настолько трудоёмким, насколько это можно себе представить – у людей не было современного оборудования – они использовали гигантские пешни для льда и пилы, а лошади везли огромные горы льда.
Заготовка льда считалась сложной работой, сотни мужчин месяцами трудились на рубке льда. Затем лёд на лошадях отвозили в льдохранилище.
В то время американский и российский ландшафт пестрел тысячами льдохранилищ, от маленьких частых до огромных, коммерческих.
Льдохранилища были оснащены двумя стенами, плотно изолированы, заполнены опилками или другими изолирующими материалами, которые могли сохранить огромное количество льда в течение летних месяцев. Одно из самых крупных льдохранилищ, расположенное на берегу озера Бантам (Bantam Lake), штат Коннектикут, в длину занимало два футбольных поля, содержало 14 отсеков и вмещало более 50 802 тонн льда.
Используемые в России, да и в странах циркумполярного мира, холодильники ледяного охлаждения в зависимости от их конструкции и запаса льда можно разделить на следующие виды:
- ледяные хранилища с сезонным запасом льда, в частности, хранилища из снега;
- склады-холодильники из льда и мерзлого грунта;
- капитальные ледники с сезонным запасом льда;
- ледники с кратковременным запасом льда – льдокарманные холодильники;
- вагоны-ледники и изотермические автомашины, охлаждаемые естественным и искусственным льдом.
Основными характеристиками этих холодильников являются эксплуатационная стоимость 1 куб.м. емкости и удельный расход льда в течение суток на поддержание в 1 куба полезного объема разницы температур хранения и наружного воздуха в 1° С.
К ледяным хранилищам пищевых продуктов относятся снежные и ледяные бурты, а также ледяные площадки, являющиеся временными холодильными сооружениями, для которых не требуются специальные строительные материалы и дополнительный лед в течение сезона.
Сооружения из льда обеспечивают температуру хранения обычно от 0 до 5°С при относительной влажности воздуха 95-100% и предназначаются:
- бурты и площадки – для овощей, хранение которых в машинных холодильниках пока малодоступно, а в обычных хранилищах не всегда качественно;
- ледяные склады – для хранения разных продуктов преимущественно при околонулевой температуре.
На северо-востоке ледяные и льдомерзлотные склады-холодильники обеспечивают температуру –10° С и ниже и могут эффективно использоваться как временные и постоянные сооружения при хозяйственном освоении, в частности, районов Севера и Дальнего Востока.
Что такое ледяные склады НЗ (неприкосновенного запаса)
В наше время успешно сооружаются ледяные склады НЗ ёмкостью до 1000 тонн для хранения в них различных пищевых продуктов. Ледяные склады изобрёл научный сотрудник Института мерзлотоведения Академии наук СССР М.М. Крылов.
Основным строительным материалом для этих складов служит вода, которая намораживается зимой на предварительно установленный лёгкий каркас.
Основную часть склада системы М. М. Крылова составляет ледяной массив с центральным коридором и расположенными по его сторонам камерами для продуктов.
Основанием склада служит лёд, намороженный в котловане глубиной 0,8 метра. Ледяные стены толщиной 2 метра переходят в своды. Расстояние между стенами камер около 5 метров.
Для лучшего сохранения ледяного склада его укрывают снаружи толстым слоем торфа или опилок. С торца ледяного склада устраивают тамбур с хорошей изоляцией стен и перекрытий от тепла.
Снаружи ледяной склад похож на невысокий холм бурого цвета. Трудно предположить, что внутри расположены просторные палаты с голубоватыми ледяными стенами и сводами, сверкающими при электрическом освещении.
Чтобы ледяной склад не таял, в нём поддерживают температуру ниже нуля. Для этого в стенах устроены ниши, где находятся приборы ледосоляного охлаждения, так называемые «решетчатые карманы». В них периодически загружают смесь льда с солью. Каждую зиму производят промораживание ледяного массива и восстанавливают подтаявший слой льда, а также запасы его, израсходованные для ледосоляного охлаждения.
В ледяных складах, построенных в Сибири и в северных районах, оказалось возможным поддерживать в течение всего летнего периода температуру ниже –100°С за счет холода, накопленного в ледяном массиве и основании склада при зимней хладозарядке. Таким образом решалась проблема хранения продуктов в населенных пунктах, где отсутствовали холодильники с машинным охлаждением.
Ледяные склады, оборудованные холодильными установками, были построены практически по всему Северу России: в Норильске, Дудинке. Якутске и др.
Преимущества таких складов перед типовыми холодильниками состоят в их относительной дешевизне и устойчивости температурного режима. Если в типовом холодильнике приходится устанавливать холодильные машины с явным запасом мощности на случай аварийной остановки, то в ледяных складах выход из строя холодильной машины не представляет опасности, так как зона холода в ледяном массиве исключает возможность быстрого повышения температуры сохраняемой продукции.
Лед мостит дорогу
Когда говорят что на Руси две беды: «Дураки и дороги», то это не совсем верно. Ибо зачем русскому мужику строить дорогостоящие земные пути? С первыми морозами все реки и водоемы на Руси покрываются идеальным дорожным покрытием льдом.
Ледяной покров рек и водоемов обладает значительной грузоподъемностью, позволяющей использовать его для транспортных и строительных целей.
Широко используются ледяные переправы через реки и озера. В Сибири часто даже при наличии мостов грузовой поток в зимнее время направляется по льду в обход моста, не говоря о бесчисленном пересечении рек автозимниками. Ледяной покров в ряде случаев используется как временная дополнительная строительная площадка при строительстве гидротехнических сооружений.
Если в ледяном покрове имеются сквозные трещины или разрывы, то предельная нагрузка по мере приближения к кромке льда существенно уменьшается.
Снижение длительной несущей способности ледяного покрова происходит тем интенсивнее, чем выше температура воздуха. Предельная нагрузка при ее действии в течение суток уменьшается в среднем в два раза по сравнению с кратковременной нагрузкой, а при действии груза в течение 100 ч — уменьшается в три раза.
При необходимости переправы по льду тяжелых грузов, вес которых превышает расчетные показатели несущей способности естественного ледяного покрова, применяют различные способы его упрочнения. В условиях сурового климата, особенно в начальный период образования ледяного покрова, успешно применяется увеличение толщины льда методом дождевания.
Так, в середине ноября 1981 г. около Якутска было проведено намораживание слоя гранулированного льда на переправе через Лену. Толщина естественного ледяного покрова в это время была около 40 см. Намораживание льда производилось с помощью передвижной насосной станции с напором до 100 м с дождевальной насадкой, создающей капельный факел. Температура воздуха была от –32 до –42°С.
За время полета водных капель происходило их переохлаждение и частичное замораживание, содержание льда в факеле составляло 40-67%. В месте соприкосновения факела с поверхностью льда образовывался слой из смеси ледяных шариков и воды, который быстро промерзал и превращался в слой гранулированного льда. Искусственно намороженный слой гранулированного льда по строению более однороден по сравнению с естественным ледовым покровом.
Намораживание гранулированного льда позволяет заделывать трещины во льду и формировать поверхность проезжей части переправы, повышает сцепление колес автотранспорта со льдом, увеличивает продолжительность действия переправы. Намораживание льда применяется также для устройства съездов с берега на ледяной покров.
Понятие о льдокомпозитных материалах
Строители Заполярья постоянно используют в качестве строительного материала ледобетон. Так называют лед с включенной в него галькой. Ледобетон настолько прочен, что при работе с ним нередко ломаются даже стальные зубья экскаваторов. И технология эта вовсе не инновационная, а что называется с «бородой».
Еще в 1934 г. профессор Б.Г. Скрамтаев и инженер В.И. Сорокер предложили использовать в качестве строительного материала для зимних фортификационных сооружений «ледяной бетон» – однородную по составу смесь из песка (29%), гравия или щебня (64%) и воды (7%).
Произведенные ими испытания «ледяного бетона» показали, что по прочности на сжатие «ледяной бетон» равен хорошему цементному бетону, применяемому в гражданском строительстве, или кирпичу первого сорта. По прочности на изгиб «ледяной бетон» оказывается в два-четыре раза выше бетона и кирпича.
Другим вариантом ледобетона является лед с добавлением к нему древесной пульпы «ледопласт». Материал этот выдерживает давление до 50 кг/см2 и может быть использован в качестве заменителя цемента при постройке плотин на реках Заполярья.
Армирование льда волокнистым материалом повышает предел его текучести и увеличивает прочность. При использовании хлопковых и древесных волокон прочность увеличивается в 2-3 раза, стекловолокно дает увеличение прочности до 8 раз. Древесные опилки и размельченный торф, смоченные водой и нанесенные на поверхность льда, хорошо предохраняют от таяния складские помещения из льда и ледяные причалы.
Такие свойства полезны для защиты ледяных массивов от таяния, например для продления срока службы ледяных переправ и дорог.
В работе А.М. Чекотило «Применение снега, льда и мерзлого грунта в фортификации», изданной в 1943 г., приводятся интересные примеры испытания различных фортификационных сооружений из снега, льда и мерзлого грунта.
Так, например, проводилось испытание наблюдательного пункта, построенного из хорошо утрамбованного снега со стенами толщиной 1,3 – 1,4 м, с противооткольной одеждой из плетня, в плане круглого, диаметром 1,0 м. Испытания проводились при температуре минус 22-23°С. Производился обстрел из станкового пулемета очередями в 20 пуль. Стены не были пробиты ни простыми, ни бронебойными пулями.
Изобретатель из Астаны Нурмагамбет Нурпеисов придумал концептуально новый вид бетона с наполнителем… изо льда. Новый материал позволит без проблем строить здания высотой более километра. Изобретенный инженером бетон получил название «Нурайс».
Секрет его кроется в следующем. В раствор бетона добавляются шарики из искусственного льда, которые тают очень долго — не сразу, а только тогда, когда бетон успевает схватиться. Шарики начинают таять уже внутри застывшего бетона, и это его ещё больше укрепляет. Такой бетон не только хорошо сохраняет тепло, но и обладает хорошей прочностью.
В Арктике нужны ледяные острова
Шельф арктических морей у побережья России занимает площадь более 1 млн кв. км. В пределах шельфа выявлены участки с предполагаемыми огромными запасами нефти и газа, имеются также залежи железа, цветных металлов и других полезных ископаемых. Если ранее вопросы освоения арктического шельфа рассматривались преимущественно с научной точки зрения, то в настоящее время уже обсуждаются конкретные проекты добычи полезных ископаемых, прежде всего нефти и газа.
Мощные льды в арктических морях и их подвижки создают серьезные затруднения и ограничивают возможности ведения здесь разведочных работ и эксплуатации месторождений.
Одним из перспективных направлений для организации добычи на шельфе нефти и газа является создание искусственных ледяных и ледогрунтовых островов, увеличивает продолжительность действия переправы.
Экспериментальные и теоретические исследования возможностей использования ледяных платформ и ледяных островов были начаты в США и Канаде в связи с разведкой нефтяных месторождений на шельфе моря Бофорта и Канадском Арктическом архипелаге.
Платформы создавались путем периодической заливки воды и послойного намораживания льда на площадке диаметром 122 м на естественном ледяном покрове. Такие ледяные платформы оказались достаточно надежными в тех местах, где в период буровых работ не произошло существенных подвижек ледяного покрова. Было создано также несколько искусственных ледяных островов.
В 1980 г. силами экспедиции Игарской станции Института мерзлотоведения СО АН СССР на шельфе Карского моря в районе мыса Харасавэй на полуострове Ямал был создан временный экспериментальный ледяной остров для исследования процессов намораживания льда из морской воды.
Наблюдения за процессом намораживания льда, температурным режимом ледяного массива и его таянием позволили оценить возможности строительства ледяных островов, пригодных для бурения разведочных и эксплуатационных скважин и разработать некоторые практические рекомендации для проектирования и строительства таких островов.
Расчеты показывают, что искусственные ледяные острова на шельфе арктических морей могут успешно конкурировать с жесткими платформами и другими типами сооружений для добычи нефти и газа, где глубина моря не превышает 10 м.
При строительстве искусственных оснований целесообразно использовать лед в сочетании с талыми и мерзлыми грунтами и другими материалами. Перспективны такие конструктивные решения, которые позволяют создавать массивы льда и мерзлых грунтов и обеспечить их термическую и механическую устойчивость. Теоретические предпосылки для разработки подобных проектов искусственных оснований уже имеются.
_________________________
Обычно мы не задумываемся о льде – мы вспоминаем о нем в летнюю жару, когда не доступен холодильник и нам приходится пить теплые напитки. Ледяная, холодная, твёрдая и скользкая правда состоит в том, что лед как вещество и как строительный материал заслуживает более пристального внимания и уважения. Нам предстоит ещё многое и многое узнать о прошлом, настоящем и будущем льда и снега путём усидчивого изучения этих холодных вещей.
Борис Скупов
(материал предоставлен автором)
Подписывайтесь и будьте с нами:
Последнее изменение: 10.10.2018
Статья размещена Страница «Материалы».
Похожие статьи
История становления ГНБ бизнеса. Риски и первые объемы!
